Come utilizzare l'amplificatore ad alta tensione e le sue considerazioni

Specifiche di applicazione

Tipi e caratteristiche degli amplificatori

Se si cerca "amplificatore" su Internet, si troveranno risultati su molti siti web riguardanti gli amplificatori di potenza audio. Ma il termine "amplificatore" non si riferisce solo all'audio. Un dispositivo che amplifica qualcosa è chiamato amplificatore. Naturalmente, nei circuiti, compresi gli amplificatori di potenza audio, vengono scambiati vari segnali sotto forma di segnali elettrici. Pertanto, l'amplificatore ha il compito di amplificare il segnale che scorre nel circuito, amplificando la corrente o la tensione in ingresso. Il suo ruolo è quello di amplificare i segnali elettrici emessi da vari sensori, facilitando la conversione analogico-digitale.

L'amplificatore è un rappresentante del circuito analogico, è molto importante, se si toglie l'amplificatore dal circuito analogico, non c'è nulla. Inoltre, poiché l'amplificatore può fornire qualsiasi corrente e tensione (o potenza), può essere utilizzato anche come simulatore di potenza. In effetti, anche l'alimentatore è un tipo di amplificatore. Un alimentatore CC è chiamato anche unipolare (alimentatore) perché può fornire solo una carica positiva.

Si parla di un alimentatore bipolare a due quadranti, che può fornire una sorgente di corrente con carica positiva e negativa, e di un alimentatore bipolare a quattro quadranti, che può anche fornire un assorbitore di corrente. L'alimentatore bipolare a quattro quadranti sarà trattato in dettaglio nell'ultimo capitolo.

Esistono due tipi principali di amplificatori, chiamati "amplificatori lineari" e "amplificatori digitali". Un "amplificatore lineare" ha un dominio di frequenza in cui il segnale di uscita è amplificato linearmente rispetto al segnale di ingresso e un dominio in cui è non lineare a causa delle caratteristiche degli elementi amplificatori (come transistor e FET) che compongono il circuito. In particolare, il segnale di uscita diventa non lineare nella regione vicina allo zero e il funzionamento ON/OFF del segnale di ingresso del componente causa una distorsione della forma d'onda di uscita. Pertanto, diventa importante la regione in cui viene utilizzato il segnale di ingresso, che si divide in tre categorie: Classe A, Classe B e Classe AB (comprese le classi AB1 e AB2).

Amplificatore di Classe A

L'amplificatore utilizza solo la regione di amplificazione lineare del componente. Pertanto, sebbene la linearità sia elevata, la corrente (o tensione) di polarizzazione deve essere fornita anche quando il segnale di ingresso è prossimo allo zero; lo svantaggio è che l'efficienza è ridotta e il calore è elevato. Per garantire che il segnale di uscita sia corretto, viene sempre mantenuta una corrente di polarizzazione costante anche quando il segnale di ingresso è nullo.

Amplificatore di classe B

Questo amplificatore utilizza le regioni di amplificazione non lineare e lineare del componente. Pertanto, quando il segnale di ingresso è prossimo allo zero, anche il segnale di uscita è nullo, con conseguente distorsione. Non sono invece necessarie correnti di polarizzazione come quelle degli amplificatori di Classe A e l'efficienza è migliorata.

Amplificatore di classe AB

È un amplificatore con un'alta reputazione tra la Classe A e la Classe B. La distorsione viene eliminata aggiungendo una corrente di polarizzazione all'amplificatore di Classe B.

Un altro tipo di amplificatore è l'"amplificatore digitale", noto anche come amplificatore a commutazione, amplificatore di Classe D. Utilizzando tecnologie di commutazione come la PWM, è più efficiente e più piccolo degli amplificatori lineari. Viene utilizzato principalmente negli amplificatori di potenza audio compatti, come nelle applicazioni automobilistiche. Sebbene i MOSFET e gli IGBT siano utilizzati come dispositivi di commutazione, il problema è che la banda di frequenza del segnale di ingresso corrispondente è stretta.

La condizione necessaria per il funzionamento stabile dell'amplificatore

Finora abbiamo spiegato i tipi e le caratteristiche degli amplificatori. Da qui in poi, ci occuperemo di cosa cercare quando si progettano e si implementano gli amplificatori.

Banda di frequenza

Affinché i valori di uscita di corrente e tensione siano stabili, è necessario comprendere i fattori che li ostacolano. Il primo fattore è la banda di frequenza. La banda di frequenza corrisponde alla velocità di funzionamento dell'amplificatore. A frequenze elevate, l'amplificatore non riesce a tenere il passo con il segnale di ingresso e l'ampiezza del segnale diminuisce. Questo grafico mostra la frequenza prima che l'ampiezza raggiunga i -3 dB nella banda di frequenza.

Ad esempio, se un amplificatore da 120 V ha una banda di frequenza di 20 kHz, anche se tenta di emettere un'onda sinusoidale di ± 20 V a 20 kHz, l'ampiezza di uscita diventa il 70% a -3 dB, quindi diventa un'onda sinusoidale di ± 14 V. Pertanto, è necessario scegliere un amplificatore con una banda di frequenza che abbia un margine adeguato alla frequenza che si desidera utilizzare. Il tempo di salita e il tempo di discesa sono correlati alla banda di frequenza. Velocità di risposta generale (= banda) Il tempo di salita di un amplificatore fc(Hz) può essere ottenuto da tr≑0,35/fc.

