מגבר אלקטרוני: הגדרה וסוגים

מנועי סרוו ומגברי סרוו מהווים חלק זעיר מכל סוגי המגברים בעולם. חשבנו שיהיה כיף לחקור את כל סוגי המגברים ואז לראות כיצד מגברי סרוו משתלבים.

מגברים נמצאים בכל מיני מכשירים בחיים המודרניים. אם אתם קוראים את המאמר הזה בטלפון סלולרי, אתם מחזיקים בידכם כרגע חבורה שלמה של מגברים זעירים. מגברים הם אבני בניין בסיסיות בתחום האלקטרוניקה, והם משמשים בכל דבר, החל ממערכות הדמיה רפואית וחלל ועד תקשורת אלחוטית, וכמובן, במערכות בקרת תנועה.

בליבתם, מגברים אלקטרוניים הם מכשירים המגבירים את עוצמתו של אות חשמלי. חלקם מתמחים בטיפול באותות עדינים ובעוצמה נמוכה עם רעש מינימלי, בעוד שאחרים מתמקדים באספקת הספק גבוה להנעת רמקולים, משדרים ועומסים כבדים אחרים.

במאמר זה, נצלול לעומק אל עולם המגברים האלקטרוניים, הסוגים השונים של מגברים הזמינים, ולמה הם משמשים.

מהו מגבר אלקטרוני?

מגבר אלקטרוני הוא מעגל או התקן עצמאי שנועד להגביר את עוצמת אות הקלט הנכנס אליו. הם ההפך ממנחיתים, שנועדו להפחית את עוצמת האות.

בעולם המגברים, השינוי באמפליטודה מכונה "הגבר" (מסומל על ידי האות "A"). ההגבר נמדד בדרך כלל בדציבלים (dB), והוא מבוטא כיחס בין פלט לקלט.

ניתן להחיל הגברה על אותות מתח, זרם או הספק, ומתמטית, ההגבר עבור כל אחד מסוגים אלה מבוטא באופן הבא:

מתח רווח: 

החוצה פנימה

רווח נוכחי: 

𝐴i = Iout Iin

רווח כוח: 

𝐴p = פין שפוף

בעוד שיחסי הגבר הם למעשה ליניאריים, הם מתבטאים בדציבלים, אשר עוקבים אחר פונקציה ליניארית. זה עוזר לשמור על המספרים קלים לניהול, במיוחד כשמדובר בהגברים גדולים שיכולים להיות גדולים בכמה סדרי גודל מאות הקלט.

כדי לחשב את הרווח ב-dB, משתמשים בנוסחאות הבאות:

הגבר מתח או זרם (dB) = 20 log10 𝐴v

הגבר הספק (dB) = 10 log10 𝐴p

שימו לב שבעוד שמתח או זרם מגבירים רק את המתח או הזרם, מגברי הספק מגבירים את שני האותות. ו זרם כדי להגדיל את רווח ההספק.

אם ההגבר של מגבר גדול מ-1, אז האות מוגבר (האות חזק יותר ביציאה מאשר בכניסה). אם ההגבר שווה ל-1, אז אין שינוי. אם ההגבר המתקבל קטן מ-1, אז האות מוחלש.

מגברים יכולים להגיע הן בסוגים ליניאריים והן בסוגים לא ליניאריים. הליניאריות מתייחסת לפרופורציונליות של הפלט ביחס לקלט. מגברים ליניאריים רבים נועדו לשמר את צורת אות הקלט המקורי ככל האפשר.

מגברים לא ליניאריים, לעומת זאת, נוטים להכניס עיוות או overdrive לאות, מה שמביא לעתים קרובות לצורת גל שונה של האות.

כיצד פועל מגבר אלקטרוני?

מגבר אלקטרוני מגביר את משרעת אות הקלט על ידי ויסות הספק ממקור חיצוני. הוא משיג זאת באמצעות רכיבים פעילים (בין אם באמצעות טרנזיסטורים או שפופרות ואקום) השולטים בזרימת הזרם בהתבסס על אות הקלט, ומייצרים פלט פרופורציונלי אך חזק יותר.

מגברים מורכבים משני מעגלים עיקריים: שלב הקלט, אשר מקבל ומעבד את האות, ושלב הפלט, אשר שואב אנרגיה מספק הכוח כדי להניע עומס.

