Amplifikatör Devrelerine Giriş

Daha önce amplifikatörler devreleri hakkında bir çok yazı paylaşmıştık, fakat bu seri ile beraber amplifikatör serilerinden, türlerinden, sınıflarından hatta hesaplamarı gibi bir çok detayı hakkında bir rehber oluşturmak istedik. Bu serinin giriş yazısı olarak bu içerikte, amplifikatörleri giriş yapıyoruz!

Amplifikatör, giriş sinyalinin sürümünü üreten ve artıran bir devreyi tanımlamak için kullanılan genel terimdir. Bununla birlikte, tüm amplifikatör devreleri, devre konfigürasyonlarına ve çalışma modlarına göre sınıflandırıldıklarıyla aynı değildir.
Amplifikatör, Amplifikatör Devrelerine Giriş

“Elektronik” de, küçük sinyal amplifikatörleri yaygın olarak kullanılan cihazlardır, çünkü nispeten küçük bir giriş sinyalini, örneğin bir foto-cihaz gibi bir sensörden, örneğin bir röle, lamba veya hoparlörü sürmek için çok daha büyük bir çıkış sinyaline yükseltme yeteneğine sahiptirler.

Operasyonel Amplifikatörlerden ve küçük sinyal Amplifikatörlerinden büyük sinyal ve güç Amplifikatörlerine kadar amplifikatörler olarak sınıflandırılan birçok elektronik devre türü vardır. Bir amplifikatörün sınıflandırılması, büyük veya küçük sinyalin boyutuna, fiziksel konfigürasyonuna ve giriş sinyalini nasıl işlediğine, yani giriş sinyali ile yükte akan akım arasındaki ilişkiye bağlıdır.

Bilgi

Amplifikatör = Yükselteç. İki kavramda aynı anlama çıkmaktadır. Yükselteç, Türkçe olarak kullanılan bir alternatiftir.

Sinyal Amplifikatörlerin Sınıflandırılması

Sinyal TipiYapılandırma
Türü
Amplifikatör
Sınıfı
İşlem Frekansı
Küçük
Sinyal
Common Emitter
(Ortak Emetör)
A SınıfıDoğru Akım
(DC)
Büyük
Sinyal
Common Base
(Ortak Baz)
B SınıfıSes Frekansları
(AF)
Common Collector
(Ortak Kollektör)
AB SınıfıRadyo Frekansları
(RF)
C SınıfıVHF, UHF,SHF
Frekansları

Amplifikatörler, iki giriş terminaline ve iki çıkış terminaline (topraklama ortaktır) sahip olan bir Bipolar transistör, FET transistör veya operasyonel amplifikatör(op-amp) gibi bir amplifikatör cihazı içeren basit bir kutu veya blok olarak düşünülebilir.

İdeal bir sinyal amplifikatörü üç ana özelliğe sahip olacaktır: giriş direnci veya (Rin), çıkış direnci veya (Rout) ve tabii ki kazanç veya (A) olarak bilinen amplifikasyon. Bir amplifikatör devresi ne kadar karmaşık olursa olsun, bu üç özelliğin ilişkisini göstermek için genel bir amplifikatör modeli kullanılır.

İdeal Amplifikatör

Giriş ve çıkış sinyalleri arasındaki güçlendirilmiş fark, amplifikatörün kazancı olarak bilinir. Kazanç temel olarak bir amplifikatörün giriş sinyalini ne kadar “güçlendirdiğinin” bir ölçüsüdür. Örneğin, 1 voltluk bir giriş sinyalimiz ve 50 voltluk bir çıkışımız varsa, amplifikatörün kazancı “50”olacaktır. Başka bir deyişle, giriş sinyali 50 kat arttırılmıştır. Bu artışa kazanç denir.

Amplifikatör, Amplifikatör Devrelerine Giriş

Amplifikatörün kazancı, sadece girişe bölünen çıkışın oranıdır. Kazancın a oranı olarak birimleri yoktur, ancak elektronikte amplifikasyon için genellikle “A” sembolü verilir. Amplifikatörün kazancı basitçe “giriş sinyaline bölünen çıkış sinyali”olarak hesaplanır.

Amplifikatör Kazancı

Amplifikatör kazancına girişin, çıkışta ölçülen sinyal ile girişte ölçülen sinyal arasında var olan ilişki olduğu söylenebilir. Ölçülebilen üç farklı amplifikatör kazancı vardır ve bunlar: ölçülen miktara bağlı olarak voltaj kazancı ( Av ), akım kazancı ( Ai ) ve güç kazancı ( Ap ) dır.

