مضخم إلكتروني

المضخم الإلكتروني هودائرة الكترونية تقوم بتكبير مطال الإشارات أوتوتر إشارة المدخل، فنحصل عند مخرج المضخم إشارة شبيهة بالإشارة الداخلة، ولكن بأضعاف قيمتها.

مثال تطبيقي لمضخم إلكتروني

مضخم إلكتروني في جهاز HiFi.

يتكون المضخم الإلكتروني من عدة أجزاء من ضمنها ترانسيستور واحد على الأقل أوصمام إلكتروني يقوم بمعالجة إشارة تناظرية بحيث تتضخم في صفاتها وتخرج مكبرة . ومن صفات المخرج أنه يُعطي قدرة أعلى من القدرة الداخلة . ويكتسب فرق القدرتين من مصدر كهربي، مثل بطارية أومصدر كهرباء كالمستخدم في البيوت . وتوجد مضخمات للتيار المستمر وبالتالي للجهد الثابت كما توجد مضخمات التيار المتردد وبالتالي الجهد المتردد .

من أبرز خواص المضخم الإلكتروني ما يسمى "بخطيته" Linearity ، بمعنى حتىقد يكون مقدار الإشارة الخارجة متناسبا مع مقدار الإشارة الداخلة تناسبا طرديا . أي تغير جهد المدخل إلى الضعف فيزيد جهد المخرج إلى الضعف . وحيود المضخم عن الخطية هوشيء لا رغبة لنا فيه لأنه يشوه الإشارات . من الممكن حتى تراكب ترددات مختلفة فيه لا توجد في الإشارة الداخلة، وهذا غير مستحب، حيث يعمل ذلك على شوشرة الأصوات الصادرة من مكبر صوت الراديومثلا .

ومن الممكن اختيار التضخيم بحيث لاقد يكون خطيا، فمثلا يمكن أنه نجعل التضخيم تضخيما "لوغاريتميا" ، ومذا ما تستخدمه السماعات ، وهذه خاصية أخرى له يمكن التحكم فيها .

طريقة عمله

شكل 1: مضخم إشارات ذوترانسيستور ثنائي أقطاب . الجهد الداخل Ue والجهد الخارج Ua متردد ، معامل التضخيم تيار في دائرة v = Ua/Ue . مصدر الكهرباء 12 فولط .

سنشرح طريقة عمل مضخم بالمثال الآتي لمضخم إشارات يعمل بفترة واحدة تتكون من ترانسيستور.

يتميز تضخيم الترانزيستور بتضخيم كبير عندماقد يكون في دائرة الباعث - ويكفي حتىقد يكون تيار الجامع IC نحو1 ميللي أمبير (عن طريق ضبط المقاومتين 7و4 كيلوأوم والمقاومة المتصلة بالأرض 1 كيلوأوم ). وعن طريق ربطة تيار يمكن التوصل إلى تثبيت نقطة التشغيل وجعلها لا تعتمد على درجة الحرارة (اختيار مقاومتي الدخول 47 كيلوأوم وعشرة كيلوأوم المتصلة بالأرضي). فيكون انخفاض الجهد عبر المقاومة 1 كيلوأوم بين الباعث والأرضي ( وهي الرموز السفلى المرتبطة بالأرض، أي يبلغ جهدها 0 فولط ) بالغا نحو1 فولط - ذلك لأن U_BE يمكن حتى يحيد بمقدار نحو06و0 فولط ويعتمد ذلك على نوع الترانزيستور وخصائصه الحرارية .

وكما هوفي الرسم يتعين جهد القاعدة بواسطة اختيار قيم مقاومتي موزع المقاومات (عند المدخل المقاومة الموصولة بالمصدر 47 كيلوأوم، والمقاومة الموصولة بالأرضيعشرة كيلوأوم). فيكون "جهد القاعدة"

{\displaystyle U_{B ={\frac {12\,\mathrm {V \cdot 10\,\mathrm {k \Omega {10\,\mathrm {k \Omega +47\,\mathrm {k \Omega =2{, 1\,\mathrm {V

ويجب حتى يختار التيار أسفل قاعدة الترانسيستور I_q حتىقد يكون كبيرا بالمقارنة إلى تيار القاعدة I_B الداخل. ويتحقق هذا الشرط باختيار ترانزيستور بخاصية I_C/I_B ≥ 100.

شكل 2 : مضخم لتردد معين قدره ثلاثة ميجاهيرتز

بالنسبة لمقاحل السيليكون تبلغ U_BE = 0,6 V, ولهذا يقع على "مقاومة القاعدة" جهد قدره 5و1 فولط، ويمر فيها تيار قدره 5و1 مللي أمبير - يسمى هذا التيار تيار الجامع. الجهد المتردد الداخل المراد تضخيمه يدخل القاعدة عن طريق مكثف له ممانعة صغيرة، ويخرج مكبرا المطال عند الجامع - أيضا عن طريق مكثف ذوممانعة صغيرة (10 ميكروفاراد) .