מהם מאפייני מגבר אלקטרוני ליבה?

מגברים מאופיינים במספר תכונות מרכזיות המגדירות את ביצועיהם.

• לְהַשִׂיג הוא היחס בין הפלט לקלט (מתח, זרם או הספק), מבוטא לעתים קרובות בדציבלים (dB). רוחב הפס קובע את טווח התדרים שמגבר יכול לעבד ללא הנחתה משמעותית.
• ליניאריות מודד את נאמנות הפלט בעקבות הקלט; ליניאריות ירודה גורמת לעיוות, כגון עיוות הרמוני או עיוות אינטרמודולציה. משוב שלילי משמש לעתים קרובות לשיפור הליניאריות ולהפחתת העיוות מ-5% עד ל-0.001%.
• יְעִילוּת הוא קריטי במגברי הספק, המייצג כמה הספק קלט מומר לפלט שימושי במקום מבוזבז כחום.
• התאמת עכבה (עכבת קלט ופלט) משפיעה על העברת האות והעומס.
• קצב שינוי מגביל את מהירות השינוי של הפלט, דבר המשפיע על אותות במהירות גבוהה.
• יַצִיבוּת מונע תנודות לא רצויות, וטווח דינמי מגדיר את האותות הקטנים והגדולים ביותר שמגבר יכול להתמודד איתם תוך שמירה על שלמות האות.

מהם סוגי וקטגוריות מגברים אלקטרוניים שונים?

מגברים אלקטרוניים מגיעים בצורות רבות, כל אחת מותאמת לפונקציות ודרישות ביצועים ספציפיות. ניתן לסווג אותם על סמך מספר מדדים מרכזיים, כדלקמן:

• מסווג לפי פרמטרי קלט/פלט: מגברים מסווגים כמגברי מתח, זרם, התנגדות טרנס או מוליכות טרנס, בהתאם לאופן שבו הם מטפלים באותות חשמליים.
• מסווג לפי זווית הולכה, ליניאריות ויעילות: מגברי הספק מחולקים לקטגוריות A, B, AB ו-D. סיווגים אלה קובעים את החלק של מחזור הקלט שבמהלכו התקן הפלט מוליך ואת היעילות שבה המגבר ממיר הספק ישר (DC) מהקלט להספק AC מפלט.
• מסווג לפי טווח תדרים: קטגוריה זו מחלקת אותם למגברי אודיו, RF, אולטרסאונד או רחב-פס, כל אחד מהם מותאם לסוגי אותות שונים.
• מסווג לפי פונקציה: קטגוריה זו מחלקת אותם למגברים קדם, מגברי הספק, באפרים או מגברי תפעול.
• לבסוף, סיווג לפי יישום טכנולוגי מבדיל בין מגברים מבוססי שפופרת ואקום, מגברים מבוססי טרנזיסטור ומגברים מבוססי IC.

סיווג מגבר אלקטרוני המבוסס על פלט

כפי שצוין קודם לכן, ניתן לסווג מגברים אלקטרוניים לשלושה סוגים על סמך הפלט שלהם, בעלי יציאות מתח, זרם, התנגדות טרנס או מוליכות טרנס.

מגבר מתח

מגבר מתח מגביר את משרעת מתח המוצא ביחס לאות הקלט. מגברים אלה נמצאים בשימוש נפוץ במערכות שמע, מכשור ומעגלי אותות קטנים. הם מיועדים להגבר מתח גבוה עם הגבר זרם נמוך, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור קדם-מגברים או שלבות קדמיות ביישומים כמו מקלטי רדיו.

בדרך כלל, למגברי מתח יש עכבת כניסה גבוהה ועכבת יציאה נמוכה, מה שממזער את אפקט העומס על השלבים הקודמים ומבטיח העברת אות יעילה מבלי לפגוע בשלמות הרכיבים הקודמים.

למרות שהם מצוינים להתאמת אותות, מגברי מתח אינם מתאימים להנעת עומסים בעלי הספק גבוה, מכיוון שהם מתמקדים בהגברת מתח ולא באספקת כמויות גדולות של זרם.

מגבר זרם

מגבר זרם מגביר את משרעת זרם המוצא ביחס לאות הקלט. מגברי זרם, פחות נפוצים ממגברי מתח, משמשים בעיקר לטרנספורמציה של עכבה או להנעת עומסים הדורשים זרם גבוה יותר, כגון מנועים או מפעילים. הם שימושיים במיוחד בממשקי חיישנים, שבהם יש להגביר זרם קטן לרמה המתאימה להפעלה או עיבוד.

