Skillnaden mellan en spänningsförstärkare och en effektförstärkare

Förstärkare är elektroniska kretsar som ökar styrkan hos signaler. Hundratals olika förstärkararkitekturer finns, från enkla transistorkretsar till avancerade digitala system. En effektförstärkare och en spänningsförstärkare är två grundläggande designkoncept som förstärker signaler på olika sätt. Att förstå skillnaden mellan spänning och effekt samt deras tillämpningar gör det lättare att välja rätt typ för ett projekt.

Spänning och effekt

Spänning är den energi som driver elektroner genom ledningar och komponenter. Volt är den standardiserade enheten för spänning, definierad som potentialskillnaden som producerar en ampere genom en ohm. Ju högre energi, desto högre spänning. Multiplicerar man spänning med ström får man kretsens effekt, uttryckt i watt: en watt är en volt gånger en ampere. Effekten visar hur snabbt en krets levererar energi – kretsar som hanterar mer spänning och ström producerar fler watt.

Förstärkarkoncept

En förstärka kan liknas vid ett ventill som styrs av ett ingångssignal. När signalens våg ökar öppnas ventilen, som är ansluten till ett separat spänningsförsörjningssystem, och mer spänning leds till utgången. När vågen sjunker stängs ventilen och utgången får mindre spänning. Utgången, medan den är proportionellt större, är en spegelbild av ingången. Du använder en förstärka för att öka spänningen eller effekten av en svag ingångssignal. Är signalens effekt svag – använder du en effektförstärkare; är spänningen liten – använder du en spänningsförstärkare.

Effekt, effektivitet och värme

Inga kretsar är 100 % effektiva; en förstärka förlorar en del av sin effekt som värme. Effektiviteten varierar från cirka 20 % till 90 % eller mer. En förstärka med 80 % effektivitet som konsumerar 100 W släpper ut 20 W i värme. Värmeproblem är större för effektförstärkare än för spänningsförstärkare. Därför använder effektförstärkare robusta komponenter, kylfläktar och andra strategier för att undvika överhettning.

Komponenter

En transistor kombinerad med några resistorer och kondensatorer fungerar som en enkel förstärka. Vissa kretsar använder vakuumrör för kraft- eller spänningsförstärkning. Operationsförstärkare (op-amps) är integrerade kretsar som gör utmärkta spänningsförstärkare, men är för små för att hantera hög effekt. Effektförstärkare använder stora transistorer och andra komponenter för att klara den extra värmen utan att brinna upp. Dessa transistorer är ofta försedda med tunga metallkåpor som leder bort värme. Spänningsförstärkare använder mindre, plastbaserade transistorer som löper vid rumstemperatur.

Förstärkningsfaktor (gain)

Alla förstärkare ger en viss förstärkningsfaktor. Exempelvis ger en spänningsförstärka med gain 100 en 1 V utgång för en 10 mV ingång. Gain mäts också i decibel (dB). Decibelvärdet är den vanliga logaritmen av gainfaktorn multiplicerad med 10. Log10(100)=2, och 2×10=20 dB. Effektförstärkare har också gain, men designers anger ofta den maximala utgångseffekten. Därför används RMS‑värdet (root mean square) som den mest konservativa indikationen, följt av genomsnittlig och toppvärde. RMS‑värdet ger en tydlig bild av förstärkarens utgång över flera minuter; toppvärdet visar kortvarig kapacitet.

Applikationer

De flesta effektförstärkare driver högtalare och hörlurar – det krävs effekt för att driva högtalare till behagliga lyssningsnivåer. Radiotransmittorer använder också effektförstärkare för att skicka en stark signal till sändanten. Spänningsförstärkare är bäst för att förstärka mycket svaga signaler; de har inte tillräcklig effekt för att driva högtalare. Din mobiltelefon har två förstärkare: en spänningsförstärkare för att ta emot mobilradiosignaler och en effektförstärkare för att driva telefonens högtalare. En stereo­receiver har också två förstärkare av samma skäl.