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Verwendung des Hochspannungsverstärkers und Überlegungen dazu

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Spezifikation der Anwendung

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Arten und Merkmale von Verstärkern

Wenn Sie im Internet nach "Verstärker" suchen, werden Sie auf vielen Websites Ergebnisse über Audio-Leistungsverstärker finden. Aber der "Verstärker" selbst ist nicht nur für Audio gedacht. Ein Gerät, das etwas verstärkt, wird als Verstärker bezeichnet. Natürlich werden in Schaltkreisen, zu denen auch Audio-Leistungsverstärker gehören, verschiedene Signale als elektrische Signale ausgetauscht. Der Verstärker hat also die Aufgabe, das in der Schaltung fließende Signal zu verstärken, er verstärkt den Eingangsstrom oder die Eingangsspannung. Seine Aufgabe ist es, die von verschiedenen Sensoren ausgegebenen elektrischen Signale zu verstärken, wodurch die Analog-Digital-Wandlung erleichtert wird.

Der Verstärker ist ein Vertreter der analogen Schaltung, es ist sehr wichtig, wenn Sie den Verstärker aus der analogen Schaltung zu entfernen, gibt es nichts. Da der Verstärker außerdem jeden Strom und jede Spannung (oder Leistung) liefern kann, kann er auch als Leistungssimulator verwendet werden. Tatsächlich ist die Stromversorgung auch eine Art Verstärker. Ein Gleichstromnetzteil wird auch als unipolares Netzteil bezeichnet, weil es nur eine positive Ladung liefern kann.

Wir sprechen von einem bipolaren Zwei-Quadranten-Netzteil, das eine positive und eine negative Ladungsstromquelle bereitstellen kann, und von einem bipolaren Vier-Quadranten-Netzteil, das auch einen Stromabsorber bereitstellen kann. Wir werden die bipolare Vierquadranten-Stromversorgung im letzten Kapitel ausführlich behandeln.

Es gibt zwei Haupttypen von Verstärkern, die als "lineare Verstärker" und "digitale Verstärker" bezeichnet werden. Ein "linearer Verstärker" hat einen Frequenzbereich, in dem das Ausgangssignal in Bezug auf das Eingangssignal linear verstärkt wird, und einen Bereich, in dem es aufgrund der Eigenschaften der verstärkenden Elemente (wie Transistoren und FETs), aus denen die Schaltung besteht, nichtlinear ist. Insbesondere wird das Ausgangssignal in der Nähe des Nullpunkts nichtlinear, und der EIN/AUS-Betrieb des Eingangssignals des Bauteils verursacht eine Verzerrung der Ausgangswellenform. Daher ist es wichtig, in welchem Bereich das Eingangssignal verwendet wird, das in drei Kategorien unterteilt wird: Klasse A, Klasse B und Klasse AB (einschließlich Klasse AB1 und Klasse AB2).

Verstärker der Klasse A

Der Verstärker nutzt nur den linearen Verstärkungsbereich des Bauteils. Obwohl die Linearität hoch ist, muss der Vorspannungsstrom (oder die Spannung) auch dann bereitgestellt werden, wenn das Eingangssignal nahe bei Null liegt, was den Nachteil hat, dass der Wirkungsgrad sinkt und die Wärmeentwicklung groß ist. Um sicherzustellen, dass das Ausgangssignal korrekt ist, wird immer ein konstanter Vorspannungsstrom aufrechterhalten, auch wenn das Eingangssignal Null ist.

Klasse-B-Verstärker

Der Verstärker nutzt die nichtlinearen und linearen Verstärkungsbereiche des Bauteils. Wenn das Eingangssignal nahe Null ist, ist daher auch das Ausgangssignal Null, was zu Verzerrungen führt. Stattdessen sind Vorspannungsströme wie bei Klasse-A-Verstärkern nicht erforderlich, und der Wirkungsgrad wird verbessert.

Klasse-AB-Verstärker

Es handelt sich um einen Verstärker mit einem hohen Ansehen zwischen Klasse A und Klasse B. Die Verzerrung wird durch Hinzufügen eines Vorspannungsstroms zum Klasse-B-Verstärker beseitigt.

