Rozdíly mezi výkonovým zesilovačem a zesilovačem napětí

Zesilovače jsou elektronické obvody, které zvyšují sílu signálů. Existují stovky různých konstrukcí – od jednoduchých jednojádrových tranzistorových obvodů až po složité digitální systémy. Výkonový zesilovač a napěťový zesilovač představují dva typy, které zesilují signál odlišnými způsoby. Porozumění rozdílu mezi napětím a výkonem a jejich praktickému využití vám pomůže vybrat správný typ zesilovače pro váš projekt.

Napětí a výkon

Napětí v obvodu představuje energii, která pohání elektrické náboje skrze vodiče a součástky. Jednotkou napětí je volt, definovaný jako rozdíl potenciální energie, který při odporu jednoho ohmu vytvoří proud jeden ampér. Čím vyšší je energie, tím vyšší je napětí. Výkon (ve wattech) získáme vynásobením napětí proudem – jeden watt je jeden volt krát jeden ampér. Výkon udává, jak rychle obvod dodává energii; vyšší napětí i proud vedou k vyššímu výkonu.

Principy zesilovače

Zesilovač lze představit jako ventil řízený vstupním signálem. Když se amplituda vstupní vlny zvyšuje, ventil napájený nezávislým napájecím zdrojem se otevírá a propouští více napětí na výstup. Klesá-li amplituda, ventil se uzavírá a výstupní napětí klesá. Výstupní signál je tedy proporciálně větší, ale zachovává tvar vstupního signálu. Zesilovač používáme k zvýšení napětí nebo výkonu slabého signálu – pokud je výkon slabý, volíme výkonový zesilovač; pokud je napětí malé, použijeme napěťový zesilovač.

Výkon, účinnost a teplo

Žádný obvod není 100 % účinný, takže část vstupní energie se promění v teplo. Účinnost různých konstrukcí se pohybuje od zhruba 20 % až po 90 % a více. Například zesilovač s účinností 80 % a spotřebou 100 W vyprodukuje 20 W tepla. Pro napěťové zesilovače je tento problém menší, ale u výkonových zesilovačů je kritický – používají robustní součástky, chladiče a ventilátory, aby se předešlo přehřátí.

Součásti

Jednoduchý zesilovač může tvořit tranzistor s několika odpory a kondenzátory. Pro vyšší výkon se někdy používají vakuové lampy. Integrované obvody typu operační zesilovač (op‑amp) jsou vynikající napěťové zesilovače, ale jsou příliš malé pro výkonové aplikace. Výkonové zesilovače používají velké výkonné tranzistory v kovových pouzdrech, která odvádějí teplo. Napěťové zesilovače využívají menší plastové tranzistory, které pracují při pokojové teplotě.

Zisk

Všechny zesilovače poskytují určitý zisk (amplifikační faktor). Například napěťový zesilovač se ziskem 100 vygeneruje výstup 1 V při vstupu 10 mV. Zisk se často uvádí v decibelech (dB) – dB = 10·log₁₀(zisk). Log₁₀(100)=2, tedy 20 dB. Výkonové zesilovače mají také zisk, ale jejich hlavní parametr je maximální výstupní výkon, udávaný jako RMS (root‑mean‑square), průměr nebo špičkový výkon. RMS hodnota poskytuje realistický odhad výkonu během delšího provozu, zatímco špičkový výkon ukazuje krátkodobou maximální kapacitu.

Aplikace

Výkonové zesilovače pohánějí reproduktory a sluchátka, protože k dosažení slyšitelné úrovně zvuku je potřeba výkon. Používají se také v rádiových vysílačích pro posílení signálu před anténou. Napěťové zesilovače se hodí k zesílení velmi slabých signálů, ale nemají dostatek výkonu k řízení reproduktorů. V mobilním telefonu najdete dva zesilovače – napěťový pro příjem rádiového signálu a výkonový pro pohon reproduktoru. Stejně tak stereo zesilovač obsahuje oba typy pro zpracování vstupního signálu a jeho reprodukci.