מגברי זרם מאופיינים בעכבת כניסה נמוכה ועכבת יציאה גבוהה, מה שמאפשר להם למשוך זרם מינימלי מהמקור תוך אספקת זרם גבוה יותר לעומס.

למרות שהם מצוינים עבור יישומים מונעי זרם, ייתכן שהם לא יתאימו ליישומי מתח גבוה, מכיוון שתכנוןם מתמקד בזרם ולא בהגבר מתח.

מגבר טרנס-התנגדות

מגבר טרנס-התנגדות ממיר זרם קלט למתח יציאה. מגברים אלה, המכונים לעתים קרובות ממיר זרם למתח, חיוניים ביישומים בהם יש לתרגם זרם לאות מתח, כגון במעגלי פוטודיודה או ממשקי חיישנים.

מגברי טרנס-התנגדות שימושיים במיוחד במערכות מכשור וחיישנים, שבהן האות הוא לעתים קרובות זרם פרופורציונלי לפרמטר פיזיקלי (כמו עוצמת אור או טמפרטורה).

הם מאופיינים בעכבת כניסה נמוכה ועכבת יציאה גבוהה, המאפשרת להם להמיר ביעילות זרמים קטנים למתחים מדידים ללא עיוות אות משמעותי.

למרות שהם יעילים להמרת זרם למתח, מגברי טרנס-התנגדות עשויים שלא להתאים ליישומים בעלי הספק גבוה שבהם יש להגדיל משמעותית את הזרם או המתח.

מגבר טרנסקונדוקטנס

מגבר טרנס-מוליכות ממיר מתח קלט לזרם פלט. מגברים אלה משמשים במקומות בהם יש צורך להניע עומס עם זרם שהוא פרופורציונלי לאות מתח הקלט, כגון במעגלי שמע או RF.

מגברי טרנס-מוליכות, הנפוצים במערכות בקרה, יכולים לשמש להנעת רכיבי הבקרה בבקרי מנוע או מגברי שמע. הם מספקים ליניאריות מעולה והם אידיאליים עבור יישומים הדורשים שליטה מדויקת ביציאת הזרם.

למגברי טרנסקונדוקטנס יש עכבת כניסה גבוהה ועכבת יציאה נמוכה, מה שהופך אותם לאידיאליים לממשק עם מקורות מתח ולהנעת עומסים בעלי עכבה נמוכה.

למרות שהם מתאימים להמרה ממתח לזרם, מגברי מוליכות טרנס עשויים לא להיות הבחירה הטובה ביותר עבור יישומים בעלי הספק גבוה עקב מגבלותיהם באספקת הספק בהשוואה למגברי הספק.

סיווג מגבר אלקטרוני המבוסס על זווית הולכה/ליניאריות

מגבר הספק מגביר את עוצמת האות, שהיא מכפלה של המתח והזרם שלו.

מגברים אלה נועדו להניע עומסים ספציפיים, כגון רמקולים או משדרים, מה שהופך אותם לחיוניים במערכות שמע ותדר רדיו.

ניתן לקבץ אותם לקבוצות שונות בהתבסס על זווית ההולכה שלהם (החלק ממחזור הקלט שבמהלכו התקן הפלט מוליך) והיעילות (היחס בין הספק AC ביציאה להספק DC בקלט).

מבצע מחלקה א'

מגברי Class A פועלים עם הולכה במחזור מלא, כאשר התקן הפלט מוליך לאורך כל מחזור אות הקלט. עם זאת, יעילותם של מגברי Class A היא בדרך כלל ירודה, בדרך כלל מתחת ל-30%, מכיוון שהתקן הפלט נשאר פעיל לאורך כל מחזור אות הקלט, גם כאשר אין צורך בהגברה.

התכונות העיקריות כוללות:

• זווית הולכה: התקן הפלט מוליך כמעט לאורך כל מחזור אות הקלט (קרוב ל-360°), דבר התורם לליניאריות הגבוהה שלו אך ליעילות הנמוכה שלו.