Ein weiterer Verstärkertyp ist der "digitale Verstärker", auch bekannt als Schaltverstärker, Klasse-D-Verstärker. Durch den Einsatz von Schalttechnologien wie PWM ist er effizienter und kleiner als lineare Verstärker. Er wird vor allem in kompakten Audio-Leistungsverstärkern, z. B. im Automobilbereich, eingesetzt. Obwohl MOSFET und IGBT als Schaltvorrichtungen verwendet werden, besteht das Problem, dass das Frequenzband des entsprechenden Eingangssignals schmal ist.

Die notwendige Bedingung für den stabilen Betrieb des Verstärkers

Bisher haben wir die Arten und Eigenschaften von Verstärkern erläutert. Nun werden wir uns damit befassen, worauf bei der Entwicklung und Implementierung von Verstärkern zu achten ist.

Frequenzband

Damit die Ausgangswerte von Strom und Spannung stabil sind, muss man die Faktoren verstehen, die sie hemmen. Der erste Faktor ist das Frequenzband. Das Frequenzband entspricht der Arbeitsgeschwindigkeit des Verstärkers. Bei hohen Frequenzen kann der Verstärker nicht mit dem Eingangssignal Schritt halten und die Signalamplitude nimmt ab. Diese Grafik zeigt die Frequenz, bevor die Amplitude im Frequenzband -3 dB erreicht.

Wenn z. B. ein Verstärker mit einer Nennspannung von 120 V ein Frequenzband von 20 kHz hat, wird die Ausgangsamplitude, selbst wenn er versucht, eine Sinuswelle von ± 20 V bei 20 kHz auszugeben, bei -3 dB auf 70 % sinken, so dass sie zu einer Sinuswelle von ± 14 V wird. Daher ist es notwendig, einen Verstärker mit einem Frequenzband zu wählen, das einen für die gewünschte Frequenz geeigneten Spielraum aufweist. Die Anstiegszeit und die Abfallzeit hängen mit dem Frequenzband zusammen. Allgemeine Ansprechgeschwindigkeit (= Band) Die Anstiegszeit eines fc(Hz)-Verstärkers kann durch tr≑0,35/fc ermittelt werden.

Flatterrate

Der zweite Faktor ist die Piezoschwingungsrate, die die Ansprechgeschwindigkeit des Verstärkers darstellt. Sie zeigt die maximale Spannungsanstiegsrate des Verstärkers an. Sie wird im Allgemeinen als Spannungsänderung pro Mikrosekunde ausgedrückt. Die Ansprechgeschwindigkeit des Verstärkers kann durch das Frequenzband oder durch die Spannungsschwingungsrate begrenzt sein. Wenn die Sprungantwort durch die Druckschwankungsrate begrenzt ist, wird die ansteigende Wellenform zu einer geraden Linie, wie in der Abbildung dargestellt.

Induktive Last

Bisher ist dies auf die Geschwindigkeit zurückzuführen, aber jetzt werden wir uns mit der Last befassen. Der erste Faktor ist die induktive Last. Bei induktiven Lasten ist die Strom-Spannungs-Beziehung V = L × di/dt in Bezug auf den Induktivitätswert L, und die Spannung, die bei dem Versuch entsteht, mit hoher Geschwindigkeit unter Konstantstromregelung (CC) zu laufen, führt zu Problemen.

Wenn beispielsweise versucht wird, eine Rechteckwelle auszugeben, die schneller ansteigt, kann die gewünschte Wellenform nicht erreicht werden, da die Spannung durch den Überspannungsschutz begrenzt ist. In diesem Fall muss die Anstiegsrate des Eingangssignals verlangsamt und ein Modell gewählt werden, das die erzeugte Spannung unterstützt.

Darüber hinaus erzeugt die Verwendung eines Sprungsignals, z. B. einer digitalen Steuerung, auf dem Eingangssignal viele Spannungsimpulse. Da diese Impulse problematisch sein können, wird empfohlen, wenn möglich ein Eingangssignal mit kontinuierlicher Wellenform zu verwenden.

Andererseits begrenzt der Überspannungsschutz auch das Ausgangssignal. Wenn das Ausgangssignal jedoch plötzlich abgeschaltet wird, funktioniert der Schutz nicht, und die induktive Last kann eine hohe Spannung erzeugen.

