< Electronică Analogică

1 Amplificatoare

1.1 Circuite electrice şi circuite electronice

Circuitele electrice reprezintă conexiuni ale conductorilor electrici cu elemente de circuit, în cadrul cărora are loc o deplasare uniformă de electroni. Circuitele electrice adaugă o nouă dimensiune circuitelor electrice, prin faptul că deplasarea electronilor este controlată, într-o oarecare măsură, de un semnal electric adiţional, fie sub formă de curent, fie sub formă de tensiune.

Controlul curentului nu este neapărărat specific electronicii. Întrerupătoarele şi potenţiometrele controlează şi ele deplasarea electronilor. Prin urmare, diferenţa dintre electric şi electronic este dată de modul în care acest control este exercitat în circuit, şi nu neapărat de existenţa sa absenţa acestuia. Întrerupătoarele şi potenţiometrele controlează curentul mecanic, printr-un element acţionat de o anumită forţă fizică externă circuitului. În electronică, pe de altă parte, avea de a face cu elemente speciale, capabile să controleze curentul cu ajutorul unui alt curent, sau prin aplicarea unei tensiuni statice. Cu alte cuvinte, într-un circuit electronic, curentul controlează curentul.

Din punct de vedere istoric, precursorul electronicii moderne a fost inventat de Thomas Edison în 1880 pe când dezvolta becul cu incandescenţă. Edison a descoperit că există un curent electric între filamentul becului şi o placă metalică instalată în interiorul învelişului vidat (figura de jos (b)). Astăzi, acest comportament este cunoscut sub numele de „efectul Edison”. Bateria este necesară doar pentru încălzirea filamentului. Dacă am folosi orice altă modalitate de încălzire a filamentului, efectul ar fi acelaşi.

În 1904, John Flemming a descoperit că introducerea în circuit a unui curent extern (bateria ataşată plăcii, figura de mai sus (b)) se poate realiza doar într-o singură direcţie, de la filament la placă, dar nu şi invers. Această inveţie este cunoscută sub numele de „dioda cu vid”, folosită pentru transformarea (redresarea) curentului alternativ în curent continuu. Adăugarea celui de al treilea electrod de către Lee DeForest (figura de mai sus (c)), a făcut posibil controlul curentului de la filament la placă cu ajutorul unui semnal mai mic. Inveţia tubului cu vid de către DeForest a marcat practic începutul erei electronice.

Tehnologia electronici a cunoscut o revoluţie în anul 1948, odată cu invenţia tranzistorului. Acest component electric minuscul joacă acelaşi rol ca şi un tub cu vid, dar ocupă un loc mult mai mic şi este mult mai ieftin. Tranzistorii realizează controlul curentului cu ajutorul materialelor semiconductoare şi nu prin vid.

1.2 Elemente active şi elemente pasive

Un element de circuit activ este orice tip de component ce poate controla deplasarea electronilor (curentul) pe cale electrică. Pentru ca un circuit să poarte numele de circuit electronic, aceste trebuie să conţină cel puţin un asfel de element activ. Componentele ce nu pot controla curentul prin intermediul unui alt semnal electric, sunt denumite elemente de circuit pasive. Rezistorii, condensatoarele, bobinele, transformatoarele şi chiar şi diodele, toate sunt considerate elemente de circuit pasive. Elementele active includ, printre altele, tuburile cu vid, tranzistoarele, redresoarele cu semiconductoare, şi triacurile.

Toate dispozitivele active controlează curentul prin ele. Unele dispozitive active realizează acest lucru prin intermediul unei tensiuni, iar altele prin intermediul curentulu. Cele care utilizează o tensiune statică ca şi semnal de control, sunt denumite dispozitive controlate în tensiune. Cele care folosesc un alt curent pentru controlul curentului în cauză sunt cunoscute sub numele de dispozitive controlate în curent. Tuburile cu vid sunt dispozitive controlate în tensiune iar tranzistoarele pot fi de ambele tipuri.

