فرادرستقویت کننده (Amplifier) کلاس A — به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)
همانطور که در آموزش‌های قبل ذکر شد، تقویت‌کننده‌های امیتر مشترک (CE)، برای تولید خروجی‌هایی با ولتاژ بزرگتر از ورودی که در حد چند میلی‌ولت است طراحی شده‌اند. به همین دلیل، این تقویت‌کننده‌ها، سیگنال کوچک نامیده می‌شوند.
فیلم آموزشی تقویت کننده کلاس A
برای تامین توان بارهای مقاومتی بزرگی مثل بلندگو یا موتور به کار رفته در یک ربات، به تقویت‌کننده‌های توان نیاز است.
کار اصلی تقویتکننده توان که به عنوان «تقویتکننده سیگنال بزرگ» نیز شناخته می‌شود، تحویل توان (ضرب ولتاژ در جریان) به بار است. اساساً یک تقویتکننده توان، تقویتکننده ولتاژ نیز هست، با این تفاوت که مقاومت بار متصل به مدار در این حالت نسبتاً کم است. مثلاً یک بلندگوی ۴ یا ۸ اهمی، سبب ایجاد جریان زیادی در پایه کلکتور ترانزیستور می‌شود.
به دلیل وجود این جریان‌های بار زیاد، ترانزیستور یا ترانزیستورهایی که در طبقات خروجی تقویت‌کننده‌ها به کار می‌روند، مانند 2N3055، باید ولتاژ و توان بالاتری از ترانزیستورهایی مانند BC107 داشته باشند که در تقویت‌کننده‌های سیگنال کوچک به کار می‌روند.
از آنجایی که هدف ما تحویل حداکثر توان AC به بار است و در عین حال، باید حداقل مقدار ممکن توان DC منبع تغذیه را مصرف کنیم، اغلب با «بازده تبدیل» (Conversion Efficiency) تقویتکننده سروکار داریم. شکل زیر، گردش توان در تقویتکننده را نشان می‌دهد:
یکی از معایب اصلی تقویت‌کننده‌های توان، خصوصاً تقویت‌کننده‌های کلاس A، بازده توان بسیار پایین آنهاست. در این تقویت‌کننده‌ها، مقدار زیادی توان DC منبع تغذیه به شکل گرما تلف می‌شود. درصد بازده تقویت‌کننده‌ها به عنوان نسبت RMS توان مصرف شده بار به کل توان DC مصرف شده منبع تغذیه تعریف می‌شود. این موضوع در فرمول زیر نشان داده شده است:
که در آن، $$\eta \%$$ بازده تقویتکننده، Pout توان تحویلی تقویتکننده به بار و Pdc توان DC کشیده شده از منبع است.
برای یک تقویتکننده، بسیار مهم است که منبع تغذیه آن، حداکثر توان لازم را برای تحویل به بار به طور پیوسته تامین کند.
تقویتکننده کلاس A
پرکاربردترین مدار تقویتکننده توان، تقویتکننده کلاس A است. این تقویتکننده ساده‌ترین شکل یک تقویتکننده توان است که در آن، یک ترانزیستور با پیکربندی امیتر مشترک به کار رفته و یک خروجی معکوس تولید می‌کند. برای آنکه ترانزیستور در یک دوره تناوب کامل، سیگنال ورودی را با حداکثر دامنه و حداقل اعوجاج تقویت کند، باید همیشه بصورت ON بایاس شود.
بنابراین، تقویتکننده کلاس A مد کاری ایده‌آلی دارد، زیرا یک خروجی با حداقل مقدار اعوجاج تولید می‌کند. در طبقات خروجی تقویتکننده توان، یک یا دو ترانزیستور (برای بارهای بزرگ) وجود دارد. شکل زیر، مدار تقویتکننده کلاس A را نشان می‌دهد.
تصویر بالا، مدار ساده‌ترین نوع تقویتکننده کلاس A را نشان می‌دهد. در این مدار، یک ترانزیستور تک سر در طبقه خروجی وجود دارد که از طریق یک مقاومت، مستقیماْ به پایه کلکتور وصل شده است. وقتی ترانزیستور «ON» باشد، جریان خروجی را از کلکتور می‌کشد و در نتیجه یک افت ولتاژ اجتناب ناپذیر روی مقاومت امیتر ایجاد می‌کند که قابلیت تولید خروجی منفی را محدود می‌سازد.
بازده این مدار بسیار کم (کمتر از ۳۰ درصد) است و علی‌رغم کشیدن توان زیادی از منبع DC، توان خروجی کمی را به بار تحویل می‌دهد. حتی اگر باری به تقویتکننده کلاس A وصل نباشد، همواره جریان مشخصی از آن می‌گذرد، بنابراین، به هیت‌سینک‌های بزرگی برای ترانزیستورهای خروجی نیاز است.