Kapazität der Last

Der zweite Faktor ist die Kapazitätslast. Bei einer kapazitiven Last ist die Spannungs-Strom-Beziehung für den Kondensator C gleich I = C × dV/dt. Im Gegensatz zu induktiven Lasten sind hohe Ströme erforderlich, wenn ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb mit konstanter Spannung (CV) angestrebt wird. Wenn Sie mit großen Kapazitäten zu tun haben, sollten Sie sich vor dem Einsatz mit den Last- und Ausgangseigenschaften des Netzteils vertraut machen.

Diodenlast

Der dritte Faktor ist die Diodenlast. Bei der Konstantstromregelung (CC) steigt die Ausgangsspannung, selbst wenn der Strom im Leerlauf auf Null geregelt wird, unter dem Einfluss einer leichten Verschiebung auf einen positiven oder negativen Überspannungsschutzwert an. Das bedeutet, dass eine Diode oder eine andere Last, die nur einen Vorwärtsstrom zulässt, selbst bei einer Stromregelung von Null ein zu großes Spannungssignal in umgekehrter Richtung ausgeben kann. Wenn dies die Stehspannung der Last übersteigt, kann dies zu einem Ausfall führen, so dass Maßnahmen wie das Einsetzen einer Schutzdiode in Rückwärtsrichtung erforderlich sind.

Kapazität und Induktivität des Kabels

Der letzte Faktor ist das Kabel. Wenn der Verstärker mit hoher Geschwindigkeit betrieben wird, können wir den Einfluss des Kabels auf die Kapazität und Induktivität des Ausgangssignals nicht ignorieren. In einem Hochspannungsverstärker befindet sich im Kabel zwischen der Ausgangsleitung und der Abschirmung ein Kondensator, der die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannungswellenform beeinflusst. Je länger das Kabel ist, desto größer ist die Kapazität. Aus diesem Grund werden von Musikliebhabern niederohmige Kabel verwendet, und die Systeme werden so gebaut, dass die Kabellänge möglichst gering ist.

Darüber hinaus haben beim Niederspannungs- und Hochstrommodell die Induktivität des Kabels und die durch die Verkabelungsart erzeugte Induktivität einen großen Einfluss auf die Anstiegsgeschwindigkeit der Stromwellenform. Dies kann bis zu einem gewissen Grad durch eine Verkleinerung der Stromschleife, z. B. durch eine Verdrillung der Kabel, abgemildert werden.

Bipolare Vierquadranten-Stromversorgung

Schließlich wird eine bipolare Vier-Quadranten-Stromversorgung vorgestellt, die ein Hochleistungsverstärker und eine Weiterentwicklung des Verstärkers ist. Ein Verstärker hat grundsätzlich einen Ausgangsstromabsorber. Daher können auch Kapazitätslasten, induktive Lasten und deren Kombinationslasten mit konstantem Druck betrieben werden. Und weil die Reaktionsgeschwindigkeit schnell ist, kann man sagen, dass es sich um die ideale Stromversorgung handelt. Ein normales Netzteil kann Strom nur in eine Richtung abgeben. Ein bipolares Vierquadranten-Netzteil kann jedoch Spannung sowohl in positiver als auch in negativer Richtung ausgeben.

Darüber hinaus hat es auch die Funktion, Strom zu füllen und zu ziehen. Wenn ein Wechselstrom an eine induktive Last oder eine Kapazitätslast angelegt wird, kann die gleiche Spannung positive und negative Ströme haben. Für den Betrieb einer solchen Last ist ein bipolares Vierquadranten-Netzteil erforderlich.

Bei einer Konstantspannungsregelung (CV) entspricht die Ausgangsspannung eines bipolaren Vierquadranten-Netzteils dem Eingangssignal. In diesem Fall kann der Ausgangsstrom innerhalb des Nennbereichs frei bemessen werden. Bei der Konstantstromregelung (CC) wiederum wird der Strom in Abhängigkeit vom Eingangssignal ausgegeben. Wenn die Ausgangsspannung innerhalb des Nennwerts liegt, kann sie frei positiv oder negativ sein.

Da der Ausgangsschutz jedoch durch einen Überspannungsschutz und einen Überstromschutz erfolgt, kann es sein, dass die gewünschte Wellenform nicht erreicht wird. Am besten ist es, innerhalb des Nennbereichs von Spannung und Strom zu arbeiten, und die Kenntnis der Lastcharakteristiken ist wichtig für einen stabilen Betrieb des Netzteils.