Przedstawiamy przykład zastosowania uniwersalnego zestawu pomiarowego ADALM2000 do pomiarów wzmacniacza ze sprzężeniem transformatorowym. Zagadnienie jest ujęte w formie krótkiego ćwiczenia praktycznego.

Cel

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z działaniem wzmacniaczy sprzężonych transformatorowo w celu dopasowania impedancji.

Podstawy teoretyczne

Transformator podwyższający (step-up) lub obniżający (step-down) to urządzenie, które przekształca napięcie przemienne doprowadzone do uzwojenia pierwotnego na napięcie wyższe (step-up) lub niższe (step-down) dostępne na uzwojeniu wtórnym. Transformator może być również używany do izolowania obwodu od ziemi. Mówimy wówczas o transformatorze izolacyjnym. Ważną cechą transformatora jest również zdolność do dopasowywania impedancji obwodów w celu osiągnięcia maksymalnego transferu mocy. W ćwiczeniu będzie rozpatrywane to właśnie zastosowanie.

Rozważmy układ  przedstawiony na rys. 1. Jest to wzmacniacz mocy klasy A sprzężony z transformatorem. Przypomina on normalny układ wzmacniacza, ale jest połączony z transformatorem w obciążeniu kolektora.

Rys. 1. Wzmacniacz mocy klasy A sprzężony z transformatorowo

W tej konfiguracji rezystory R1 i R2 tworzą dzielnik napięciowy ustalający polaryzację tranzystora. Rezystor emitera R3 jest zastosowany do stabilizacji polaryzacji. Kondensator blokujący emitera C2 eliminuje sprzężenie zwrotne w obwodzie emitera.

Moc przekazywana ze wzmacniacza mocy do obciążenia będzie maksymalna tylko wtedy, gdy impedancja wyjściowa wzmacniacza będzie równa impedancji obciążenia R_L (    R4). Jest to zgodne z twierdzeniem o maksymalnym transferze mocy. Konieczne jest przeniesienie maksymalnej mocy ze wzmacniacza do urządzenia wyjściowego, dopasowując impedancję wyjściową wzmacniacza do impedancji urządzenia wyjściowego. Osiąga się to poprzez zastosowanie transformatora obniżającego o odpowiednim stosunku zwojów.

Stosunek rezystancji wejściowej i wyjściowej transformatora zmienia się bezpośrednio jako kwadrat współczynnika zwojów transformatora zgodnie z równaniem:

Impedancja odbita jest więc równa:

gdzie:

➤ n to stosunek zwojów pierwotnych do wtórnych transformatora obniżającego napięcie,

➤ R_LP jest impedancją odbitą w uzwojeniu pierwotnym.

Sprawność wzmacniacza mocy klasy A wynosi prawie 30%, a dzięki zastosowaniu wzmacniacza mocy klasy A sprzężonego transformatorowo wzrasta ona do 50%. Zwiększona sprawność jest jedną z zalet tej konfiguracji, ale oprócz tego istnieją inne zalety wzmacniacza mocy klasy A sprzężonego transformatorowo:

➤ brak strat mocy sygnału na rezystorach bazy lub kolektora,

➤ doskonałe dopasowanie impedancji,

➤ duże wzmocnienie,

➤ zapewniona jest izolacja DC.

Rys. 2. Wzmacniacz mocy klasy A ze sprzężeniem transformatorowym.

Konfiguracja ta nie jest jednak idealna i ma następujące wady:

➤ sygnały o niskiej częstotliwości są stosunkowo słabiej wzmacniane,

➤ szumy są wprowadzane przez transformatory,

➤ transformatory są nieporęczne i kosztowne,

➤ słaba charakterystyka częstotliwościowa.

Materiały

➤ Uniwersalny zestaw pomiarowy ADALM2000

➤ Płytka drukowana i zestaw przewodów połączeniowych

➤ Tranzystor NPN (2N3904)

➤ Rezystor 10 kΩ

➤ Rezystor 20 kΩ

➤ Rezystor 100 Ω

➤ Kondensator 10 μF

➤ Kondensator 1 μF

➤ Transformator HPH1-0190L/1400L z sześcioma uzwojeniami

Konfiguracja sprzętu

Korzystając z rysunku 2 Zbuduj układ przedstawiony na rys. 1. Należy użyć zasilania +5 V i -5 V zestawu ADALM2000.

Procedura

Ustaw kanał 1 generatora sygnału tak, aby wytwarzał przebieg sinusoidalny 500 mV, 100 Hz z przesunięciem 0 V. Obserwuj oba kanały na oscyloskopie. Wynik powinien być podobny do przedstawionego na rys 3.

Rys. 3. Wejście sprzężonego transformatorowo wzmacniacza mocy klasy A a napięcie wyjściowe.

Pytanie

1. W powyższym ćwiczeniu użyliśmy transformatora o przekładni 1:1. Spróbuj teraz zmienić współczynnik zwojów transformatora na 2:1. Co się stanie?

Odpowiedź można znaleźć na blogu StudentZone.

Autorzy: Antoniu Miclaus, Doug Mercer

Tłumaczenie i redakcja: Jarosław Doliński

Antoniu Miclaus jest inżynierem aplikacji systemowych w Analog Devices, gdzie pracuje nad programami akademickimi ADI, a także oprogramowaniem wbudowanym dla Circuits from the Lab®, automatyzacją QA i zarządzaniem procesami. Pracę w ADI rozpoczął w lutym 2017 roku w Cluj-Napoca w Rumunii. Obecnie posiada tytuł magistra inżyniera oprogramowania Uniwersytetu Babes-Bolyai oraz tytuł licencjata w dziedzinie elektroniki i telekomunikacji Uniwersytetu Technicznego w Kluż-Napoce.

Doug Mercer uzyskał tytuł B.S.E. w Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) w 1977 roku. Od momentu dołączenia do Analog Devices w 1977 r. przyczynił się bezpośrednio lub pośrednio do powstania ponad 30 produktów z zakresu konwerterów danych i posiada 13 patentów. W 1995 roku został mianowany na stanowisko ADI Fellow. W 2009 roku zrezygnował z pełnoetatowej pracy i kontynuował konsultacje w ADI jako emerytowany członek programu Active Learning. W 2016 roku został mianowany inżynierem rezydentem na wydziale ECSE w RPI.