تقویتکننده با زوج دارلینگتون
یک راه برای افزایش ظرفیت تقویتکننده، جایگزینی ترانزیستور خروجی آن با یک «ترانزیستور دارلینگتون» (Darlington Transistor) یا زوج دارلینگتون است. در داخل این قطعات، دو ترانزیستور تعبیه شده که یکی (کوچکتر)، ترانزیستور «پایلوت» و دیگری (بزرگتر)، ترانزیستور «سوئیچینگ» است. ویژگی بارز زوج دارلینگتون، امپدانس ورودی بزرگ و امپدانس خروجی کوچک آن است که اتلاف توان و در نتیجه دمای تولیدی را کاهش می‌دهد.
بهره جریان ($$\beta$$) کلی یا مقدار hfe یک زوج دارلینگتون برابر با ضرب بهره‌های دو ترانزیستور است. در نتیجه، جریان کلکتور و بتای زوج دارلینگتون، بسیار بزرگتر از یک ترانزیستور تکی است.
تقویتکننده کوپل‌شده با ترانسفورماتور
برای بهبود بازده توان یک تقویتکننده کلاس A، می‌توان یک ترانس به کلکتور وصل کرده و بین مدار و بار قرار داد. با چنین کاری، مدار، «تقویتکننده کوپل‌شده با ترانسفورماتور» نامیده می‌شود. ترانس، با تطبیق امپدانس بار و خروجی تقویتکننده از طریق تنظیم نسبت تبدیل (n)، بازده را افزایش می‌دهد. شکل زیر مدار تقویتکننده را نشان می‌دهد که یک ترانسفورماتور با آن کوپل شده است.
اگر جریان کلکتور (Ic) به دلیل تغییرات جریان بیس، از مقدار جریان نقطه کار تنظیم شده با ولتاژ بایاس بیس کمتر شود، شار مغناطیسی هسته ترانس افت کرده و سبب ایجاد EMF در سیم‌پیچی اولیه آن می‌شود. این اتفاق موجب می‌شود ولتاژ لحظه‌ای کلکتور به دو برابر ولتاژ تغذیه (2Vcc) افزایش یابد و وقتی ولتاژ کلکتور حداقل است، جریان Ic دو برابر شود. بازده این نوع تقویتکننده کلاس A را می‌توان با استفاده از روابط زیر بیان کرد.
مقدار RMS ولتاژ کلکتور به صورت زیر بدست می‌آید:
مقدار RMS جریان کلکتور با رابطه زیر محاسبه می‌شود:
بنابران، مقدار RMS توان تحویلی به بار (Pac) را نیز می‌توان با رابطه زیر حساب کرد:
توان کشیده شده از منبع (Pdc) نیز به صورت زیر بدست می‌آید:
و در نهایت بازده تقویتکننده کلاس A با ترانس کوپل شده با رابطه زیر محاسبه می‌شود:
ترانس خروجی، بازده را با تطبیق امپدانس بار و خروجی تقویتکننده بهبود می‌دهد. با استفاده از ترانس خروجی می‌توان بازده تقویتکننده کلاس A را تا 40 درصد افزایش داد.
البته ترانسفورماتور، به دلیل داشتن سیم‌پیچی و هسته، یک قطعه سلفی است و ممکن است نیرو محرکه الکتریکی برگشتی (Back EMF) در مدار سوئیچینگ تقویتکننده ایجاد کند و در صورت عدم محافظت‌های لازم، موجب آسیب دیدن مدار شود.
یک عیب بزرگ دیگر تقویتکننده کوپل‌شده با ترانس، افزایش هزینه و اندازه مدار است.
کلاس‌بندی یک تقویتکننده در اصل به زاویه هدایت، یعنی مقداری از 360 درجه سیکل کامل سیگنال ورودی بستگی دارد که توسط ترانزیستور به خروجی هدایت می‌شود. در تقویتکننده کلاس A، زاویه هدایت کامل (کل 360 درجه) است، در حالی که سایر تقویت‌کننده‌ها زاویه هدایت کمتری دارند.
با قرار دادن دو ترانزیستور مکمل (یکی NPN و دیگری PNP) در خروجی تقویتکننده، توان خروجی و بازده آن افزایش پیدا می‌کند. مدار این دو ترانزیستور مکمل، «پوش-پول» (Push-Pull) نامیده می‌شود. به این نوع تقویتکننده، تقویتکننده کلاس B گفته می‌شود که در آموزش بعدی آن را معرفی خواهیم کرد.
پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با انواع تقویت‌کننده‌ها و موضوعات مرتبط با آنها، آموزش‌های زیر را ببینید:
- تقویت کننده ها (Amplifiers) — به زبان ساده
- اعوجاج در تقویت کننده ها (Amplifier Distortion) -- به زبان ساده
- تقویت کننده های الکترونیکی — مجموعه مقالات جامع وبلاگ فرادرس
^^
فیلم بسیار خوب توضیح داده شد. ولی آهنگ زمینه کلا تمرکز رو نابود می کنه. توصیه می کنم صدا استاد به تنهایی باشه. تا مطالب کامل قابل استفاده باشه.