تقویت‌کننده‌ی توان چیست؟

تقویت‌کننده‌ی توان چیست؟ انواع، رده‌بندی‌ها، کاربردها

۲۳ آوریل ۲۰۲۱ توسط راوی تِجا (مهندس سامانه‌ی نهفته)

ما در این آموزش، درباره‌ی یک موضوع جالب در زمینه‌ی الکترونیک یاد خواهیم گرفت: تقویت‌کننده‌ی توان. این وسیله در دستگاه‌های صوتی، ارتباطات رادیویی، تجهیزات پزشکی (MRI) و بسیاری وسایل دیگر استفاده می‌شود. بنابراین، ما خواهیم آموخت که تقویت‌کننده‌‌ی توان، انواع مختلف و رده‌بندی و نیز برخی کاربردهای آن چیست.

 معرفی

تقویت‌کننده‌ وسیله‌ای الکترونیکی است برای افزایش مقدار ولتاژ/جریان/توان سیگنال ورودی.

 این وسیله سیگنال/ شکل‌موج[۱] الکتریکی ضعیف را می‌گیرد و با استفاده از منبع توان خارجی شکل‌موج مشابه قوی‌تری را در خروجی بازتولید می‌کند.

تقویت‌کننده‌ها، بسته به تغییراتی که در سیگنال ورودی ایجاد می‌کنند، به شکل گسترده‌ای به تقویت‌کننده‌های جریان، ولتاژ و توان تقسیم می‌شوند. ما در این مقاله درباره‌ی جزئیات تقویت‌کننده‌های توان خواهیم آموخت. برای اطلاعات بیشتر درباره‌ی انواع مختلف تقویت‌کننده‌ها: انواع مختلف و کاربردهای تقویت‌‌کننده‌ها

تقویت‌کننده‌ی توان چیست؟

تقویت‌کننده‌ی توان یک تقویت‌کننده‌ی الکترونیکی است که برای افزایش مقدار توان سیگنال ورودیِ داده‌ شده طراحی شده است. توان سیگنال ورودی تا حدی بالا می‌رود که برای راه‌اندازی بارهای دستگاه‌های خروجی مانند بلندگوها، هدفون‌ها، فرستنده‌های فرکانس رادیویی و غیره کافی باشد. برخلاف تقویت‌کننده‌های ولتاژ/جریان، یک تقویت‌کننده‌ی توان برای راه‌اندازی مستقیم بارها طراحی شده است و به عنوان بلوک نهایی در زنجیره‌ی تقویت‌کننده‌ها عمل کند.

لازم است که سیگنال ورودی به تقویت‌کننده‌ی توان از یک آستانه‌ی مشخصی بالاتر باشد. بنابراین، به جای اینکه سیگنال صوتی/فرکانس رادیویی مستقیم از تقویت‌کننده‌ی توان عبور کند، ابتدا با استفاده از تقویت‌کننده‌ی جریان/ولتاژ پیش‌تقویت می‌شود و پس از ایجاد تغییرات لازم به عنوان ورودی به تقویت‌کننده‌ی توان فرستاده می‌شود. می‌توانید نمودار بلوکی یک تقویت‌کننده‌ی صوتی و استفاده‌ از تقویت‌کننده‌ی توان را در شکلی که در زیر آمده است مشاهده کنید.

در این شرایط، یک میکروفون به عنوان منبع ورودی استفاده شده است. مقدار سیگنال میکروفون برای تقویت‌کننده‌ی توان کافی نیست. بنابراین، ابتدا پیش‌تقویت می‌شود و ولتاژ و جریان کمی افزایش می‌یابد. سپس سیگنال از مدار کنترل‌کننده‌ی تون و حجم عبور می‌کند که تنظیمات زیبایی‌شناسانه در شکل‌موج صوت ایجاد می‌کند. در نهایت، سیگنال از تقویت‌کننده‌ی توان عبور می‌کند و خروجی آن به بلندگو منتقل می‌شود.