• ליניאריות גבוהה: המגבר שומר על נאמנות מעולה, עם עיוות מינימלי, מה שהופך אותו לאידיאלי עבור יישומי שמע באיכות גבוהה.
• עיוות נמוך: מכיוון שהמגבר מוליך לאורך כל המחזור, העיוות נשמר למינימום, מה שמבטיח אות פלט נקי.

• נקודת הטיה: ממוקמת ליד נקודת האמצע של קו העומס, תוך הבטחת תנופה מקסימלית ללא עיוות.
• גרסאות: תכנוני Class A מצומדים לשנאים ודחיפה-משיכה שואפים לשפר את טיפול בהספק ולהפחית את פיזור ההספק, אם כי הם עדיין מתמודדים עם מגבלות יעילות.

מגברי Class A מועדפים לעתים קרובות באודיו מתקדם וביישומים אחרים שבהם איכות האות היא בעלת חשיבות עליונה, למרות חוסר היעילות שלהם.

מבצע מסוג B

מגברי Class B פועלים עם הולכה בחצי מחזור, כאשר כל טרנזיסטור מוליך במשך מחצית ממחזור אות הקלט. תצורת Push-Pull: זוגות טרנזיסטורים משמשים בסידור Push-Pull כדי לשחזר את צורת הגל המלאה ולמזער עיוות.

• זווית הולכה: התקן הפלט מוליך במשך 180° ממחזור אות הקלט, כלומר כל טרנזיסטור מגביר רק מחצית מצורת הגל.
• יעילות גבוהה יותר: מגברי Class B יעילים הרבה יותר ממגברי Class A, מכיוון שיש מעט מאוד זרימת זרם אם בכלל לא קיימת בשלב הקלט האפס, מה שמפחית בזבוז הספק.
• עיוות מוצלב: בעיה נפוצה במעבר האפס שבו הולכה עוברת מטרנזיסטור אחד למשנהו, מה שמוביל לעיוות.
• נקודת הטיה: בדרך כלל, נקודת ההטיה נקבעת ליד נקודת החיתוך, מה שמבטיח שאף טרנזיסטור לא יעבור במהלך כל המחזור, מה שמשפר את היעילות אך תורם לעיוות מוצלב.
• גרסאות: עיצובים מסוימים, כמו טרנזיסטורי Push-Pull משלימים Class B, משתמשים גם בטרנזיסטורים NPN וגם בטרנזיסטורי PNP כדי להפחית עוד יותר את העיוות.

מגברי Class B הם אלטרנטיבה חסכונית יותר מבחינת צריכת חשמל למגברי Class A, אך עיוות מוצלב מגביל את היישום האידיאלי שלהם.

מבצע מחלקה AB

מגברי Class AB מייצגים פשרה בין Class A ל-Class B, ומשלבים את התכונות הטובות ביותר של שניהם לשיפור הביצועים. פופולריים ביישומי אודיו: בשל האיזון הטוב שלהם בין יעילות, נאמנות ופיזור חום הניתן לניהול, מגברי Class AB נמצאים בשימוש נרחב בהגברת אודיו, במיוחד במערכות אודיו באיכות גבוהה.

• זווית הולכה: התקני הפלט מוליכים בין 180° ל-360° של מחזור אות הקלט, כלומר כל טרנזיסטור מוטה מעט כדי להוליך מעל חלק מהאות ולמנוע את עיוות המעבר החמור של Class B.
• יעילות בינונית: מגברי Class AB מציעים יעילות טובה יותר מאשר Class A, בדרך כלל בטווח שבין 50% ל-70%, תוך שמירה על עיוות נמוך יחסית.
• עיוות מופחת: ההטיה מפחיתה עיוות מוצלב, וכתוצאה מכך מעבר חלק יותר בין התקנים ואמינות כללית טובה יותר בהשוואה ל-Class B.
• נקודת הטיה: המכשירים מוטים מעט מעל נקודת החיתוך, מה שמבטיח גם יעילות גבוהה וגם עיוות מופחת.
• גרסאות: הגרסאות כוללות עיצובים הממטבים עיוות נמוך יותר או יעילות טובה יותר, בהתאם לצורכי היישום הספציפיים.

מגברי Class AB הם בחירה פופולרית ביישומים שבהם איזון בין יעילות הספק לאיכות הצליל חשוב.

