Přeskočit na obsah

Zesilovač

Z Infopedia
Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox elektronická součástka

Zesilovač je elektronický obvod nebo zařízení, jehož hlavní funkcí je zvýšit amplitudu nebo výkon vstupního elektrického signálu. Energii potřebnou k tomuto zesílení získává z externího napájecího zdroje. Zesilovače jsou základním stavebním kamenem téměř všech moderních elektronických zařízení, od rádiových přijímačů a televizorů přes mobilní telefony a počítače až po složité vědecké přístroje a průmyslové řídicí systémy.

Princip zesilovače spočívá v tom, že malá změna napětí nebo proudu na vstupu způsobí velkou, ale proporciální změnu napětí nebo proudu na výstupu. Klíčovým prvkem, který toto umožňuje, je aktivní součástka, jako je tranzistor nebo elektronka, která funguje jako řízený ventil pro energii z napájecího zdroje.

📜 Historie

Historie zesilovačů je neoddělitelně spjata s vývojem elektroniky jako takové.

🏛️ Éra elektronek

Prvním prakticky použitelným zesilovacím prvkem byla elektronová trioda, kterou vynalezl americký vynálezce Lee de Forest v roce 1906. Tento vynález, nazvaný Audion, umožnil zesilovat slabé rádiové signály a položil základy pro rozvoj rozhlasu, dálkové telefonie a později i televizního vysílání. Elektronkové zesilovače dominovaly elektronice po celou první polovinu 20. století. Byly však velké, křehké, měly vysokou spotřebu energie a generovaly značné množství tepla.

transistors Tranzistorová revoluce

V roce 1947 představili John Bardeen, Walter Houser Brattain a William Shockley v Bellových laboratořích první tranzistor. Tento polovodičový prvek dokázal plnit stejnou funkci jako elektronka, ale byl mnohem menší, odolnější, spolehlivější a měl výrazně nižší spotřebu energie. Nástup tranzistorů v 50. a 60. letech 20. století znamenal revoluci v elektronice, která vedla k miniaturizaci a masovému rozšíření spotřební elektroniky, jako jsou tranzistorová rádia.

⚙️ Integrované obvody

Další klíčový krok přišel s vynálezem integrovaného obvodu na konci 50. let. Tento vynález umožnil integrovat desítky, stovky a později miliony tranzistorů a dalších součástek na jediný čip křemíku. Tím vznikly specializované zesilovací obvody, jako jsou operační zesilovače, které se staly univerzálním stavebním blokem pro širokou škálu aplikací. Dnešní zesilovače jsou téměř výhradně postaveny na bázi integrovaných obvodů, což umožňuje dosáhnout vysokého výkonu, malých rozměrů a nízké ceny.

⚙️ Princip funkce

Základním principem zesilovače je řízení. Vstupní signál, který má malou energii, neovlivňuje přímo výstupní signál, ale řídí tok mnohem větší energie z napájecího zdroje do výstupu. Aktivní prvek (tranzistor, elektronka) funguje jako proměnný odpor nebo spínač, jehož stav je řízen vstupním signálem.

Když na vstup zesilovače přivedeme malý střídavý signál (např. z mikrofonu), tento signál moduluje proud tekoucí aktivním prvkem z napájecího zdroje. Na výstupu tak vzniká proud nebo napětí, které má stejný časový průběh jako vstupní signál, ale mnohonásobně větší amplitudu. Tento proces se nazývá zesílení.

📊 Základní parametry

Kvalita a vlastnosti zesilovače jsou popsány několika klíčovými parametry:

  • Zisk (Gain): Je základním parametrem, který udává, kolikrát zesilovač zvětší vstupní signál. Může být vyjádřen jako poměr výstupního a vstupního napětí (napěťový zisk), proudu (proudový zisk) nebo výkonu (výkonový zisk). Často se udává v logaritmické jednotce decibel (dB).
  • Šířka pásma (Bandwidth): Udává frekvenční rozsah, ve kterém zesilovač pracuje správně a jeho zisk je přibližně konstantní. Mimo tento rozsah zisk klesá.
  • Zkreslení (Distortion): Každý reálný zesilovač mírně deformuje tvar signálu. Zkreslení udává míru této deformace. Hlavními typy jsou harmonické zkreslení (vznik nových frekvencí, které jsou násobky původní) a intermodulační zkreslení (vznik součtových a rozdílových frekvencí při zesilování více signálů najednou).
  • Šum (Noise): Zesilovač přidává k užitečnému signálu i vlastní náhodný signál – šum. Kvalita zesilovače se posuzuje podle odstupu signálu od šumu (S/N ratio).
  • Vstupní impedance (Input Impedance): Udává, jaký odpor představuje vstup zesilovače pro zdroj signálu. Ideálně by měla být co nejvyšší, aby nezatěžovala zdroj signálu.
  • Výstupní impedance (Output Impedance): Udává vnitřní odpor výstupu zesilovače. Ideálně by měla být co nejnižší, aby byl zesilovač schopen dodat maximální výkon do zátěže (např. reproduktoru).
  • Účinnost (Efficiency): Poměr mezi výkonem dodaným do zátěže a celkovým příkonem z napájecího zdroje. Zbytek energie se mění v teplo.

