Zaloguj się
Wszystkie
28 lipca 2023
635
Prostowanie napięć zmiennych
Dotychczas zajmowaliśmy się zastosowaniami op-ampa jako wzmacniacza, generatora sygnału, komparatora i detektora. Teraz przybliżymy Ci ważny obszar zastosowań współczesnych opampów: prostowanie i wszystko, co z nim związane.
Zabieramy się za prostowanie!
Ogólnie rzecz biorąc, prostowanie oznacza przekształcanie napięcia zmiennego w napięcie stałe. Można to zrobić na różne sposoby. Wszystkie metody mają swoje konkretne zastosowania, które poznamy w kolejnych eksperymentach.
Kto mówi prostowanie, myśli o diodzie. Dioda to rzeczywiście element elektroniczny, który idealnie nadaje się do prostowania napięć zmiennych. Dioda jest rodzajem zaworu: jeśli katoda jest bardziej ujemna niż anoda, element przewodzi. Jeśli napięcie się odwróci, dioda nie przewodzi. Dioda jest więc rodzajem przełącznika, który otwiera się lub zamyka w zależności od biegunowości przyłożonego napięcia. Na rysunku poniżej przedstawiono najprostszą wersję prostownika. Do anody diody jest doprowadzony sygnał wejściowy Uin. Wraz z rezystorem obciążenia R1 dioda tworzy obwód szeregowy pomiędzy wejściem a masą. Na styku tych dwóch elementów uzyskujemy napięcie wyjściowe.
Działanie obwodu
Jeżeli napięcie wejściowe jest dodatnie, to dioda przewodzi. Rzeczywiście, anoda jest wtedy dodatnia w stosunku do katody i przez obwód płynie prąd Id. Prąd ten daje spadek napięcia na rezystorze R1, który jest napięciem wyjściowym prostownika. Kiedy napięcie wejściowe staje się ujemne, dioda nie przewodzi. Nie płynie prąd, nie powstaje napięcie na R1, napięcie wyjściowe wynosi zero. Tak więc na wyjściu pojawiają się tylko dodatnie połówki napięcia wejściowego.
Niedoskonała dioda
Dioda nie jest jednak idealnym przełącznikiem. W odcinku „Op-amp jako wzmacniacz nieliniowy” zmierzyłeś charakterystykę prądowo-napięciową diody i okazało się, że jest ona nieliniowa. W rzeczywistości, dla małych napięć dodatnich, nie ma prawdziwego przewodzenia. Dioda ma bardzo duży opór wewnętrzny i ten opór tworzy z R1 dzielnik napięcia. Ri diody jest znacznie większe niż R1, więc prawie żadne z małych dodatnich napięć wejściowych nie pojawia się na wyjściu. W miarę wzrostu napięcia wejściowego Ri diody maleje. Dopiero przy napięciu około 1 V można powiedzieć, że napięcie wyjściowe jest wprost proporcjonalne do napięcia wejściowego. Ponadto na przewodzącej diodzie jest spadek napięcia około 0,7 V, więc nigdy nie może być mowy o odzyskaniu niezniekształconego napięcia wejściowego na wyjściu.
Do zastosowań w prostownikach zasilaczy dioda jest idealna. Napięcia prostowane są duże, spadek napięcia na diodzie co prawda zmniejsza nieco sprawność prostownika, ale uznajemy to za oczywiste.
Op-amp jako idealna dioda
Prostowanie małych napięć AC
Inaczej wygląda sytuacja, gdy na przykład chcemy wyprostować napięcie wyjściowe przedwzmacniacza o niskiej częstotliwości (rząd wielkości 100 mV) do wysterowania dB-metru lub tłumika szumów. Wtedy nie da się nic zrobić ze schematem z rysunku powyżej. Wtedy włącza się op-ampa, zbawcę wszystkich potrzeb! Schemat idealnej diody jest narysowany na rysunku poniżej i powinieneś go zbudować w takiej postaci w swoim eksperymencie.
Napięcie wejściowe
Na wejściu powinieneś mieć do dyspozycji napięcia z zakresu od +1 V do –1 V. Możesz ponownie użyć dwóch baterii 1,5 V, zmostkowanych potencjometrem 10 kΩ.
Wyniki pomiarów
Będziesz oczywiście mierzył, co osiągniesz z tego napięcia wejściowego na wyjściu.
Jeśli będziesz zwiększał napięcie wejściowe w krokach co 0,1 V od –1 V do +1 V, zauważysz, że dla ujemnych napięć wejściowych nie pojawia się żadne napięcie wyjściowe, a dla dodatnich napięć wejściowych na wyjściu mierzona jest taka sama wielkość jak na wejściu. Idealna dioda jest więc rzeczywistością! Brak napięcia na wyjściu dla ujemnych napięć wejściowych, pełne sprzężenie zwrotne (z dokładnością do miliwoltów) dla dodatnich wartości napięcia wejściowego! Wyniki swoich pomiarów mógłbyś nanieść na wykresie, jak na rysunku poniżej.
Dziwne zjawisko
Teraz powtórz eksperymenty, ale zmierz napięcie w punkcie pomiarowym M3, czyli na wyjściu op-ampa. Tam nagle zobaczysz, że przy ujemnym napięciu wejściowym następuje skok napięcia do –10 V, patrz wykresy poniżej. Jak do tego dochodzi, wynika z wyjaśnienia działania układu.
Działanie układu
Dodatnie napięcie wejściowe powoduje powstanie dodatniego napięcia na nieodwracającym wejściu op-ampa. Wyjście zatem również staje się dodatnie, anoda D1 staje się dodatnia w stosunku do katody, dioda przewodzi. Ujemne wejście op-ampa jest podłączone do katody. Op-amp, jak zawsze, zniweluje różnicę napięć między dwoma wejściami. Jeśli na wejściu dodatnim jest napięcie +2 V, to wejście ujemne również będzie dążyło do tego potencjału. Wyjście podąża za wejściem, op-amp działa właściwie jako bufor.
Teraz ustaw ujemne napięcie wejściowe. Wejście nieodwracające staje się ujemne, wyjście op-ampa podąża za nim. Jednakże dioda teraz nie przewodzi. Napięcie wyjściowe układu pozostaje zerowe. Ale nieprzewodząca dioda przerywa sprzężenie zwrotne między wyjściem a wejściem odwracającym. Op-amp jest wtedy przełączany jako komparator. Małe ujemne napięcie na wejściu nieodwracającym jest wzmacniane tysiące razy i na wyjściu op-ampa ustala się napięcie bliskie ujemnemu zasilaniu.
Ograniczenie częstotliwości
Te znaczne skoki napięcia na wyjściu op-ampa oznaczają, że zakres częstotliwości tej idealnej diody jest raczej ograniczony. W końcu op-amp nie przełącza się z –12 V na +1 V nieskończenie szybko, to wymaga czasu. Jeśli więc do wejścia tego układu przyłożyć coraz większą częstotliwość, to przy pewnej częstotliwości napięcie na wyjściu op-ampa całkowicie nie będzie nadążać. Op-amp nie będzie już wtedy w stanie przełączyć swojego wyjścia z dużej wartości ujemnej z powrotem na małą wartość dodatnią w ograniczonym czasie. Układ przestaje wtedy działać. Dalej przedstawimy jednak układy, które nie mają tej wady.
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