מבצע מחלקה ג'

מגברי Class C מיועדים לפעולה ביעילות גבוהה, ומשמשים בעיקר ביישומים הדורשים אותות בתדר גבוה. יישומים: נמצאים בשימוש נפוץ במשדרי תדר רדיו (RF) ובמעגלי תהודה, שבהם ניתן לסנן את האות כדי לשחזר צורת גל שמישה.

• זווית הולכה: התקן הפלט מוליך פחות מ-180° ממחזור אות הקלט, מה שהופך מגברי Class C ליעילים ביותר, עם יעילות העולה לעתים קרובות על 80-90%.
• יעילות גבוהה: בשל ההולכה המוגבלת, מגברי Class C יעילים יותר מאשר מגברי Class A ו-Class B, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור יישומים רגישים להספק.
• עיוות חמור: האות מעוות בצורה חמורה במהלך תקופת הכיבוי, מה שהופך מגברי Class C ללא מתאימים ליישומי שמע.
• נקודת הטיה: התקנים מוטים לנהל זרם רק במהלך חלק מסוים של מחזור הקלט, מה שממקסם את היעילות אך תורם לעיוות.
• גרסאות: הגרסאות כוללות עיצובים מתכווננים המותאמים לתדרי RF או רוחבי פס ספציפיים.

מגברי Class C מתאימים ביותר ליישומים בתדר גבוה, במיוחד כאשר נאמנות האות פחות קריטית והיעילות היא בעלת חשיבות עליונה.

מבצע מחלקה D

מגברי Class D פועלים באמצעות טכניקות מיתוג כדי להשיג יעילות גבוהה, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור יישומים מודרניים רגישים להספק. יישומים: נמצאים בשימוש נפוץ במוצרי אלקטרוניקה, מגברי אודיו, מכשירים ניידים וכל יישום שבו יעילות צריכת חשמל ועיצוב קומפקטי הם חיוניים.

• זווית הולכה: טרנזיסטורי המוצא פועלים במצב דלוק/כבוי, כלומר הם אינם מוליכים במהלך כל מחזור הקלט, וכתוצאה מכך אובדן הספק מופחת משמעותית.
• יעילות גבוהה: מגברי Class D משיגים יעילות מעל 90%, מה שמפחית משמעותית את פיזור החום והופך אותם לחסכוניים יותר באנרגיה בהשוואה למגברים ליניאריים.
• עיוות חמור: למרות יעילות גבוהה, מגברי מיתוג יכולים להכניס רעש ועיוות בתדר גבוה, אשר מופחתים באמצעות מסנני פלט.
• נקודת הטיה: לא נעשה שימוש בנקודת הטיה מסורתית שכן הטרנזיסטורים פועלים במצב מיתוג, נדלקים או כבויים במלואם, במקום לפעול באזור ליניארי.
• גרסאות: כולל PWM (אפנון רוחב פולס) וטכניקות מיתוג אחרות, שתיהן דורשות סינון נוסף כדי להחליק את אות הפלט.

מגברי Class D פופולריים בהגברת שמע מודרנית ובמכשירים אלקטרוניים, שבהם גודל, יעילות ופיזור חום נמוך הם בראש סדר העדיפויות.

סיווג מגבר אלקטרוני המבוסס על טווח תדרים

מגברים אלקטרוניים ניתנים לסווג גם לפי תדרי הפעולה שלהם. התקנים כאלה כוללים עיצובים של אודיו, תדרי רדיו, אולטרסאונד, מיקרוגל ופס רחב. כל סוג מותאם לסוגי האותות שלו.

מגברי תדר שמע

מגברי תדר שמע, כמו אלה הנמצאים במערכות בידור ביתיות, כלי נגינה ומערכות כריזה, משתמשים באות שמע כקלט ולאחר מכן מגבירים את המשרעת כדי להגביר את עוצמת הקול.

• פועלים בטווח 20 הרץ - 20 קילוהרץ, ולפעמים עוברים את 100 קילוהרץ במערכות באיכות גבוהה.
• מיועד לעיוות נמוך ופלט הספק מספק להנעת רמקולים או אוזניות.

מגברי תדר רדיו (RF)

מגברי תדרי רדיו נמצאים באופן נרחב בתקשורת אלחוטית, מכ"ם ושידור, שם הם מגבירים אותות לצורך שידור וקליטה אמינים.

עיצובים מסוימים, כגון מגברי רעש נמוך (LNA), משפרים אותות חלשים במקלטים, בעוד שמגברי הספק (PA) מגבירים אותות שידור במערכות תקשורת.