🔬 Dělení zesilovačů

Zesilovače lze dělit podle mnoha různých kritérií.

Podle aktivního prvku

Podle frekvenčního pásma

  • Nízkofrekvenční (NF) zesilovače: Pracují v akustickém pásmu (typicky 20 Hz – 20 kHz). Používají se v audio technice.
  • Vysokofrekvenční (VF) zesilovače: Jsou navrženy pro práci na vysokých frekvencích (řádově stovky kHz až desítky GHz). Používají se v rádiových a televizních vysílačích a přijímačích, mobilních telefonech a radarech.
  • Širokopásmové zesilovače: Zesilují signály ve velmi širokém rozsahu frekvencí, například ve video technice nebo v měřicích přístrojích jako je osciloskop.

Podle třídy pracovního bodu

Třída zesilovače určuje, jakou část periody vstupního signálu je aktivní prvek otevřen. To má zásadní vliv na účinnost a zkreslení.

  • Třída A: Aktivní prvek je otevřen po celou dobu (360°). Má velmi nízké zkreslení, ale také velmi nízkou teoretickou účinnost (max. 25-50 %).
  • Třída B: Používá dva prvky, z nichž každý je otevřen po polovinu periody (180°). Má vyšší účinnost (až 78,5 %), ale trpí tzv. přechodovým zkreslením.
  • Třída AB: Kompromis mezi třídou A a B. Každý prvek je otevřen o něco déle než polovinu periody, což eliminuje přechodové zkreslení při zachování vysoké účinnosti. Je to nejběžnější třída u audio zesilovačů.
  • Třída C: Aktivní prvek je otevřen méně než polovinu periody. Má vysokou účinnost, ale také velké zkreslení. Používá se proto jen v laděných VF zesilovačích (např. ve vysílačích), kde zkreslení nevadí.
  • Třída D: Pracuje ve spínacím režimu. Vstupní signál je pomocí pulzně šířkové modulace (PWM) převeden na sérii pulzů, které spínají tranzistory. Díky tomu dosahuje velmi vysoké účinnosti (často přes 90 %). Používá se v moderních audio zesilovačích, napájecích zdrojích a řízení motorů.

🔌 Aplikace a využití

Zesilovače jsou všudypřítomné a jejich aplikace zahrnují:

💡 Pro laiky: Jak funguje zesilovač?

Představte si vodovodní kohoutek. Vaším cílem je vytvořit silný proud vody (výstupní signál), ale máte jen velmi málo síly na otáčení kohoutkem (vstupní signál).

1. Napájecí zdroj: To je hlavní vodovodní potrubí pod velkým tlakem. Samo o sobě jen čeká, ale má obrovský potenciál. V zesilovači je to zásuvka nebo baterie. 2. Vstupní signál: To je vaše ruka, která velmi jemně a s malou silou otáčí kohoutkem. V elektronice to může být slabý signál z mikrofonu nebo telefonu. 3. Aktivní prvek (Tranzistor): To je samotný ventil v kohoutku. Vaše jemné otáčení (vstupní signál) řídí, jak moc se ventil otevře nebo zavře. 4. Výstupní signál: To je silný proud vody, který teče z kohoutku. Jeho síla a průtok přesně kopírují pohyby vaší ruky, ale jsou mnohonásobně silnější. Proud vody nepochází z vaší ruky, ale z hlavního potrubí (napájecího zdroje).

Zesilovač tedy "nečaruje" energii z ničeho. Pouze chytře využívá malou energii vstupního signálu k tomu, aby řídil a tvaroval mnohem větší energii z napájecího zdroje. Výsledkem je signál, který má stejný "tvar" jako ten vstupní, ale je mnohem "silnější".


Šablona:Aktualizováno

Citováno z „https://infopedia.cz/index.php?title=Zesilovač&oldid=18635“