Zaloguj się
Wszystkie
25 lutego 2025
51
Wzmacniacz operacyjny
W ramach piątego spotkania Juniorów EdW (EdW 11/2024, str. 83…90) zbudowaliśmy Wściekłego byka LED. Użyłeś wtedy nowego dla siebie elementu, wzmacniacza operacyjnego, a ściślej, dwóch takich wzmacniaczy zamkniętych w pojedynczej kości o symbolu LM358 (żółte trójkąty na schemacie). Nie napisałem wtedy zbyt wiele na temat samych wzmacniaczy operacyjnych. Wspominałem jedynie, że wzmacniacz operacyjny to układ elektroniczny, który wzmacnia różnicę napięć między dwoma wejściami, i który działa w sposób liniowy, z bardzo wysokim wzmocnieniem. Układ, który złożymy podczas dzisiejszych zajęć – Termo Strażak, dostępny w www.sklep.avt.pl pod nazwą AVTEDU649 (fotografia 1) – również opiera się na tej kości.
Jest on wyjątkowo prosty i wykorzystuje zaledwie jeden z dwóch dostępnych w tej kości wzmacniaczy operacyjnych. Wzmacniacz operacyjny (żółty trójkąt na schemacie) sam w sobie jest elementem bardzo uniwersalnym, i w zależności od jego konfiguracji (sposobu dołączenia do niego zewnętrznych komponentów oraz doboru ich wartości) potrafi pełnić w układach elektronicznych bardzo różne funkcje. Kilka podstawowych konfiguracji i zastosowań wzmacniaczy operacyjnych znajdziesz na liście poniżej:
- wzmacniacz nieodwracający – zwiększa napięcie wejściowe bez odwracania fazy,
- wzmacniacz odwracający – wzmacnia napięcie wejściowe i odwraca jego fazę,
- bufor (wtórnik napięciowy) – zapewnia wysoką impedancję wejściową i niską impedancję wyjściową bez wzmacniania sygnału,
- sumator – dodaje napięcia wejściowe w odpowiednich proporcjach,
- układ różnicowy – odejmuje jedno napięcie wejściowe od drugiego,
- filtr aktywny – może działać jako filtr dolnoprzepustowy, górnoprzepustowy, pasmowy lub zaporowy,
- komparator – porównuje dwa napięcia i zmienia stan wyjścia w zależności od ich wartości,
- generator sygnałów – może być wykorzystany do budowy generatora przebiegów prostokątnych, trójkątnych i innych,
- regulator PID (Proporcjonalno-Całkująco-Różniczkujący) – może stanowić część układu regulacji, np. w systemach automatyki.
Nie będę Cię w tym momencie zamęczał omawianiem każdej z wyżej wymienionych funkcji, chcę tylko pokazać, że ten konkretny komponent elektroniczny – wzmacniacz operacyjny – może mieć przeróżne zastosowania i pełnić bardzo różne role w zależności od wybranej aplikacji (polecamy „Praktyczny kurs op-ampów” w numerach archiwalnych EdW 3…12/2023 – dostępnych na www.ulubionykiosk.pl).
Komparator
W układzie Termo Strażaka wzmacniacz operacyjny pełni funkcję komparatora, a więc porównuje dwa napięcia i zmienia stan wyjścia w zależności od ich wartości. Schemat układu elektronicznego przedstawiono na rysunku 1.
Do wyjścia wzmacniacza operacyjnego (wyprowadzenie 1 układu LM358) podłączono równolegle trzy elementy: dwie diody LED oraz buzzer aktywny. Są one załączane bezpośrednio z wyjścia wzmacniacza, co ma prawo budzić wątpliwości. Niemniej na potrzeby zabawy i dla zachowania przejrzystości można ten układ uznać za wystarczający. Należy natomiast wspomnieć (co nie wynika wprost z listy elementów zamieszczonej w instrukcji dołączonej do zestawu), że obie zastosowane diody LED to diody migające, a buzzer aktywny akceptuje napięcie stałe o wartości 12 V. Z tego też powodu wszystkie trzy elementy sterowane są bezpośrednio z wyjścia wzmacniacza operacyjnego, a w obwodach diod LED brak rezystorów szeregowych (kontrolą prądu przepływającego przez diody LED zajmuje się zintegrowany w migającej diodzie LED układ sterujący).