انواع تقویت‌کننده‌های توان

بسته به نوع دستگاه خروجی که متصل است، تقویت‌کننده‌های توان به سه نوع زیر تقسیم می‌شوند:

• تقویت‌کننده‌های توانِ صوتی[۲]
• تقویت‌کننده‌های توانِ فرکانس رادیویی[۳]
• تقویت‌کننده‌های توانِ اتصال مستقیم (DC)[۴]

تقویت‌کننده‌های توان صوتی

این نوع از تقویت‌کننده‌های توان برای افزایش مقدار توان یک سیگنال صوتی ضعیف استفاده می‌شوند. تقویت‌کننده‌های استفاده شده در مدار درایورهای بلندگوی تلویزیون‌ها، گوشی‌های موبایل و غیره در این دسته قرار دارند.

خروجی یک تقویت‌کننده‌ی توان صوتی بین چند میلی‌وات (مانند تقویت‌کننده‌های هدفون‌) تا هزاران وات (مانند تقویت‌کننده‌های توان سیستم‌‌های وفاداری بالا[۵]/سینمای خانگی) متغیر است.

تقویت‌کننده‌های توان فرکانس رادیویی

برای انتقال‌ بی‌سیم لازم است تا امواج مدوله‌شده[۶] از طریق هوا به فواصل طولانی ارسال شوند.

سیگنال‌ها با استفاده از آنتن‌ها فرستاده می‌شوند و دامنه‌ی انتقال به مقدار توان سیگنال‌های منتقل شده به آنتن بستگی دارد.

برای انتقال‌های بی‌سیم مانند پخش رادیویی اف‌ام، آنتن‌ها نیازمند سیگنال‌های ورودی با توان هزاران کیلووات هستند. در اینجا تقویت‌کننده‌های توان فرکانس رادیویی به کار گرفته ‌‌‌می‌شوند تا مقدار توان امواج مدوله‌شده را تا سطح کافی برای رسیدن به فاصله‌ی انتقالی مورد نیاز افزایش دهند.

تقویت‌کننده‌های توان اتصال مستقیم (DC)

تقویت‌کننده‌های توان اتصال مستقیم برای تقویت توان سیگنال‌های پهنای پالس مدوله‌شده[۷] استفاده می‌شوند. از آنها در سیستم‌های کنترل الکترونیکی که به سیگنال‌های توان بالا برای راه‌اندازی موتورها یا عملگرها[۸] نیاز دارند، استفاده می‌شود. این تقویت‌کننده‌ها ورودی را از سیستم‌های میکروکنترلر می‌گیرند، توان آن را افزایش می‌دهند و سیگنال تقویت‌شده را به موتورها و عملگرهای اتصال مستقیم منتقل می‌کنند.

رده‌بندی‌‌های تقویت‌کننده‌ی توان

چندین روش برای طراحی مدار تقویت‌کننده‌ی توان وجود دارد. ویژگی‌های عملکردی و خروجی هر یک از پیکربندی‌های‌ مداری با دیگری متفاوت است.

برای تمیز دادن ویژگی‌ها و رفتار مدارهای مختلف تقویت‌کننده‌ی توان، از رده‌بندی‌های تقویت‌کننده‌ توان استفاده می‌شود که در آنها حروف نمادهایی هستند که برای شناسایی نحوه‌ی عملکرد تقویت‌کننده‌ها به آنها اختصاص داده می‌شوند.

این تقویت‌کننده‌ها به طور گسترده به دو دسته تقسیم می‌شوند. تقویت‌کننده‌های توان که برای تقویت سیگنا‌‌ل‌های آنالوگ طراحی شده‌اند و تحت عنوان کلاس A، B، AB و یاC  هستند. تقویت‌کننده‌های توان که برای تقویت سیگنال‌های دیجیتال پهنای پالس مدوله‌شده طراحی شده‌اند و تحت عنوان کلاس D، E،F  و غیره هستند.

پرکاربردترین تقویت‌کننده‌های توان آنهایی هستند که در مدارهای تقویت‌کننده‌ی صوتی استفاده می‌شوند و در کلاس A، B، AB و یا C هستند. بنابراین بیایید نگاهی به جزئیات آنها بیندازیم.