• לפעול בטווח kHz עד GHz, בהתאם לצורכי היישום.
• מתוכנן להתאמת עכבה, מזעור רעש וליניאריות כדי למנוע אובדן אות ועיוות.

מגברי אולטרסאונד

מגברי אולטרסאונד משמשים בהדמיה רפואית, ניקוי תעשייתי ובדיקות לא הרסניות, שם הם מגבירים אותות מעבר לטווח השמיעה האנושית. מגברים אלה חייבים להתמודד עם צורות גל בתדר גבוה בדיוק רב כדי להבטיח

מתמרים מיוחדים ממירים את האותות החשמליים המוגברים לגלי קולי לשימוש מעשי.

• פועלים מעל 20 קילוהרץ, ומגיעים לעתים קרובות לכמה מגה-הרץ ביישומים רפואיים ותעשייתיים.
• מתוכנן ליציבות אות בתדר גבוה והעברת הספק יעילה למתמרים אולטרסאונדים.

מגברי מיקרוגל

מגברי מיקרוגל חיוניים במכ"ם, תקשורת לוויינית והעברת נתונים בתדר גבוה. מגברים אלה פועלים בתדרים גבוהים בהרבה ממגברי RF סטנדרטיים, ולעתים קרובות דורשים רכיבים וחומרים מיוחדים כדי להבטיח יעילות ואמינות.

• פועלים בטווח GHz, תומכים במערכות תקשורת ומכ"ם בתדר גבוה.
• מתוכנן לאובדן אות ועיוות פאזה מינימליים באמצעות מוליכי גל וחומרים מתקדמים למחצה.

מגברי פס רחב

מגברי רחב-פס מתוכננים להגביר אותות על פני טווח תדרים רחב, מה שהופך אותם לחיוניים בציוד בדיקה, מערכות תקשורת רחב-פס ועיבוד אותות. זה הופך אותם לאידיאליים עבור יישומים כמו אוסצילוסקופים, מנתחי ספקטרום ותקשורת אולטרה-רחבת-פס.

• פועלים על פני טווח תדרים רחב, החל מאפס הרץ ועד מגהרץ או אפילו גיגה-הרץ בתכנונים מתקדמים.
• מתוכנן לעיוות אות מינימלי ותגובת הגבר שטוחה על פני רוחבי פס רחבים.

סיווג מגבר אלקטרוני המבוסס על פונקציונליות

ניתן לסווג מגברים על סמך תפקידם העיקרי או התפקיד שהם ממלאים במניפולציה של אותות. סיווגים אלה כוללים:

• קדם-מגברים: הגברת אותות קלט חלשים לרמה המתאימה לעיבוד נוסף מבלי לשנות באופן משמעותי את מאפייני האות.
• מגברי כוח: לספק הספק גבוה כדי להניע עומס, כגון רמקול או אנטנה.
• מגברי דרייבר: לספק זרם או מתח גבוהים יותר כדי להניע את השלב הסופי של מערכת מגבר.
• מגברי חיץ: שמירה על משרעת מתח תוך מתן היכולת להניע זרם גבוה ללא עיוות אות.
• מגברי הפעלה (Op-Amps): רכיבים רב-תכליתיים המשמשים במגוון יישומים, החל ממסננים ועד משווים.
• מגברי אות חלשים או רעש נמוך (LNA): מתוכנן להגבר גבוה עם תוספת רעש מינימלית, חיוני עבור מקלטי RF או מכשור.

סיווג מגבר אלקטרוני המבוסס על טכנולוגיה

ניתן לסווג מגברים גם על סמך הטכנולוגיה בה נעשה שימוש בבנייתם. הסוגים העיקריים הם מגברי שפופרות ואקום, מגברי טרנזיסטור ומגברי מעגל משולב (IC), כאשר כל אחד מהם מציע יתרונות וחסרונות שונים בהתבסס על עיצובם, יעילותו ויישומו.

מגברי שפופרות ואקום

מגברי שפופרות ואקום, הידועים גם כמגברי שפופרות, משתמשים בפליטה תרמיונית מקתודות מחוממות כדי לשלוט בזרימת אלקטרונים בוואקום. הם זוכים להערכה רבה בזכות מאפייני הצליל החמים שלהם, מה שהופך אותם לפופולריים במערכות שמע מתקדמות ובמגברי גיטרה מסוימים.