Amplifikatör, Amplifikatör Devrelerine Giriş

Voltaj Kazancı

Voltaj Kazancı (Av)= Çıkış Voltajı/Giriş Voltajı = (Vout)/(Vin)

Akım Kazancı

Akım Kazancı (Ai)= Çıkış Akımı/Giriş Akımı = (Iout)/(Iin)

Güç Kazancı

Güç Kazancı (Ap)= Voltaj Kazancı x Akım Kazancı = (Av) x (Ai)

Güç kazancı için, çıkışta elde edilen gücü girişte elde edilen güçle de bölebileceğinizi unutmayın. Ayrıca, bir amplifikatörün kazancını hesaplarken, kullanılan sinyal kazancının türünü belirtmek için V, i ve p alt simgeleri kullanılır.

Amplifikatörün güç kazancı (Ap) veya güç seviyesi desibel (dB) olarak da ifade edilebilir. Bel (B), birimi olmayan logaritmik bir ölçüm birimidir (taban 10). Bel çok büyük bir ölçü birimi olduğundan, desibel ile öneklenir, bunun yerine bir desibel bir belin onda biri (1/10) olur. Amplifikatörün kazancını desibel veya dB olarak hesaplamak için aşağıdaki ifadeleri kullanabilirsiniz.

  •   Voltaj Kazancı –> dB:   av  =  20*log(Av)
  •   Akım Kazancı  –> dB:   ai  =  20*log(Ai)
  •   Güç Kazancı    –> dB:   ap  =  10*log(Ap)

Ayrıca, pozitif bir dB değeri bir kazancı temsil eder ve negatif bir dB değeri amplifikatör içindeki bir kaybı temsil eder. Örneğin, +3 db’lik bir amplifikatör kazancı, amplifikatörlerin çıkış sinyalinin “iki katına çıktığını”, (x2),- 3 db’lik bir amplifikatör kazancının ise sinyalin “yarıya indiğini”, (x0.5) veya başka bir deyişle bir kayıp olduğunu gösterir.

Bir amplifikatörde, maksimum çıkış değerini 0 dB alırsak, -3 dB değeri yarım güç noktası olarak adlandırılır.

Örnek Amplifikatör Sorusu

Giriş voltajı ve akımı: 10mV , 1mA.

Çıkış voltajı ve akımı: 1V , 10mA.

Bu değerler göz önüne alındığında:

Voltaj Kazancı (Av)= Çıkış Voltajı/Giriş Voltajı = 1V/10mV = 100

Akım Kazancı (Ai)= Çıkış Akımı/Giriş Akımı = (Iout)/(Iin) = 10mA/1mA = 10

Akım Kazancı (Ai)= Çıkış Akımı/Giriş Akımı = (Iout)/(Iin) = 100 x 10 = 1000

Desibel Cinsinden Kazançlar

Av = 20 logAv = 20 log100 = 40 dB

Ai = 20 logAi = 20 log10 = 20 dB

Ap = 10 logAp = 10 log1000 = 30dB

Genel olarak, amplifikatörler güç veya voltaj kazançlarına bağlı olarak iki farklı tipe ayrılabilir. Küçük sinyal amplifikatörleri, sensörlerden veya ses sinyallerinden sadece birkaç mikro voltluk (µV) çok küçük sinyal voltaj seviyelerini yükseltmek için tasarlanmıştır.

Diğer tip, ses güç amplifikatörleri veya güç anahtarlama amplifikatörleri gibi büyük sinyal amplifikatörleri olarak adlandırılır. Büyük sinyal amplifikatörleri, büyük giriş voltajı sinyallerini yükseltmek veya hoparlörler gibi ses sitemlerine bağlanan ağır yük akımlarını değiştirmek için tasarlanmıştır.

Güç Amplifikatörleri

Küçük sinyal amplifikatörü genellikle “voltaj” amplifikatörü olarak adlandırılır, çünkü genellikle küçük bir giriş voltajını çok daha büyük bir çıkış voltajına dönüştürürler. Bazen bir motoru çalıştırmak veya bir hoparlörü beslemek için bir amplifikatör devresi gereklidir ve yüksek anahtarlama akımlarının gerekli olduğu bu tür uygulamalar için güç amplifikatörleri kullanılır.

Adından da anlaşılacağı gibi, bir “güç amplifikatörü” nün ana işi, yüke güç sağlamaktır ve yukarıdan bildiğimiz gibi, yüke uygulanan voltaj ve akımın ürünüdür. Çıkış sinyali gücü giriş sinyal gücünden daha büyüktür. Başka bir deyişle, bir güç amplifikatörü giriş sinyalinin gücünü arttırır, bu nedenle bu tür amplifikatör devreleri hoparlörleri sürmek için ses amplifikatörü çıkış kısımlarında kullanılır.