1.3 Amplificatorul

Practic, elementele active sunt folosite pentru proprietatea lor de amplificare. Indiferent dacă dispozitivul în cauză este constrolat în tensiune sau în curent, puterea necesară pentru semnalul de control este de obicei mult mai mică decât puterea disponibilă în curentul controlat. Cu alte cuvinte, un element activ nu permite pur şi simplu controlul curentului de către curent, ci, face posibil controlul unui curent mare de către un curent mic.

Datorită acestei diferenţă dintre puterea controlată şi puterea controlatoare, elementele active de circuit pot fi folosite pentru comanda unei cantităţi mari de putere (controlată) de către o cantitate mică de putere (controlatoare). Acest comportament poartă numele de amplificare.

O lege fundamentală a fizicii, cea a conservării energiei, spune că energia nu poate fi creată dar nici distrusă. Dacă această lege este adevărată, atunci construirea unui dispozitiv care să ia o cantitate mică de energie şi să o transforme într-o cantitate mare de energie, pe cale magică, nu este posibilă. Toate maşinile, incluzând circuitele electrice şi electronice, au o eficienţă maximă de 100%. În cele mai fericite cazuri, puterea de intrare este egală cu puterea de ieşire:

În realitate însă, de cele mai multe ori, maşinile nu ating nici măcar această limită superioară, deoarece o parte din energia de intrare se pierde sub formă de căldură radiată în spaţiul din jur, iar această energie pierdută nu se regăseşte în valoarea energiei de ieşire.

Au existat numeroase încercări, fără succes însă, de a proiecta şi construi o maşină a cărei putere de ieşire să fie mai mare decât puterea de intrare. Acest lucru nu doar că ar viola legea conservării energiei, dar ar duce lumea într-o revoluţie tehnologică fără precedent, deoarece acest tip de maşină s-ar putea alimenta singură, într-o buclă circulară, şi ar putea genera putere „gratuită”. Această maşină este cunoscută sub numele de perpetuum mobile.

Deşi au existat multe încercări în acest domeniu, până acum nu s-a reuşit construirea unei maşini capabile să se alimenteze singură, cu propria ei energie plus generarea unei energii suplimentare.

Totuşi, există o gamă de maşini denumite amplificatoare, în cadrul cărora, semnalele de putere mică de la intrare sunt „transformate” (cu ajutorul unei surse externe de putere) în semnale de ieşire de o putere mult mai mare. Pentru a înţelege cum pot amplificatoarele să existe fără a viola legea conservării energiei, trebuie să înţelegem modul de funcţionare al dispozitivelor active.

Pentru că elementele active de circuit pot controla cantităţi mari de putere electrică cu ajutorul unei cantităţi mici de putere electrică, acestea pot fi utilizate în circuite pentru duplicarea formei semnalului de intrare cu ajutorul unei surse externe de putere electrică. Rezultatul este un dispozitiv ce pare a transforma pe cale magică un semnal electric de putere mică într-un semnal identic, dar de o putere/amplitudine mai mare. Legea conservării energiei nu este violată, deoarece puterea adiţională este întrodusă în circuit de o sursă externă, de obicei o baterie de curent continuu sau o sursă echivalentă. Amplificatorul nu crează şi nici nu distruge energie, ci doar o „remodelează” într-o formă de undă dorită:

Cu alte cuvinte, abilitatea de control al curentului pe care elementele active le posedă, este folosită pentru „transformarea” puterii de curent continuu dintr-o sursă externă în aceeiaşi formă de undă precum a semnalului de intrare, forma semnalului produs la ieşire fiind în acest caz identică cu cea de la intrare, dar de o amplitudine mult mai mare. Tranzistorul, sau alte dispozitive active conţinute într-un amplificator, formează pur şi simplu o copie a formei de undă a semnalului de intrare cu ajutorul sursei externe de curent continuu „brute”.

