Ojačevalnik: definicija, vrste in delovanje (elektronski in mehanski)

Ojačevalnik je naprava, ki sprejme šibek vhodni signal in iz njega ustvari močnejši izhodni signal. V vsakdanjem jeziku se izraz običajno nanaša na elektronski ojačevalnik, ki naredi zvok iz radia ali električnega glasbenega instrumenta (na primer električne kitare ali električne bas kitare) glasnejši in močnejši. Elektronski ojačevalniki so vgrajeni v skoraj vse naprave, ki s pomočjo zvočnikov ustvarjajo zvok — na primer televizorje, radijske sprejemnike, računalnike in predvajalnike mp3. Obstajajo tudi naprave, podobne elektronskim ojačevalnikom, v strojništvu: pri krmiljenju in zaviranju v motornih vozilih se uporabljajo mehanski ojačevalniki (npr. servomehanizmi, vzvodi, zobniki) za pomnoževanje sile, ki jo uporablja voznik.

Definicija in osnovno delovanje

Elektronski ojačevalnik poveča lahko eno ali več lastnosti signala: napetost, tok ali moč. Najpogostejša mera ojačanja je napetostno ojačanje, izraženo kot razmerje Vout/Vin (Av). Ojačevalniki so sestavljeni iz aktivnih elementov (npr. tranzistorji, elektronske cevi, operacijski ojačevalniki) in pasivnih elementov (upori, kondenzatorji, tuljave). Znotraj ojačevalnika se pogosto uporabljata tudi povratna zanka (feedback) in vhodni/izhodni filtrirni elementi za oblikovanje frekvenčnega odziva, zmanjševanje popačenja in stabilnost delovanja.

Vrste elektronskih ojačevalnikov

Avdio ojačevalniki — namenjeni so reprodukciji zvoka, uporabljajo se v domačih zvočnih sistemih, profesionalni avdio opremi in glasbenih ojačevalnikih za kitare.
RF (radijski) ojačevalniki — delujejo na visokih frekvencah in se uporabljajo v oddajnikih in sprejemnikih.
Instrumentacijski in merilni ojačevalniki — visoka natančnost, nizko število šuma in širok frekvenčni pas; uporabljajo se v laboratorijih in medicinski opremi.
Operacijski ojačevalniki (op-amps) — univerzalni gradniki analognih vezij, uporabljeni v filtrih, regulacijah in signalni obdelavi.
Tubni (cevni) ojačevalniki — uporabljajo elektronske cevi, cenjeni v nekaterih avdio aplikacijah zaradi specifičnega zvena.
Razredi po zasnovi izhodne stopnje — glej naslednji razdelek za podrobnosti (razredi A, B, AB, D ipd.).

Razredi ojačevalnikov (A, B, AB, D, ...)

Razred ojačevalnika opisuje način delovanja izhodnih elementov in ima velik vpliv na učinkovitost in popačenje:

Razred A — izhodni element(ni) prevaja ves čas signala; ima najnižje popačenje pri enostavni zasnovi, vendar zelo nizko učinkovitost (običajno 20–30 %) in veliko disipacijo toplote.
Razred B — izhodna dvojica prevaja izmenično, vsak element pokriva polovico valovne oblike; boljša učinkovitost, vendar nastane prehodno popačenje (crossover distortion).
Razred AB — kompromis med A in B; malo predhodnega vklopa izhodnih elementov zmanjša prehodno popačenje in izboljša učinkovitost.
Razred D (digitalni/impulzni ojačevalniki) — uporabljajo stikalo (PWM ali modulacijo širine pulza) za zelo visoko učinkovitost (>90 %); potrebujejo nizkopasovne filtre na izhodu in imajo drugačne zasnove za zmanjšanje motenj.
Obstajajo tudi specializirani razredi (G, H, TIPi), ki uporabljajo spremenljive napajalske stopnje za izboljšanje učinkovitosti pri večjih močeh.

Ključni parametri ojačevalnika

Moč (RMS) — uporabna izhodna moč, ki jo lahko ojačevalnik zanesljivo odda; pri avdio ojačevalnikih se pogosto navaja RMS moč pri določeni obremenitvi (npr. 8 ohmov).
Impedanca zvočnika — pogosto 8 ohmov, vendar so pogoste tudi 4 in 16 ohmov; ojačevalnik mora biti združljiv z impedanco zvočnika, saj napačna kombinacija lahko povzroči pregrevanje ali poškodbo.
Napetostno ojačanje (Av) — razmerje med izhodno in vhodno napetostjo.
Frekvenčni pas — območje frekvenc, kjer ojačevalnik ohranja zadovoljiv odziv; za visoko kakovost zvoka mora biti pas širok in raven v območju sluha (20 Hz–20 kHz) ali širši za profesionalne namene.
Slučaj popačenja (THD) — skupno harmonično popačenje, pogosto izraženo v odstotkih; manjši THD pomeni bolj natančno reprodukcijo.
Signal-šum razmerje (SNR) — višja vrednost pomeni manj opaznega šuma v odposlanem signalu.
Slew rate — maksimalna hitrost spremembe izhodne napetosti; pomembno pri hitrih prehodih in visokofrekvenčnih signalih.
Damping factor — vpliva na nadzor zvočnika pri nizkih frekvencah; odvisen je od izhodne impedance ojačevalnika in impedančne krivulje zvočnika.

Popačenja in motnje

Obstaja več vrst popačenj in virov motenj:

Harmonično popačenje — pojav višjih harmonikov osnovnega signala; sprejemljivo v majhnih količinah za visoko kakovost zvoka.
Intermodulacijsko popačenje — nastane, ko različne frekvence medsebojno vplivajo in ustvarjajo neželene tone.
Clipping — pri preobremenitvi ojačevalnik doseže svoje napajalske omejitve in spreda valovno oblike; to lahko poškoduje zvočnike.
Šum — termični šum, industrijski motenj, zemeljske zanke; kakovostne zasnove in ozemljitvene prakse zmanjšajo šum.

Toplotno upravljanje in zaščita

Ojačevalniki pri delu proizvajajo toploto, še posebej modeli razreda A in močni končni stopnji. Zaradi tega so pogosto opremljeni s hladilniki, toplotnimi senzorji in ventilatorji. Zaščitne funkcije lahko vključujejo omejitev toka, kratkostično zaščito, termalno izklopitev in vhodno zaščito pred previsokimi signalnimi nivoji.

Mehanski ojačevalniki

Mehanski ojačevalniki pomnožijo silno ali momentno dejanje brez elektronskih komponent. Primeri:

Vzvodi in polži — osnovni mehanski pomnoževalniki sile.
Zobniški prenos — povečuje navor; pogosto v menjalnikih in strojnih prenosih.
Hidravlični in pnevmatski sistemi — uporabljajo tekočino ali zrak za prenos in povečanje sile pri manjših vhodnih napetostih.
Servomehanizmi in ojačevalniki v vozilih — npr. servo volan ali zavorni ojačevalci, ki zmanjšajo napor voznika pri krmiljenju in zaviranju.

Praktični nasveti za uporabo in izbiro

Pri nakupu preverite, ali je izhodna moč ojačevalnika primerna za zvočnike (RMS vrednosti). Nekaj moči več (headroom) je pogosto zaželeno za čisto reprodukcijo brez popačenja.
Ujemanje impedanc: zagotovite, da ojačevalnik lahko poganja impedanco vaših zvočnikov (4, 8 ali 16 ohmov).
Za glasbene inštrumente (npr. elektro kitara) izberite ojačevalnik glede na želeni zvok — cevi dajejo topel, »cenečen« ton, tranzistorji pa čistejši in bolj zanesljiv odziv.
Poskrbite za dobro hlajenje in pravilno namestitev, da preprečite pregrevanje in aktivacijo zaščitnih mehanizmov.
Pri profesionalnih aplikacijah bodite pozorni na specifikacije THD, SNR in frekvenčni odziv — ti podatki povedo, koliko zvok ojačevalnik obdrži nespremenjen.

Zaključek

Ojačevalniki so ključni gradniki v elektronskih in strojnih sistemih, kjer je potrebno povečati napetost, tok ali silo. Razumevanje osnovnih razredov, ključnih parametrov, virov popačenja in pravilne primerjave med močjo ojačevalnika in impedanco zvočnika omogoča boljšo izbiro in varnejšo uporabo. Ne glede na to, ali gre za hišni avdio, profesionalno ozvočenje, radijske sisteme ali mehanske prenose v vozilih, pravilna zasnova in uporaba zagotavljata zanesljivost in kakovost delovanja.

Stereo ojačevalnik

Tipičen elektronski ojačevalnik.

Kako deluje

Elektronski ojačevalniki z uporabo tranzistorjev ali vakuumskih cevi povečajo glasnost in moč signala iz radia ali električnega instrumenta. Elektronski ojačevalniki morajo biti povezani z električnim tokom ali baterijo, da delujejo. Ko je signal iz radia ali električnega instrumenta glasnejši in močnejši, ga je treba priključiti na zvočnik, da ga lahko ljudje slišijo.

Ko ojačevalnik poskuša zvok narediti glasnejši, kot ga lahko, mu doda popačenje. Nekateri ojačevalniki so izdelani tako, da dodajajo nadzorovano popačenje. Izkrivljanje iz tranzistorjev se sliši drugače kot izkrivljanje iz elektronk. Za popačenje iz elektronk pogosto pravijo, da je bolj glasbeno. Zaradi vsega tega dražji ojačevalniki pogosto dodajajo nadzorovano popačenje z elektronkami. Številni od teh ojačevalnikov uporabljajo tranzistorje za "čist" zvok (brez popačenja).

Zgodovina

Od dvajsetih do petdesetih let prejšnjega stoletja so se v elektronskih ojačevalnikih uporabljale vakuumske cevi. Vendar so bili elektronski ojačevalniki z vakuumskimi elektronkami težki in so proizvajali veliko toplote. Pogosto so se tudi kvarili.

Od šestdesetih let prejšnjega stoletja je večina elektronskih ojačevalnikov zgrajena s tranzistorji. Tranzistorji so lažji, cenejši in zanesljivejši.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je ojačevalnik?

O: Ojačevalnik je naprava, ki naredi elektronski signal ali zvok glasnejši in močnejši.

V: Kakšen je namen ojačevalnika?

O: Namen ojačevalnika je okrepiti elektronski signal ali zvok, da se bolje sliši.

V: Katere elektronske naprave vključujejo ojačevalnike?

O: Elektronske naprave, ki proizvajajo zvok z zvočniki, kot so televizorji, radijski sprejemniki, računalniki in predvajalniki mp3, vključujejo ojačevalnike.

V: Kaj je impedanca?

O: Impedanca je merilo nasprotovanja električnega tokokroga izmeničnemu toku.

V: Kakšna je tipična impedanca za ojačevalnik?

O: Tipična impedanca za ojačevalnik je 8 ohmov.

V: Kako lahko razvrstimo ojačevalnike?

O: Ojačevalnike lahko razvrstimo glede na izgubo toka, ko je ojačevalnik vklopljen, vendar ne sprejema signala.

V: Kakšna je razlika med ojačevalniki razreda A in razreda B?

O: Ojačevalniki razreda A odvzamejo več toka brez signala kot ojačevalniki razreda B, vendar imajo manjše popačenje.