تقویت‌کننده‌ی توان کلاس A

شکل‌موج‌های آنالوگ از نیمه‌های بالای مثبت و نیمه‌های پایین منفی تشکیل شده‌اند. در این رده از تقویت‌کننده‌ها، کل شکل‌موج ورودی در روند تقویت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

برای تقویت هر دو نیمه‌ی مثبت و منفی شکل‌موج از یک ترانزیستور واحد استفاده می‌شود. همین موضوع طراحی تقویت‌کننده‌های کلاس A را ساده و آنها را به پرکاربردترین نوع تقویت‌کننده‌های توان تبدیل می‌کند. اگرچه این رده از تقویت‌کننده‌های توان با طراحی‌های بهتر جایگزین شده‌اند، اما همچنان در میان علاقه‌مندان محبوب هستند.

در این رده از تقویت‌کننده‌ها، عنصر فعال (عنصر الکترونیکی استفاده شده برای تقویت که در این مورد ترانزیستور است) تمام مدت استفاده می‌شود حتی اگر سیگنال ورودی وجود نداشته باشد. همین باعث تولید گرمای زیادی می‌شود که بازده تقویت‌کننده‌های کلاس A را در صورت پیکربندی عادی تا 25% و در صورت پیکربندی کوپلاژ ترانسفورماتوری تا 50% پایین می‌آورد.

زاویه‌ی رسانش[۹] (بخشی از شکل‌موج مورد استفاده در تقویت از کل 360 درجه) برای تقویت‌کننده‌های کلاس A 360 درجه است. بنابراین سطح اعوجاج[۱۰] سیگنال‌ها بسیار کمتر است و همین امکان عملکرد بهتر در فرکانس بالا را فراهم می‌کند.

تقویت‌کننده‌ی توان کلاس B

تقویت‌کننده‌های توان کلاس B طوری طراحی شده‌اند تا مشکلات گرم شدن و بازده که در تقویت‌کننده‌های کلاس A وجود داشت را کاهش دهند. به جای استفاده از یک ترانزیستور واحد برای تقویت کل شکل‌موج، این رده از تقویت‌کننده‌ها از دو ترانزیستور مکمل استفاده می‌کنند.

یک ترانزیستور نیمه‌ی مثبت شکل‌موج را تقویت می‌کند و ترانزیستور دیگر نیمه‌ی منفی شکل‌موج را. بنابراین، هر دستگاه‌ فعال برای نیمی (۱۸۰ درجه) از شکل‌موج رسانش می‌کند و هر دوی آنها وقتی که ترکیب شوند، کل سیگنال را تقویت می‌کنند.

یازده تقویت‌کننده‌های کلاس B به دلیل طراحی دو ترانزیستوری، نسبت به تقویت‌کننده‌های کلاس A بهبود زیادی پیدا کرده است. این تقویت‌کننده‌ها از لحاظ نظری می‌توانند به بازدهی حدود 75% برسند. تقویت‌کننده‌های توان این کلاس در دستگاه‌هایی که با باتری کار می‌کنند مانند رادیو اف‌ام و رادیوهای ترانزیستوری استفاده می‌شود.

به دلیل بَرهَم‌نهی[۱۱] دو نیمه‌ی شکل‌موج، اعوجاج کوچکی در ناحیه‌ی گذار[۱۲] ایجاد می‌شود. برای کاهش اعوجاج سیگنال، تقویت‌کننده‌های کلاس AB طراحی شده‌اند.

تقویت‌کننده‌ی توان کلاس AB

تقویت‌کننده‌های کلاس AB ترکیبی از تقویت‌کننده‌های کلاس A و تقویت‌کننده‌های کلاس B هستند. این کلاس از تقویت‌کننده‌ها برای کاهش مشکلات بازدهی در تقویت‌کننده‌های کلاس A و اعوجاج سیگنال در ناحیه‌ی گذار در تقویت‌کننده‌های کلاس B طراحی شده‌اند.

این کلاس از تقویت‌کننده‌ها واکنش فرکانس بالا را مانند تقویت‌کننده‌های کلاس A و بازدهی خوب را مانند تقویت‌کننده‌های کلاس B حفظ می‌کنند.

در این تقویت‌کننده‌ها ترکیبی از دیودها و مقاومت‌ها[۱۳] به کار رفته است تا ولتاژ بایاس کوچکی ایجاد کنند که باعث کاهش اعوجاج شکل‌موج در نزدیکی ناحیه‌ی گذار می‌شود. همین امر باعث کمی افت در بازدهی (۶۰%) می‌شود.