Velocità di flutter

Il secondo fattore è la velocità di piezoswing, che rappresenta la velocità di risposta dell'amplificatore. Indica la velocità massima di aumento della tensione dell'amplificatore. In genere è espressa come variazione di tensione per microsecondo. La velocità di risposta dell'amplificatore può essere limitata dalla banda di frequenza o dalla velocità di oscillazione della tensione. Quando la risposta a gradino è limitata dalla velocità di oscillazione della pressione, la forma d'onda crescente diventa una linea retta come mostrato in figura.

Carico induttivo

Finora il problema è dovuto alla velocità, ma ora tratteremo gli aspetti legati al carico. Il primo fattore è il carico induttivo. Nel caso dei carichi induttivi, la relazione volt-corrente è V = L × di/dt rispetto al valore di induttanza L, e la tensione generata quando si cerca di funzionare ad alta velocità con un controllo a corrente costante (CC) crea problemi.

Ad esempio, quando si cerca di emettere un'onda quadra che aumenta più rapidamente, la forma d'onda desiderata potrebbe non essere ottenuta perché la tensione è limitata dalla protezione da sovratensione. In questo caso, è necessario rallentare la velocità di salita del segnale di ingresso e selezionare un modello che supporti la tensione generata.

Inoltre, l'uso di un segnale a gradini come un controllo digitale sul segnale di ingresso genera molti impulsi di tensione. Poiché questi impulsi possono essere problematici, si raccomanda di utilizzare un segnale di ingresso a forma d'onda continua quando possibile.

D'altra parte, anche la protezione da sovratensione limita il segnale di uscita. Tuttavia, se il segnale di uscita viene improvvisamente disattivato, la protezione non funziona e il carico induttivo può produrre una tensione elevata.

Carico di capacità

Il secondo fattore è il carico di capacità. Per un carico capacitivo, la relazione tensione-corrente per il condensatore C è I = C × dV/dt. A differenza dei carichi induttivi, le correnti elevate sono necessarie per il funzionamento ad alta velocità con controllo a tensione costante (CV). Quando si tratta di grandi capacità, prima dell'uso è necessario conoscere le caratteristiche del carico e le caratteristiche di uscita dell'alimentatore.

Carico a diodo

Il terzo fattore è il carico dei diodi. In caso di controllo a corrente costante (CC), anche se la corrente è controllata a zero in condizioni di assenza di carico, la tensione di uscita salirà a un livello di protezione da sovratensione positivo o negativo sotto l'influenza di un leggero offset. Ciò significa che, anche se il controllo della corrente è nullo, un diodo o un altro carico che consente solo la corrente in avanti può emettere un segnale di tensione troppo grande nella direzione inversa. Se questo supera la tensione di resistenza del carico, può provocare un guasto, per cui è necessario adottare misure come l'inserimento di un diodo di protezione inverso.

Capacità e induttanza del cavo

L'ultimo fattore è il cavo. Quando si fa funzionare l'amplificatore ad alta velocità, non si può ignorare l'effetto del cavo sulla capacità e sull'induttanza del segnale di uscita. In un amplificatore ad alta tensione, nel cavo è presente un condensatore tra la linea di uscita e lo schermo, che influisce sulla velocità di salita della forma d'onda della tensione. Più lungo è il cavo, maggiore è la capacità. Per questo motivo gli amanti della musica utilizzano cavi a bassa resistenza e i sistemi sono costruiti in modo da ridurre al minimo la lunghezza dei cavi.

Inoltre, nel modello a bassa tensione e alta corrente, l'induttanza del cavo e l'induttanza generata dalla modalità di cablaggio hanno una grande influenza sulla velocità di salita della forma d'onda della corrente. Questo problema può essere mitigato in una certa misura rendendo l'anello di corrente più piccolo, ad esempio attorcigliando il cablaggio.

Alimentatore bipolare a quattro quadranti

Infine, viene presentato un alimentatore bipolare a quattro quadranti, che è un amplificatore ad alte prestazioni e un'evoluzione dell'amplificatore. Un amplificatore ha fondamentalmente un assorbitore di corrente in uscita. Pertanto, anche i carichi di capacità, i carichi induttivi e le loro combinazioni possono funzionare a pressione costante. Inoltre, poiché la velocità di risposta è elevata, si può dire che sia l'alimentatore ideale. Un normale alimentatore può emettere corrente solo in una direzione. Tuttavia, un alimentatore bipolare a quattro quadranti può emettere tensione in entrambe le direzioni, positiva e negativa.

Inoltre, ha anche la funzione di riempire la corrente e di tirare la corrente. Quando una corrente alternata viene applicata a un carico induttivo o a un carico di capacità, la stessa tensione può avere correnti positive e negative. Per pilotare un carico di questo tipo è necessario un alimentatore bipolare a quattro quadranti.

In caso di controllo a tensione costante (CV), la tensione di uscita di un alimentatore bipolare a quattro quadranti corrisponde al segnale di ingresso. In questo caso, la corrente di uscita può essere valutata liberamente all'interno dell'intervallo nominale. In caso di controllo a corrente costante (CC), invece, l'uscita della corrente dipende dal segnale di ingresso. A questo punto, se la tensione di uscita rientra nel valore nominale, può essere positiva o negativa libera.

Tuttavia, poiché la protezione dell'uscita avviene attraverso la protezione da sovratensione e sovracorrente, è possibile che non si ottenga la forma d'onda desiderata. È meglio operare all'interno dell'intervallo di tensione e corrente nominale e la comprensione delle caratteristiche del carico è importante per un uso stabile dell'alimentatore.