Güç amplifikatörü, güç kaynağından çekilen DC gücünü yüke verilen bir AC voltaj sinyaline dönüştürmenin temel prensibi üzerinde çalışır. Amplifikasyon yüksek olmasına rağmen, DC güç kaynağı girişinden AC voltaj sinyal çıkışına dönüşümün verimliliği genellikle zayıftır.

Mükemmel veya ideal amplifikatör bize %100’lük bir verimlilik derecesi verecek veya en azından “giriş” gücü “çıkış” gücüne eşit olacaktır. Bununla birlikte, gerçekte bu asla gerçekleşemez, çünkü gücün bir kısmı ısı şeklinde kaybolur ve ayrıca amplifikatörün kendisi amplifikasyon işlemi sırasında güç tüketir.

Amplifikatör Verimliliği

Verimlilikn = Yüke Verilen Güç / Kaynaktan Çekilen Güç = Pout / Pin

İdeal Amplifikatör

  • Amplifikatörlerin kazancı, (A ) farklı giriş sinyali değerleri için sabit kalmalıdır.
  • Kazanç frekanstan etkilenmez. Tüm frekansların sinyalleri tam olarak aynı miktarda yükseltilmelidir.
  • Amplifikatörlerin kazancı çıkış sinyaline gürültü eklememelidir. Giriş sinyalinde zaten var olan gürültüyü gidermelidir.
  • Amplifikatörlerin kazancı, iyi bir sıcaklık kararlılığı sağlayan sıcaklık değişimlerinden etkilenmemelidir.
  • Amplifikatörün kazancı uzun süre sabit kalmalıdır.

Amplifikatör Sınıfları

Daha önce böyle bir yazı oluşturmuştuk, isterseniz o yazıya da buradan göz atabilirsiniz. Amplifikatör serisinin başlangıcı için, bu yazıyı oluşturmak zorunluluğunda hissettik. Ayrıca seri devamında her sınıfın ayrı bir inceleme sayfası olacağını belirtmek isteriz.

Bir amplifikatörün voltaj veya güç amplifikatörü olarak sınıflandırılması, akımın çıkış devresinde aktığı giriş sinyaline göre zaman miktarını ölçerek giriş ve çıkış sinyallerinin özelliklerini karşılaştırarak yapılır.

Ses güç amplifikatörleri, devre konfigürasyonlarına ve çalışma modlarına göre alfabetik olarak sınıflandırılır. Amplifikatörler, “A” sınıfı, “B” sınıfı, “C” sınıfı, “AB” sınıfı vb.gibi farklı çalışma sınıfları tarafından belirlenir. Bu farklı amplifikatör sınıfları, yakın bir doğrusal çıkıştan, ancak düşük verimlilikle doğrusal olmayan bir çıkışa, ancak yüksek verimliliğe kadar değişir.

Hiçbir işlem sınıfı, amplifikatör devresinin kullanımıyla belirlenen işlem türü ile diğer sınıflardan “daha iyi” veya “daha kötü” değildir. Çeşitli amplifikatör tipleri veya sınıfları için tipik maksimum dönüşüm verimliliği vardır, en yaygın olarak kullanılanlar şunlardır:

A Sınıfı Amplifikatör

Amplifikatör, Amplifikatör Devrelerine Giriş

Bir A sınıfı amplifikatör konfigürasyonu, çıkış dalga formunun her iki yarısı için aynı anahtarlama transistörünü kullanır ve merkezi sapma düzenlemesi nedeniyle, çıkış transistörü, giriş sinyali mevcut olmasa bile, içinden akan sabit bir DC sapma akımına (ICQ) sahiptir. Başka bir deyişle, çıkış transistörleri asla “kapanmaz” ve kalıcı bir çalışma durumundadır.

Bu, DC besleme gücünün yüke verilen AC sinyal gücüne dönüştürülmesi genellikle çok düşük olduğu için A sınıfı işlemin verimsiz olmasına neden olur.

Bu merkezlenmiş sapma noktası nedeniyle, bir A sınıfı amplifikatörün çıkış transistörü, giriş sinyali olmadığında bile çok ısınabilir, bu nedenle bir çeşit soğutma aparatları(örneğin alüminyum blok) gerekir. Transistörün kollektöründen (ICQ) akan DC sapma akımı, kollektör yükünden akan akıma eşittir. Bu nedenle, A sınıfı amplifikatör çok verimsizdir, çünkü bu DC gücünün çoğu ısıya dönüştürülür.