تقویت‌کننده‌ی توان کلاس C

طراحی تقویت‌کننده‌های توان کلاس C  امکان بازدهی بیشتر را فراهم می‌کند اما باعث کاهش زاویه‌ی خطی/رسانش به کمتر از 90 درجه می‌شود. به عبارت دیگر، این تقویت‌کننده کیفیت تقویت را فدای افزایش بازدهی می‌کند.

زاویه‌ی رسانش کمتر به معنی اعوجاج بیشتر است، بنابراین این کلاس از تقویت‌کننده‌ها برای تقویت صوتی مناسب نیستند. از آنها در نوسان‌سازها[۱۴] و تقویت سیگنال‌های فرکانس رادیویی استفاده می‌شود.

تقویت‌کننده‌های کلاس C عمدتاً دارای یک بار تنظیم‌شده هستند که سیگنال‌های ورودی با فرکانس معین را فیلتر و تقویت می‌کند و شکل‌موج سایر فرکانس‌ها را فرو ‌می‌نشاند.

در این نوع از تقویت‌کننده‌های توان عنصر فعال تنها زمانی رسانش می‌کند که ولتاژ ورودی بالاتر از آستانه‌ی معینی باشد و همین امر باعث کاهش اتلاف توان و افزایش بازده می‌شود.

کلاس‌های دیگر تقویت‌کننده‌های توان

تقویت‌کننده‌های توان کلاس D، E،F ، G و غیره برای تقویت سیگنال‌های دیجیتال پهنای پالس مدوله‌شده استفاده می‌شوند. این تقویت‌کننده‌ها در زمره‌ی تقویت‌کننده‌های توان دارای سوییچ قرار می‌گیرند و خروجی را دائماً روشن یا دائماً خاموش می‌کنند بدون اینکه سطح دیگری در این میان باشد.

به دلیل همین سادگی، تقویت‌کننده‌های توان که در کلاس‌های فوق الذکر قرار می‌گیرند، از لحاظ نظری می‌توانند به بازدهی (۹۰-۱۰۰)% برسند.

کاربردها

در زیر کاربردهای تقویت‌کننده‌های توان در بخش‌های مختلف آمده است:

 لوازم الکترونیکی مصرفی: تقویت‌کننده‌های توان صوتی تقریباً در تمام لوازم الکترونیکی مصرفی از فرهای مایکروویو، درایورهای هدفون، تلویزیون، گوشی‌های موبایل و سیستم‌های سینمای خانگی گرفته تا سیستم‌های تقویتی تئاتر و کنسرت کاربرد دارند.

صنعتی: تقویت‌کننده‌های توان دارای سوییچ برای کنترل بیشتر سیستم‌های محرک‌ صنعتی مانند سروو[۱۵] و موتورهای اتصال مستقیم استفاده می‌شود.

ارتباط بی‌سیم: تقویت‌کننده‌های توان بالا برای انتقال سیگنال‌های مخابراتی بی‌سیم و پخش رادیویی اف‌ام به کاربران مهم هستند. سطوح بالاتر توان که به دلیل وجود تقویت‌کننده‌های توان امکان‌پذیر است، سرعت انتقال داده و قابلیت استفاده را افزایش می‌دهد. این تقویت‌کننده‌ها در تجهیزات ارتباطات ماهواره‌ای نیز کاربرد دارند.

نتیجه‌گیری

معرفی مختصری از مفهوم تقویت‌کننده‌های توان. شما آموختید که تقویت‌کننده‌ی توان چیست؛ احتیاجات آن، انواع مختلف و رده‌بندی آن و نیز برخی کاربردهای آن را هم یاد گرفتید.

[۱] Waveform

[۲] Audio Power Amplifiers

[۳] RF Power Amplifiers

[۴] DC Power Amplifiers

 [5] (hi-fi) High-fidelity نوعی سیستم صوتی که صدا را بسیار نزدیک به صدای اصلی و زنده تولید می‌کند.

[۶] Modulated

[۷] PWM (Pulse Width Modulated)

[۸] Actuator

[۹] Conduction angle

[۱۰] Distortion

[۱۱] Superposition

[۱۲] Crossover region

[۱۳] Resistor

[۱۴] Oscillator

[۱۵] Servo