الدائرة في شكل 1 تكبر جميع الترددات بين 150 هيرتز و20 ميجا هيرتز. وبمقارة الشكل 1 والشكل 2 يتبين حتى مقاومة الجامع تحدد ذلك :

في الشكل 1 التضخيم على تردد الجهد الداخل، ويجب أختيار عناصر المضخم بحيثقد يكون جهد الجامع متوسطا (هنا نحوخمسة فولط ) بحيث يتساوى مطالي الموجة الخارجة (فوق وتحت) (إشارة : عدم تناظر مطال الجهد المتردد الخارج تؤدي إلى اختلال في الآداء.) ، ويتحدد نطاق التردد المرغوب عن طريق مكثفي الدخول والخروج .
في الشكل 2 استبدلت المقاومة الموصولة بالجامع بملف L ومكثف 100 بيكروفاراد (دائرة رنين) . في نفس الوقت اختير مكثف الدخول بسعة 100 بيكروفاراد . ويؤخذ الجهد المضخم من مكثف خروج سعته 20 بيكروفاراد . يؤدي ذلك إلى تكبير في حيز ضيق حول تردد الرنين ω₀ . نجد هنا حتى الدائرة الرنينية الموصولة على التوازي ذات مقاومة عالية، وينتج منها تضخيم كاف .

عندماقد يكون التردد الداخل منخفضا يعمل الملف على تأريض التيار، وإذا كان تردد الجهد الداخل عاليا يعمل المكثف على تأريض التيار . ويعتمد التضخيم وحيز التردد على كفاءة دائرة الرنين .

مبدأ عمل المضخم الإلكتروني

نطاق الخطية linéarité لتناسب جهد المخرج إلى جهد المدخل ، أما إذا وصل إلى التشبع (المنطقتين الأفقيتين) فتحدث شوشرة في التضخيم.

كلا المضخمان له "مقاومة باعث" مقدارها 1 كيلوأوم، وهي تعمل على تثبيت نقطة التشغيل ولا تدعها تتغير فيستقر عمل الترانزيستور. وبافتراض في حالة تيار مستمر انخفاض U_BE بسبب درجة الحرارة بمقدار 40 مللي فولط، فيرتفع بناء على ذلك الجهد عند "مقاومة الباعث " بمقدار 5و1 فولط مما يقلل من التكبير المرغوب "لتيار الجامع " . فمن دون هذا الربط الارتجاعي ([ارتجاع سلبي]]) هذا لانزاحت نقطة التشغيل إلى نطاق التشبع مما يحدث شوشرة كبيرة.

هذا الربط المعكوس (ارتجاع سلبي) للتيار المستمر يخفض أيضا تضخيم جهد متردد: للدائرة شكل 1قد يكون التضخيم 7و4 فقط، وهوالنسبة بين "مقاومة الجامع" إلى "مقاومة الباعث" . ويمكن تلافي ذلك عن طريق وصلة على التوالي مكونة من 100 أوم وعشرة ميكروفاراد وتوصل معها على التوازي . يحدد المكثف الحد الأدنى للتردد . وعندما تكون مقاومة المكثف صغيرة ( بالنسبة للشكل 1 عند ترددات في حيز الكيلوهيرتز مثلا) فيمكن حساب معامل التضخيم من نسبة "مقاومة الجامع " إلى "مقاومة الباعث" الفعالة للجهد المتردد ( توصيل 1 كيلوأوم مع 100 أوم على التوازي، أنظر الشكل 2) فيرتفع إلى 4700/91 = 52.

وعندما نستغني عن المقاومة 100 أوم ونربط المكثفعشرة ميكروفاراد من الباعث بالأرض مباشرة فلا يزيد التضخيم بلا حدود، وإنما يرتفع غلى نحو200 ، وهذا بسبب تأثيرات داخلية في الترانزيستور . ولكن يزدادعندئذ التشويش حيث حتى المقحل لا يعمل في تلك الحالة بصفته" الخطية " Linearity.

تصنيف ب

Class-B amplifier

Class-B push–pull amplifier

تصنيف ب للمضخم Class-B amplifiers يضخم نصف دورة الموجة الداخلة فقط، وتسبب بذلك في شوشرة، ولكن كفاءتها عالية . ويستخدم تصنيف ب في الأجهزة التي تعمل ببطارية مثل راديوترانزيستور . ويتميز هذا النوع من مضخمات الإشارات بأن لها أعلى كفاءة تكفلها الحسابات النظرية حيث تبلغ كفاءتها π/4 (أي 78.5%) . ذلك لأن الترانزيستور لا يعمل خلال جميع نصف دورة موجية . ولكن من النادر حتى يعمل عنصر ترانزستور واحد في جهاز، على الرغم من استخدامه احيانا لتشغيل مكبر صوت كما كان يستخدم في أوائل أيام الحاسوب الشخصي أي بي إم لانتاج أصوات التبيه، كما يمكن حتى يستخدم في مضخمات RF power amplifier حيث حتى الخلل الذي يحدثه ليس ذوشأن كبير . قد تستخدم تصنيف سي لهذا الغرض .

نظرا للكفاءة العالية لتصنيف ب للمضخم الإلكتروني فيمكن العمل بإثنين منهما بحيث يختص جميع عنصر منهما بتكبير نصف دورة، ثم يتجمع النصفان المكبران عند المخرج وتكتمل الدورة . هذا هوعمل دائرة تسمى فترة تبادل push–pull stage ، التي لها استخدامات كثيرة . نرى في الشكل المجاور نموذج لمضخم تناولي يعمل بمقحلين ويتميز بكفاءة عالية .

مراجع

^ Patronis, Gene (1987). "Amplifiers". In Glen Ballou (المحرر). Handbook for Sound Engineers: The New Audio Cyclopedia. Howard W. Sams & Co. صفحة 493. ISBN .
^ Harper, Douglas (2001). "Amplify". Online Etymology Dictionary. Etymonline.com. مؤرشف من الأصل في 05 سبتمبر 2017. اطلع عليه بتاريخعشرة يوليو2015.