• יתרונות: תפוקת עוצמה גבוהה, מועדפת על ידי אודיופילים בשל חמימות הצליל.
• חסרונות: מגושם, לא יעיל ונוטה להתקלקל עם הזמן.

מגברים מבוססי טרנזיסטור

מגברי טרנזיסטור משתמשים ברכיבים מוליכים למחצה, כגון טרנזיסטורי צומת דו-קוטביים (BJT) או טרנזיסטורי אפקט שדה (FET), כדי להגביר אותות חשמליים. הם קומפקטיים, עמידים ויעילים יותר ממגברי שפופרות ואקום, מה שמוביל לשימוש נרחב באלקטרוניקה צרכנית ובציוד אודיו.

• יתרונות: קטן יותר, חסכוני יותר באנרגיה, עמיד יותר לאורך זמן.
• חסרונות: ייתכן וחסרים את המאפיינים הגווניים הייחודיים של מגברי שפופרות.

מגברי מעגל משולב (IC)

מגברי IC בנויים באמצעות מעגלים משולבים המכילים טרנזיסטורים מרובים על שבב יחיד, המציעים קומפקטיות ואמינות. אלה נמצאים בשימוש נפוץ באלקטרוניקה צרכנית, מערכות רכב ומכשירים ניידים בשל גודלם הקטן וחסכוניותם.

• יתרונות: משולב מאוד, עלות נמוכה, חסכוני באנרגיה.
• חסרונות: ייתכנו מגבלות בטיפול בהספק או באיכות השמע בהשוואה לעיצובים מבוססי שפופרות או טרנזיסטורים.

מהם היתרונות של מגברים אלקטרוניים?

מגברים אלקטרוניים מספקים את היתרון של הגברת אותות קטנים כדי להניע עומסים גדולים יותר, כגון רמקולים או אנטנות, מה שמאפשר הפעלה של מכשירים בעלי הספק גבוה.

הם משפרים תקשורת למרחקים ארוכים בטלפוניה, שידור וקישורי נתונים על ידי הבטחת שלמות האות. מגברים משולבים הם קומפקטיים, חסכוניים ואמינים, ומציעים חיסכון במקום ובעלויות. בנוסף, עיצובים מודולריים מאפשרים גמישות קלה, מה שהופך אותם לניתנים להתאמה לדרישות הספק או תדר משתנות ביישומים מגוונים.

מהם החסרונות של מגברים אלקטרוניים?

מגברים אלקטרוניים, במיוחד מגברים בעלי הספק גבוה, עלולים לייצר חום משמעותי, דבר הדורש גופי קירור או מערכות קירור יעילות כדי למנוע נזק. אי-אידיאלים ברכיבים עלולים לגרום לרעש ועיוות, מה שמצריך תכנון קפדני כדי למזער בעיות אלו.

הטיה יכולה להשתנות עם הזמן ועם שינויי טמפרטורה, מה שעלול להכניס קיזוזים או עיוות ביציאה. שלבים בעלי הספק גבוה מאוד עומדים בפני סיכונים לכשל במכשיר אם הקירור או בקרת ההטיה אינם מספקים, מה שמדגיש את הצורך בניהול תרמי מדויק ויציבות בתכנון.

כיצד משתמשים במגברים בבקרת תנועה?

ולבסוף, אנו מגיעים ללב ליבו של מאמר זה. להיות חברה המתמקדת ב בקרת תנועה, ראוי שנציין מרכיב מפתח באוטומציה תעשייתית - דרייבר הסרוו!

דרייברים סרוו ומגברי סרוו

א כונן סרוו הוא מגבר הספק מיוחד המשמש במערכות בקרת תנועה לוויסות המתח והזרם המסופקים למנועי סרוו. הם חיוניים להבטחת פעולת המנוע ביעילות, עם שליטה מדויקת על פרמטרים כמו מיקום, מהירות ומומנט.

שלא כמו מגברי הספק טיפוסיים, מגברי סרוו מתוכננים לביצועים גבוהים במערכות דינמיות, בהן נדרשים התאמות מהירות. הם בנויים בדרך כלל על טופולוגיות Class D או מיתוג, המספקות יעילות אנרגטית גבוהה על ידי מזעור אובדן הספק והפחתת ייצור חום.