B Sınıfı Amplifikatör

Amplifikatör, Amplifikatör Devrelerine Giriş

B sınıfı yükselteçler de elektriksel verimliliği artırmak amacı ile çıkış transistörleri giriş sinyalinin yalnızca pozitif veya negatif yarısını yükseltir. Çiftler halinde sinyalin her bir yarısı birleştirilerek tam ses sinyali çıkışa verilir. Burada her bir transistor sadece kendi çalışma bölgesinde elektrik aldıklarından B sınıfı yükselteçler A sınıfı devrelere göre daha az ısınır; yaklaşık olarak enerjini %30’u ısıya dönüşür, ve daha verimli çalışırlar. Bu tip yükselteçlerde en büyük sorun pozitif ve negatif sinyal bölgeler arasında geçiş sırasında oluşan senkron bozukluğu nedeniyle ortaya çıkan bozulmadır. Buna “crossover” bozulması 2denir. Bu bozulma nedeniyle genellikle sesin en doğal haline yakın tasarımlar yerine endüstriyel uygulamalarda yer bulurlar, yüksek verimlilik ve hafif tasarımlarla kullanılır fakat yüksek kaliteli sesler için pek tercih edilmez.

AB Sınıfı Amplifikatör

Amplifikatör, Amplifikatör Devrelerine Giriş

B sınıfı yükselteçlerin geçişli ve tamamlayıcı çıkış katlarının özel olarak düzenlenerek belirli bir sinyal yüksekliğine kadar A sınıfı biçiminde çalışabilmesini sağlayan devre grubudur. Burada, çıkış transistoru veya tüpünün bias akımı sinyal yokluğunda B sınıfının aksine kapanmadan çok düşük bir bias akımıyla canlı tutulacak biçimde ayarlanır ve cihazın crossover bozulmasından etkilenmemesi sağlanır. Bu devre tipi ticari üretimler arasında en yaygın kullanılan tasarımdır, yüksek verimlilik, hafif tasarımlar ve düşük ısı üretimi ile en çok tercih edilen tiplerdir, fakat A sınıfı kadar kaliteli ses düzeyine sahip değildir, tam anlamıyla A ve B sınıfının ortalamasıdır.

Güç Amplifikatörü Sınıfları

SınıfABCAB
Açı360°180°<90°180°> x >360°
Q noktası
konumu
Yük çizgisinin
merkezi
X ekseniX ekseni
altında
X ekseni ve
merkez çizgi arasında
Verimlilik30%80%>80%50%
Sinyal
Bozulması
Doğru ayarlanırsa
bozulma olmaz
X eksenindeki
crossover noktasında
Yüksek seviyedeDüşük seviyede

Kötü tasarlanmış amplifikatörler, özellikle “A” sınıfı tipler, daha büyük güç transistörleri, daha pahalı ısı alıcıları, soğutma fanları veya hatta amplifikatörün ihtiyaç duyduğu ekstra boşa harcanan gücü sağlamak için gereken güç kaynağının boyutunda bir artış gerektirebilir. Transistörlerden, dirençlerden veya bu konuda başka bir bileşenden ısıya dönüştürülen güç, herhangi bir elektronik devreyi verimsiz hale getirir ve cihazın erken arızalanmasına neden olur.

Öyleyse, verimliliği %70’in üzerinde daha yüksek bir verimlilik derecesine sahip olan B sınıfı bir amplifikatöre kıyasla %40’ın altındaysa neden A sınıfı bir amplifikatör kullanıyoruz. Temel olarak, A sınıfı bir amplifikatör, büyük miktarda DC gücü tüketse bile, daha büyük bir Frekans tepkisi üzerinde doğrusallığa sahip olduğu anlamına gelen çok daha doğrusal bir çıkış sağlar.

Amplifikatör öğreticisine bu girişte, her birinin kendi avantajları ve dezavantajları olan farklı amplifikatör devresi türleri olduğunu gördük. Amplifikatörlerle ilgili bir sonraki öğreticide, en sık bağlı transistör amplifikatör devresi tipine, ortak yayıcı amplifikatöre bakacağız. Çoğu transistör amplifikatörü, voltaj, akım ve güçteki büyük Kazanımları ve mükemmel giriş/çıkış özellikleri nedeniyle ortak yayıcı veya CE tipi devredir. Serinin bir sonraki yazısında görüşmek üzere!