برق، مهندسی 1390 بازدید

در کاربردهای عملی، هر تقویت کننده از چند طبقه تشکیل شده است. به عنوان مثال اگر یک تقویت کننده صوتی را در نظر بگیریم، بسته به نوع کاربرد مورد نظر، از طبقات مختلف تقویت کننده تشکیل شده است. در مطالب قبلی از مجله فرادرس به بررسی کلاس‌های مختلف تقویت کننده‌ها پرداختیم. در این مطلب قصد داریم به بررسی «تقویت کننده توان» (Power Amplifier) بپردازیم و تفاوت آن‌ را با تقویت کننده‌های ولتاژ بیان کنیم.

تقویت کننده توان

بعد از اینکه یک سیگنال صوتی را به سیگنال الکتریکی متناظر تبدیل کردیم، باید در چندین مرحله از تقویت کننده ولتاژ استفاده کنیم. بعد از انجام تقویت کنندگی ولتاژ، دقیقا قبل از طبقه بلندگو، باید یک تقویت کننده توان در مدار قرار داشته باشد. در تصویر زیر نمایش بلوک دیاگرام یک سیستم صوتی از میکروفن تا بلندگو و طبقات مختلف تقویت کننده نشان داده شده است.

بلوک دیاگرام یک سیستم صوتی از میکروفن تا بلندگو و طبقات مختلف تقویت کننده
بلوک دیاگرام یک سیستم صوتی از میکروفن تا بلندگو و طبقات مختلف تقویت کننده

در حالی که تقویت کننده ولتاژ، سطح ولتاژ سیگنال ورودی به آن را افزایش می‌دهد، کاربرد یک تقویت کننده توان برای این هدف است که سطح توان سیگنال را بالاتر ببرد. در کنار عمل افزایش سطح توان، می‌توان گفت که یک تقویت کننده توان، مداری است که توان DC را به توان AC تبدیل می‌کند و عملکرد آن توسط سیگنال ورودی کنترل می‌شود. توان DC بر اساس رابطه زیر توزیع می‌شود:

تلفات +  توان AC ورودی  = توان DC ورودی

ترانزیستور قدرت (Power Transistor)

برای یک تقویت کننده توان، نمی‌توان از ترانزیستورهای معمولی استفاده کرد. ترانزیستوری که توسط کارخانه سازنده برای هدف تقویت کنندگی توان ساخته می‌شود، ترانزیستور قدرت نام دارد. یک ترانزیستور قدرت با سایر انواع ترانزیستورهای معمولی در مولفه‌های زیر تفاوت دارد:

  • ترانزیستورهای قدرت دارای اندازه‌های بزرگ تری هستند تا بتوانند مقادیر بزرگ توان را تحمل کنند.
  • ناحیه کلکتور ترانزیستور قدرت بزرگ‌تر ساخته می‌شود و یک سینک حرارتی در سمت پیوند کلکتور بیس قرار داده می‌شود تا حرارت تولید شده توسط ترانزیستور کمینه شود.
  • ناحیه امیتر و بیس در یک ترانزیستور قدرت به شدت آلاییده شده است.
  • به دلیل مقاومت پایین ورودی، یک ترانزیستور قدرت به توان ورودی کمی نیاز دارد.

تفاوت تقویت کننده توان با تقویت کننده ولتاژ

بنابراین بین یک تقویت کننده ولتاژ با تقویت کننده توان تفاوت‌های بسیاری وجود دارد. که در ادامه به بررسی دقیق‌تر آن‌ها می‌پردازیم. ابتدا عملکرد تقویت کننده ولتاژ را بررسی می‌کنیم.