תכונות עיקריות:

• בקרת לולאה סגורה: מגברי סרוו מתאימים באופן רציף את תפוקת המנוע בזמן אמת על ידי ניתוח משוב ממקודדים או רזולוורים, תוך הבטחת תנועה מדויקת ומזעור שגיאות.
• עיוות נמוך: מגברים אלה נועדו למזער עיוות אות, ולהבטיח פעולה חלקה ומדויקת של המנוע.
• יעילות גבוהה: מגברי סרוו, הבנויים על טופולוגיות חסכוניות באנרגיה, מפחיתים אובדן חשמל וייצור חום, ומשפרים את ביצועי האנרגיה הכוללים של המערכת.
• כוונון מהיר: מגבר הסרוו יכול להגיב במהירות לשינויים באות הבקרה, מה שמבטיח שהמנוע יפעל ביעילות גם בסביבות משתנות דינמית.

פרמטרים מרכזיים של מנועי סרוו

מנועי סרוו מציעים שליטה נרחבת על פרמטרים שונים של ביצועי מנוע, והם ניתנים להתאמה אישית רבה לצורכי המשתמש. ניתן לתכנת אותם באמצעות ממשק משתמש גרפי בחומרת מנוע הסרוו עצמו, או באמצעות ממשק מחשב. הפרמטרים הניתנים להתאמה הקריטיים ביותר כוללים:

• מְהִירוּת: שולט במהירות הסיבוב של המנוע (נמדדת בסל"ד או ברדיאנים לשנייה), כאשר פרמטרים כמו מהירות פעולה מרבית וזמן תגובה למהירות מותאמים ליישום, ומבטיחים תנועה חלקה ותגובתית.
• עֲנָק: קובע את כוח הסיבוב של המנוע (נמדד ב-Nm או oz-in), עם פרמטרים כגון מומנט מקסימלי ומומנט רציף המותאמים לטיפול בעומס ויעילות המערכת.
• מַצָב: מאפשר שליטה מדויקת על מיקום המנוע, כאשר פרמטרים כמו מיקום יעד ודיוק מיקום מבטיחים שהמנוע יגיע למיקום הרצוי במדויק.
• תאוצה/האטה: מגדיר את מהירות האצת המנוע ומאט אותו. פרמטרים כמו קצב תאוצה מקסימלי וצורת פרופיל תאוצה שולטים במעברי תנועה חלקים ומבוקרים.
• רווחי שליטההגדרות בקרת PID, כגון הגבר פרופורציונלי (Kp), הגבר אינטגרלי (Ki) והגבר נגזר (Kd), מסייעות לכוונן את תגובת המערכת ויציבותה, ומבטיחות פעולה חלקה ואמינה.
• מָשׁוֹב: נתונים רציפים מחיישנים (כגון מקודדים או רזולוורים) מספקים משוב בזמן אמת המאפשר להנעת הסרוו להתאים את ביצועי המנוע לדיוק אופטימלי.
• הגדרות הגבלה: פרמטרי בטיחות כמו מגבלת מומנט מקסימלי ומגבלת מהירות מקסימלית מגנים על המערכת מפני חריגה ממגבלות התפעול הבטוחות, ומונעים נזק לרכיבים.

סיכום

כפי שהראינו במאמר זה, מגברים הם הגיבורים הלא מוכרים של האלקטרוניקה המודרנית. בין אם הם שומרים על רובוטים במפעל מסונכרנים, מוודאים שאות ה-Wi-Fi שלכם לא נופל באמצע הגלילה, או מספקים את סולו הגיטרה הלוהט בהופעה חיה, סוסי העבודה האלקטרוניים הללו נמצאים בכל מקום.

הודות להתקדמות בקסם המוליכים למחצה, בקרה דיגיטלית וידע הנדסי רציני, מגברים הפכו קטנים יותר, חכמים יותר ויעילים הרבה יותר. חלפו ימי העיצובים המגושמים והצרכניים, שכן מגברי היום הם מכונות רזות, צריכות ומגבירות אותות.

מדיוק בקרת התנועה ועד לעומק האודיו באיכות גבוהה, מגברים ימשיכו להתפתח, ויבטיחו שכל דבר, החל מרשימת ההשמעה של הבוקר שלכם ועד לפריצת הדרך הגדולה הבאה בתחום התעופה והחלל, יישמע בקול רם וברור.