Eficienţa amplificatoarelor, precum este cazul tuturor maşinilor, este limitată la un maxim de 100%. De obicei, amplificatoarele electronice au o eficienţă mult sub acest nivel, datorită pierderilor considerabile de energie sub formă de căldură.

1.4 Factorul de amplificare

Deoarece amplificatoarele pot să mărească amplitudinea semnalului de intrare, ar fi foarte util dacă am descrie această proprietatea a lor printr-un raport ieşire/intrare, raport ce poartă numele de factor de amplificare, sau amplificare. Acest factor nu are unitate de măsură, fiind un raport dintre două mărimi cu aceeiaşi unitate de măsură. Matematic, simbolul amplificării este „A”.

De exemplu, dacă la intrarea unui amplificator avem un semnal de tensiune alternativă efectivă de 2 V, iar la ieşire avem o tensiune alternativă efectivă de 30 V, spunem că factorul de amplificare în tensiune al amplificatorului este de 15, adică 30 împărţit la 2.

Prin aceeiaşi metodă, dacă ştim factorul de amplificare şi amplitudinea semnalului de intrare, putem calcula amplitudinea semnalului de ieşire. De exemplu, dacă un amplificator cu un factor de amplificare în curent alternativ de 3.5, are la intrare un semnal de 28 mA efectiv, semnalul de ieşire va fi 98 mA efectiv, sau 3.5 * 28 mA.

În exemplele de mai sus, toate semnalele şi amplificările au fost considerate în curent alternativ. Trebuie menţionat un principiu important: amplificatoarele electronice răspund diferit semnalelor de intrare în curent alternativ şi curent continuu, iar amplificarea celor două poate să fie diferită. Înainte de a putea face calculele amplifcărilor, trebuie să înţelegem cu ce semnale avem de a face în primul rând, alternative sau de continue.

Dacă conectăm mai multe amplificatoare în etaje, factorul de amplificare totale va fi egal cu produsul amplificărilor individuale. În figura de mai jos, un semnal de 1 V este aplicat intrării unui amplificator cu factorul de amplificare 3. Ieşirea acestuia, de 3 V, este introdusă la intrarea unui amplificator cu factorul de amplificare 5, semnalul de la ieşire fiind 15 V:

1.5 Decibelul

În cea mai simplă formă, factorul de amplificare al amplificatorului este un raport dintre semnalul de ieşire şi cel de intrare, fiind o mărime fără unitate de măsură. Totuşi, există o unitate de măsură pentru reprezentarea amplificării, şi anume, bel-ul.

Ca şi unitate, bel-ul a fost folosit pentru reprezentarea pierderilor de putere din liniile telefonice, şi nu pentru reprezentarea amplificărilor. Unitatea poartă numele inventatorului scoţian, Alexander Graham Bell, a cărui muncă fundamentală a dus la dezvoltatea sistemelor telefonice. Sub forma sa originală, bel-ul reprezenta cantitatea de semnal pierdută datorită rezistenţei pe o anumită lungime de conductor electric. Acum, acesta este definit ca logaritm din baza zece a raportului dintre semnalul de ieşire şi cel de intrare:

Deoarece bel-ul este o unitate logaritmică, acesta este ne-liniar. Să considerăm următorul tabel, ca şi o comparaţie între pierderile de putere exprimate sub formă de raport şi aceleaşi pierderi exprimate sub formă de bel:

Mai târziu a fost realizat faptul că bel-ul este o unitate de măsură prea mare pentru a fi utilizată direct; prin urmare, a îceput să fie folosit tot mai des prefixul metric deci (1/10, sau 10^-1), şi anume /deci/bel-ul, sau dB. Astăzi, expresia „dB” este atât de răspândită încât majoritatea nu relaizează că aceasta este o combinaţie dintre „deci” şi „bel”, sau că măcar există o unitate de măsură numită „bel”. Următorul tabel este asemănător celui precedent, dar de data aceasta valorile sunt exprimate în dB: