Разлики между усилвател за мощност и усилвател за напрежение

Въведение

Усилвателите са електронни схеми, които увеличават силата на сигнали. Съществуват стотици разновидности – от простите еднотранзисторни вериги до сложни цифрови системи. Усилвателят за мощност и усилвателят за напрежение са два типа, които усилват сигнала по различен начин. Разбирането на разликата между напрежението и мощността и техните приложения помага да изберете правилния тип усилвател за вашия проект.

Напрежение и мощност

Напрежението в една верига е енергията, която кара електрическите заряди да протичат през проводници и компоненти. Вольтът е стандартната единица за напрежение и се дефинира като потенциалната разлика, която при съпротивление от един ом предизвиква ток от един ампер. Колкото е по-голяма енергията, толкова е по-високо напрежението. Когато умножите напрежението по тока, получавате мощността на веригата, измервана във ватове: един ват е един волт, умножен по един ампер. Мощността показва колко бързо верига доставя енергия – по-големи напрежения и токове водят до повече вати.

Концепция за усилвател

Усилвателят може да се представи като клапан, който се управлява от входния сигнал. Когато амплитудата на сигнала се увеличава, клапанът, захранван от независимо напрежение, се отваря и пропуска повече напрежение към изхода. При намаляване на сигнала клапанът се затваря и изходът получава по-малко напрежение. Изходният сигнал е по-голямо, но пропорционално, копие на входния. Усилвателят се използва за увеличаване на напрежението или мощността на слаб сигнал. Ако мощността е слаба, се избира усилвател за мощност. Ако напрежението е ниско, се използва усилвател за напрежение.

Мощност, ефективност и топлина

Тъй като никоя верига не е 100 % ефективна, част от мощността се преобразува в топлина. Ефективността на различните усилватели варира от около 20 % до над 90 %. Усилвател с 80 % ефективност, който консумира 100 W, губи 20 W като топлина. Проблемът е по-изразен при усилвателите за мощност, които използват здрави компоненти, охладителни вентилатори и други решения за избягване на прегряване.

Компоненти

Транзистор, съчетан с няколко резистора и кондензатора, формира прост усилвател. Някои схеми използват вакуумни тръби за усилване на мощност или напрежение. Операционните усилватели (оп‑амп) са интегрални схеми, отлични като усилватели за напрежение, но твърде малки, за да бъдат добри усилватели за мощност. Усилвателите за мощност използват големи транзистори и други компоненти, способни да разсейват генерираната топлина. Тежките метални корпуси на мощните транзистори отводят топлината далеч от устройството. Усилвателите за напрежение използват по-малки, пластмасови транзистори, работещи при стайна температура.

Коефициент на усилване (Gain)

Всеки усилвател предоставя определен коефициент на усилване – фактор, който показва колко пъти е увеличен сигналът. Например, усилвател за напрежение с коефициент 100 ще даде 1 V изход за 10 mV вход. Усилването се измерва и в децибели (dB): dB = 10·log₁₀(коефициент). За 100 това е 20 dB. Усилвателите за мощност също имат усилване, но обикновено се оценяват по максималната изходна мощност. Най‑често се посочва RMS (корен от средноквадратичната) стойност – най‑консервативната оценка, следвана от средна и пикова мощност. RMS дава представа за изхода за продължителен период, докато пикът описва краткотрайна способност.

Приложения

Усилвателите за мощност захранват високоговорители и слушалки, тъй като за постигане на удобни нива на звук се изисква достатъчна мощност. Радио предавателите също използват усилватели за мощност, за да доставят силен сигнал към антенията. Усилвателите за напрежение се използват за усилване на много слаби сигнали – те нямат достатъчно мощност, за да задвижат говорители. В мобилния телефон има два усилвателя: напрежител за приемане на клетъчни радиосигнали и мощен усилвател за задвижване на вградената говорител. Стерео приемникът също съдържа два усилвателя с тази цел.