Elementy podłączone do wyprowadzeń 1, 2 oraz 3 tego wzmacniacza operacyjnego definiują tryb jego pracy. Wyprowadzenie 1 stanowi wyjście wzmacniacza operacyjnego, załączające diody LED i buzzer. Jak widać na schemacie z rysunku 1, nie jest ono sprzężone z żadnym z dostępnych wejść. Istnieje więc pełna separacja pomiędzy wejściami a wyjściem wzmacniacza operacyjnego. Zmiany sygnału na wyjściu wzmacniacza operacyjnego nie powodują zmian na żadnym z wejść wzmacniacza operacyjnego. Oznacza to, że układ wzmacniacza operacyjnego pracuje tu jako komparator.
Zadaniem komparatora jest porównywanie dwóch napięć podawanych na jego wejścia. Zauważ proszę, że jedno z tych wejść oznaczone jest znakiem „+”. W taki sposób oznaczane jest wejście nieodwracające. Drugie wejście oznaczone jest znakiem „–” i jest to wejście odwracające. Dlaczego oznaczone są one w różny sposób i jaka jest pomiędzy nimi różnica?
Wejście nieodwracające („+”): jeśli napięcie na tym wejściu jest wyższe niż na wejściu odwracającym („–”), to wyjście przechodzi w stan wysoki (bliski napięciu zasilania). Oznacza to, że napięcie wejściowe „+” bezpośrednio wpływa na wynik porównania – im większe, tym bardziej skłania komparator do ustawienia wyjścia na poziom wysoki.
Wejście odwracające („–”): jeśli napięcie na tym wejściu jest wyższe niż na wejściu nieodwracającym („+”), to wyjście przechodzi w stan niski (bliski 0 V). Oznacza to, że wyższe napięcie na tym wejściu powoduje „odwrócenie” wyniku – wyjście przechodzi w stan niski.
W praktyce, dla większości przypadków, na wejściu odwracającym „–” wygodnie będzie ustawić napięcie odniesienia, z którym komparator będzie porównywał napięcie podawane na wejście nieodwracające „+”.
Na schemacie z rysunku 1 można zobaczyć, że na wejście odwracające komparatora podłączony jest ślizgacz potencjometru, a więc trzecia jego elektroda, która podczas strojenia potencjometru może poruszać się po całym jego zakresie rezystancyjnym. Ten zakres dostępny jest pomiędzy dwiema pozostałymi elektrodami tego potencjometru. Są one podłączone pomiędzy „plusowy” i „minusowy” biegun zasilania. Co daje takie podłączenie potencjometru? Otóż pozwala ono ustawić na ślizgaczu potencjometru dowolne napięcie z zakresu od 0 V aż do napięcia bliskiego 9 V, dostarczanego przez zastosowaną baterię. Innymi słowy, za pomocą potencjometru PR1 jesteśmy w stanie na wejściu odwracającym wzmacniacza operacyjnego ustawić dowolne napięcie odniesienia z przedziału 0 V…9 V. Mamy więc pełną swobodę regulacji napięcia odniesienia. Spójrz teraz na schemat, by przekonać się, co jest podłączone na wejście nieodwracające.
Jak już pewnie zauważyłeś, na wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego podane zostało napięcie z dzielnika złożonego z szeregowo połączonych termistora NTC o wartości 10 kΩ, oznaczonego na schemacie jako R2 oraz rezystora R1 o wartości 1 kΩ. Skrajne wyprowadzenia dzielnika, zostały wpięte, od strony termistora R2 do „plusa” zasilania, a od strony rezystora R1 do „minusa” zasilania. Termistor NTC to rodzaj rezystora, którego rezystancja zależy od temperatury otoczenia. Opowiem Ci o nim za chwilę. W tej chwili ważne jest jedynie to, abyś widział że na wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego zostało podane napięcie panujące pomiędzy elementami R1 oraz R2, czyli na dzielniku napięcia utworzonego tymi elementami.
Podsumowując: za pomocą PR1 można ustawić dowolne napięcie odniesienia z przedziału od 0 V do 9 V. Gdy napięcie na dzielniku złożonym, z elementów R2 i R1 osiągnie taką samą (lub większą) wartość jak napięcie odniesienia, wyjście komparatora zostanie załączone i pojawi się na nim napięcie dodatnie względem zera i bliskie napięciu zasilania (bez obciążenia jest to około 8 V).
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