تقویت کننده ولتاژ

همان طور که گفتیم، وظیفه یک تقویت کننده ولتاژ بالا بردن سطح ولتاژ سیگنال ورودی است. تقویت کننده‌های ولتاژ به صورتی طراحی می‌شوند که به بیشینه میزان تقویت کنندگی خود برسند. بهره ولتاژ یک تقویت کننده با استفاده از رابطه زیر به دست می‌آید:

$$ A _ v = \beta \left ( \frac { R _ c } { R _ { i n } } \right ) $$

مشخصه‌های یک تقویت کننده ولتاژ را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

  • بیس ترانزیستور در یک تقویت کننده ولتاژ باید ضخامت کمی داشته باشد و به همین دلیل مقدار $$ \beta $$ باید از ۱۰۰ بزرگ‌تر باشد.
  • مقدار مقاومت ورودی $$ R _ { in } $$ در یک تقویت کننده ولتاژ باید نسبت به مقدار بار متصل به کلکتور یا $$ R _ C $$ کمتر باشد.
  • بار متصل به کلکتور $$ R _ C $$ باید مقدار نسبتا بزرگی داشته باشد. به دلیل بار بزرگ موجود در کلکتور، تقویت کننده ولتاژ همواره در مقدار جریان کلکتور بسیار کوچکی عمل می‌کند.
  • تقویت کننده‌های ولتاژ برای سیگنال‌های ولتاژ کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرند.

تقویت کننده توان

عملکرد یک تقویت کننده توان به منظور افزایش سطح توان سیگنال ورودی است. تقویت کننده های توان باید مقدار توان بزرگی را منتقل کنند و نیز مقادیر بزرگ جریان را تحمل کنند. در تصویر زیر یک تقویت کننده توان نشان داده شده است.

تقویت کننده توان کلاس A
تقویت کننده توان کلاس A

به همین دلیل یک تقویت کننده توان مشخصه‌های مخصوص به خود را دارد که در زیر به بررسی چند مورد از مهم‌ترین آن‌ها می‌پردازیم:

  • بیس یک ترانزیستور در تقویت کننده توان نسبتا ضخیم‌تر ساخته می‌شود و دلیل این امر، تحمل مقادیر بزرگ جریان است. همچنین در این نوع از ترانزیستورها، مقادیر $$ \beta $$ بسیار بزرگ‌تر ($$  \beta > 100 $$) است.
  • ترانزیستورهای قدرت برای تقویت کننده‌های توان در اندازه‌های بزرگ‌تری ساخته می‌شوند تا گرمایی که در طول زمان عملکرد ترانزیستور تولید می‌شود را بتوانند با محیط بیرون مبادله کنند.
  • از «ترانسفورمرهای تزویج» (Transformer Coupling) برای «تطبیق امپدانس» (Impedance Matching) استفاده می‌شود.
  • مقاومت کلکتور در یک تقویت کننده توان بسیار پایین است.

در جدول زیر مقایسه بین تقویت کننده توان و تقویت کننده ولتاژ نشان داده شده است.

تقویت کننده توان تقویت کننده ولتاژ مشخصه
کوچک (بین ۵ تا ۲۰) بزرگ ($$ \beta > 100 $$) $$ \beta $$
کوچک (بین ۵ تا ۲۰ اهم) بزرگ (۴ تا ۱۰ کیلو اهم) $$ R _ C $$
ترانسفورمر تزویج ثابت همواره کوپل R-C تزویج
بالا (۲ تا ۴ ولت) پایین (در حد چند میلی ولت) ولتاژ ورودی
بالا (بزرگ‌تر از ۱۰۰ میلی آمپر) پایین (تقریبا ۱ میلی آمپر) جریان کلکتور
بزرگ کوچک توان خروجی
کوچک (تقریبا ۲۰۰ اهم) بزرگ (تقریبا ۱۲ کیلو اهم) امپدانس خروجی

اگر مطالب بیان شده برای شما مفید بوده و می‌خواهید بیشتر در این رابطه یاد بگیرید، پیشنهاد می‌کنیم به آموزش‌های زیر مراجعه کنید:

^^

اگر بازخوردی درباره این مطلب دارید یا پرسشی دارید که بدون پاسخ مانده است، آن را از طریق بخش نظرات مطرح کنید.

«مرضیه آقایی» دانش‌آموخته مهندسی برق است. فعالیت‌های کاری و پژوهشی او در زمینه کنترل پیش‌بین موتورهای الکتریکی بوده و در حال حاضر، آموزش‌های مهندسی برق مجله فرادرس را می‌نویسد.

بر اساس رای 5 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *