Меню

Регулировка тока операционным усилителем



Схемы стабилизаторов напряжения и тока

Стабилизированные источники питания необходимы для обеспечения независимости параметров электронного устройства от изменений питающего напряжения. Практически в любой современной аппаратуре имеется стабилизатор напряжения, а то и несколько. В таких устройствах часто применяются операционные усилители ( ОУ ), с помощью которых решить эту задачу просто и эффективно с точностью регулировки и стабильности в диапазоне 0,01…0,5 %, причём ОУ легко встраивать в традиционные стабилизаторы напряжения и тока.
Простейший стабилизатор напряжения представляет собой усилитель постоянного тока, на вход которого подано постоянное напряжение стабилитрона или часть его. Нагрузочная способность такого стабилизатора определяется силой максимального выходного тока ОУ.
Следящие стабилизаторы, как правило, работают на принципе сравнения опорного и выходного напряжений, усиления их разности и управления электропроводностью регулирующего транзистора.

Стабилизатор по схеме Рис.1 выдаёт напряжение Uвых большее, чем опорное напряжение стабилитрона VD1, а стабилизатор Рис.2 – меньшее. Стабилизаторы питаются от одного источника. С помощью эмиттерного повторителя VT2 увеличивают ток нагрузки, в нашем примере – до 100 мА, но можно и более с составным повторителем на мощном транзисторе.

Транзистор VT1 защищает выходной транзистор VT2 от перегрузок по току, причём датчиком тока служит резистор R8 небольшого сопротивления, включённый в цепь эмиттера транзистора VT2. Когда падение напряжения на нём превысит Uб-э=0,6 В, откроется транзистор VT1 и зашунтирует эмиттерный переход транзистора VT2. При токах нагрузки до 10…15 мА резисторы R7, R8 и транзисторы VT1, VT2 можно не ставить. Отметим, что в стабилитронах по схемам на Рис.1, 2 входное напряжение не должно превышать максимально допустимой суммы напряжений питания.

На Рис.3а приведена схема подобного стабилизатора в котором ОУ включён таким образом, что он сам питается стабилизированным напряжением. Здесь дополнительно включены несколько элементов, улучшающих работу стабилизатора напряжения. Потенциал выхода ОУ DA1 смещён в сторону положительного напряжения с помощью стабилитрона VD3 и транзистора VT1. Выходной эмиттерный повторитель – составной ( VT2, VT3 ), а к базе защитного транзистора VT4 подключён делитель R4R5, что позволяет создать “падающую” характеристику ограничения тока перегрузки. Ток короткого замыкания не превышает 0,3 А.

Термокомпенсированный источник опорного напряжения выполнен на микросхеме К101КТ1А (DA2). Выходное напряжение стабилизатора, равное +15В, изменяется всего на 0,0002 % при изменении входного напряжения в пределах 19…30 В; при изменении тока нагрузки от нуля до номинального выходное напряжение падает лишь на 0,001%. В этом стабилизаторе подавление пульсаций входного напряжения частотой 100 Гц составляет 120 дБ. К достоинствам стабилизатора следует отнести также и то, что в отсутствии нагрузки потребляемый ток составляет около 10 мА. При скачкообразном изменении тока нагрузки выходное напряжение устанавливается с погрешностью 0,1% за время не более 5 мкс.

Практически нулевые пульсации напряжения на выходе может обеспечить стабилизатор по схеме Рис.4. Если движок переменного резистора R1 находится в верхнем (по схеме) положении, амплитуда пульсаций максимальна. По мере перемещения движка вниз амплитуда будет уменьшаться, так как напряжение пульсаций, поданное на инвертирующий вход ОУ через конденсатор С2, в противофазе складывается с выходным напряжением пульсаций. Примерно в среднем положении движка резистора R1 пульсации будут компенсированы.
В случае необходимости получения отрицательного выходного напряжения необходимо в качестве повторителя применить p-n-p транзистор, а также заземлить положительную шину питания ОУ. Но можно поступить по-другому, если в аппаратуре требуются стабилизированные напряжения разной полярности.

На Рис.5 приведены две упрощённые схемы соединения стабилизаторов для получения выходных напряжения разного знака. В первом случае входная и выходная цепи имеют общую шину. Пусть, например, имеются только положительные стабилизаторы. Тогда в стабилизаторе по второй схеме можно применить, если оба канала по входным цепям гальванически развязаны, чтобы можно было заземлять положительный полюс нижнего (по схеме) стабилизатора. Источником опорного напряжения для одного из каналов служит стабилитрон, а для второго – выходное напряжение первого стабилизатора. Для этого необходимо включить делитель из двух резисторов между выводами +Uст и -Uст стабилизаторов и подвести напряжение средней точки делителя к неинвертирующему входу ОУ второго стабилизатора, заземлив инвертирующий вход ОУ. Тогда выходные напряжения двух стабилизаторов ( несимметричные в общем случае ) связаны и регулирование напряжений осуществляется одним переменным резистором.

В случае если необходимо иметь два питающих напряжения с заземлённой средней точкой, то можно применить активный делитель на ОУ с повторителями для увеличения нагрузочной способности (Рис. 6). Если R1=R2, то равны и выходные напряжения относительно заземлённой средней точки. Через выходные транзисторы VT1 и VT2 протекают полные токи нагрузки, а падение напряжения на участках коллектор – эмиттер равны половине входного напряжения. Это надо иметь в виду при выборе радиаторов охлаждения.

Ключевые стабилизаторы напряжения зарекомендовали себя наилучшим образом с точки зрения экономичности, так как КПД таких устройств всегда высокий. Несмотря на их сложность по сравнению с линейными стабилизаторами, только за счёт уменьшения размеров теплоотводящего радиатора проходного транзистора ключевой стабилизатор позволяет уменьшить габариты регулируемого мощного источника питания в два – три раза. Недостаток ключевых стабилизаторов заключается в повышении уровня помех. Однако рациональное конструирование, и когда весь блок выполнен в виде экранированного модуля с расположенной непосредственно на теплоотводе мощного транзистора платой управления, позволяет свести помехи к минимуму. Устранить “пролезание” высокочастотных помех в нестабилизированный источник первичного питания и нагрузку можно путём включения последовательно радиочастотных дросселей, рассчитанный на постоянный ток 1…3 А. В ключевых стабилизаторах напряжения с успехом применяются интегральные компараторы.

На Рис. 7 приведена схема релейного стабилизатора на базе микросхемы К554СА2. Здесь компаратор DA1 работает от источников напряжения +12 и -6 В. Эта комбинация образована подключением вывода 11 положительного питания DA1 к эмиттеру транзистора VT1 (+18 В), вывода 2 – к стабилитрону VD6 (примерно +6 В), вывода 6 отрицательного питания – к нулевому потенциалу общей шины. Опорное напряжение стабилизатора формируется диодами VD3 – VD5, оно равно +4,5 В. Это напряжение подаётся на инвертирующий вход компаратора DA1, включённого по схеме детектора уровня с гистерезисной характеристикой из-за положительной обратной связи по цепи R5, R3. Цепь отрицательной обратной связи замыкается через усилительный транзистор VT2, ключевой элемент на транзисторах VT3, VT4 и фильтр L1C7. Глубину отрицательной обратной связи по выходному напряжению регулируют переменным резистором R4, в результате оно изменяется в пределах 4…20 В при минимальном входном нестабилизированном напряжении +23 В и максимальном – до +60 В с применением элементов, рассчитанных на такое напряжение. В то же время переменная составляющая выходного напряжения ( пульсации ) проходят без ослабления через конденсатор С4, поэтому регулирование выходного напряжения не приводит к пропорциональному изменению пульсаций.
Данный стабилизатор напряжения относится к числу автогенерирующих, когда в зависимости от входного напряжения и тока нагрузки, разряжающего накопительный конденсатор C7, автоматически меняется как период автоколебаний, так и время включённого состояния транзисторов VT3, VT4. Усилитель управления на компараторе DA1 и транзисторе VT2 открывает ключевой элемент в тот момент, когда потенциал инвертирующего входа станет меньше, чем потенциал неинвертирующего (опорного) входа. В этот момент напряжение на нагрузке падает несколько ниже заданного уровня стабилизации, т.е пульсирует. После включения транзисторов VT3, VT4 ток через дроссель L1 нарастает, его индуктивность и конденсатор С7 запасает энергию, так что потенциал инвертирующего входа повышается. Благодаря действию усилителя управления ключевой элемент закрывается. Затем фильтр L1C7 отдаёт некоторую часть запасённой энергии в нагрузку, причём полярность напряжения на дросселе L1 меняется и цепь питания замыкается через диод VD7. Как только напряжение на конденсаторе С7 станет ниже опорного на величину гистерезиса, вновь включаются транзисторы VT3, VT4. Далее циклы повторяются.

В качестве дросселя L1 можно применить дроссели фильтров промышленного изготовления, например из серий Д8, Д5 – плоские и др., среди которых выбирают типономинал с требуемой индуктивностью, рассчитанный на ток подмагничивания не менее ожидаемого тока нагрузки и пригодный к использованию на частотах до 50 кГц.
Диод VD7 должен быть обязательно быстродействующим с большим допустимым импульсным током, не менее удвоенного значения тока нагрузки. В стабилизаторе по схеме на Рис. 7, где ток нагрузки 2 А, возможна замена его на диоды КД212Б, КД217А и некоторые другие. Конденсатор С7 из ряда К53 или танталовый типов К52-7А, К52-9, К52-10, С9 – ёмкостью не менее 15,…2,2 мкФ.
Большая потребность в стабилизаторах для питания аппаратуры привела к необходимости разработки и производства специальных линейных микросхем – стабилизаторах напряжения. В интегральном исполнении преобладают последовательные регуляторы с непрерывным или импульсным режимом управления. Стабилизаторы строятся как для положительных так и для отрицательных напряжений питания. Выходное напряжение может быть регулируемым или фиксированным, например +5 В для питания блоков с цифровыми микросхемами или ±15 В для питания аналоговых микросхем. К данной группе из выпускаемых стабилизаторов относятся категория регулируемых стабилизаторов КР142ЕН1 и К142ЕН2.

На базе микросхем КР142ЕН1,2 можно создавать стабилизаторы отрицательных напряжений Рис. 8. При этом стабилитрон VD1 смещает уровень напряжения на выводе 8 относительно входного напряжения. Базовый ток транзистора VT1 не должен превышать максимально допустимого тока стабилизатора, иначе следует применить составной транзистор.

Широкие возможности микросхем КР142ЕН1,2 позволяют создавать на их основе релейные стабилизаторы напряжения (Рис. 9). В таком стабилизаторе опорное напряжение установлено делителем R4R5, а амплитуда пульсаций выходного напряжения на нагрузке задаётся делителем R2R3. Следует также иметь в виду, что ток нагрузки не может изменяться в широких пределах, обычно не более чем в два раза от номинального значения. Преимуществом релейных стабилизаторов является высокий КПД.

Также следует рассмотреть ещё один класс стабилизаторов – стабилизаторов тока, преобразующих напряжение в ток независимо от изменения напряжения нагрузки. Мощные источники тока предусматривают подключение к ОУ усилительных транзисторов.

На Рис.10 дана схема источника тока, а на Рис. 11 – схема приёмника тока. В обоих устройствах сила тока зависит от напряжения Uвх и номинала резистора R1, чем меньше входной ток ОУ и тем меньше ток управления первого (после ОУ) транзистора, который выбран поэтому полевым. Ток нагрузки может достигать 100 мА.

Схема простого мощного источника тока для зарядки устройства показана на Рис. 12. Здесь R4 – токоизмерительный проволочный резистор. Номинальное значение тока нагрузки Iн =ΔU/R4=5 A устанавливается примерно при среднем положении движка резистора R1. При зарядке автомобильной аккумуляторной батареи напряжение Uвх ≥ 18 В без учёта пульсаций выпрямленного переменного напряжения. В таком устройстве следует применять ОУ с диапазоном входного напряжения вплоть до напряжения положительного питания. Такими возможностями обладают ОУ К553УД2, К153УД2, К153УД6, а также КР140УД18.
Более подробно по данной тематике можно найти в источнике:

В ПОМОЩЬ РАДИОЛЮБИТЕЛЮ” выпуск 91, МОСКВА издательство ДОСААФ СССР, 1985 стр. 39-53

Читайте также:  В цепи переменного тока с активным сопротивлением колебания напряжения

Источник

Как контролировать ток с помощью операционного усилителя, биполярного транзистора и трех резисторов

Данная статья объясняет работу умной схемы, которая точно измеряет ток источника питания.

Прежде всего, я должен признать, что заголовок немного вводит в заблуждение. Схема, представленная в данной статье, действительно требует только операционного усилителя, транзистора и трех резисторов. Однако она не является самостоятельным контроллером тока в том смысле, что она не измеряет ток и не инициирует действия, основанные на этих измерениях. Поэтому, возможно, «измеритель тока» будет более точным названием, чем «контроллер тока», но даже «измеритель тока» – не совсем корректное название, так как схема не записывает значения тока или не преобразует их в визуальную индикацию.

В конечном счете, я полагаю, что данная схема представляет собой нечто большее, чем «преобразователь ток-напряжение», но имейте в виду, что она преобразует ток в напряжение таким образом, который совместим с приложениями мониторинга потребляемого тока. Поэтому, может быть, мы должны назвать ее «преобразователь тока в напряжение для приложений мониторинга подачи тока от источника питания» («current-to-voltage converter for power-supply-current-delivery-monitoring applications», или аббревиатура CTVCFPSCDMA). Идеально.

Зачем?

Существуют различные ситуации, в которых вы, возможно, захотите измерить ток, потребляемый вашим проектом. Возможно, вы хотите динамически настроить работу одной подсистемы на основе потребления тока другой подсистемы. Возможно, вы пытаетесь оценить срок службы аккумулятора или подобрать минимально возможную микросхему регулятора, которая может обеспечить достаточный выходной ток. Вы даже можете использовать записанные измерения потребления тока как способ с минимальным вмешательством для отслеживания переходов микроконтроллера между состояниями низкого и высокого потребления электроэнергии.

Как обсуждалось выше, данная схема преобразует ток в напряжение. Это может удовлетворить ваши требования к мониторингу тока, если всё, что вам нужно сделать, – это вручную наблюдать за потреблением тока с помощью мультиметра или осциллографа. Я полагаю, вы могли бы даже записывать и анализировать свои измерения потребления тока с помощью устройства сбора данных и некоторого соответствующего программного обеспечения.

Если вам нужна более автономная схема в смысле возможности записывать и/или реагировать на потребление тока, вы, вероятно, захотите оцифровать измерения с помощью микроконтроллера. Если требуется только базовый функционал, и у вас нет других потребностей в процессоре, вы можете использовать компаратор или аналоговый детектор диапазона пороговых напряжений.

Схема

CTVC. представленный в данной статье, основан на схеме, найденной в руководстве к применению под названием «Op Amp Circuit Collection», опубликованном (в далеком 2002 году) компанией National Semiconductor. Моя версия выглядит так:

Преобразователь тока в напряжение. Схема электрическая принципиальная Преобразователь тока в напряжение. Схема электрическая принципиальная

И моя реализация схемы в LTspice:

Преобразователь тока в напряжение. Схема в LTspice Преобразователь тока в напряжение. Схема в LTspice

На первый взгляд схема может показаться немного запутанной, но ее работа довольно проста:

  • Ток протекает от источника питания к нагрузке через резистор R1. R1 работает как типовой резистор датчика тока (токовый шунт), и, как и другие токовые шунты, он имеет очень низкое сопротивление, чтобы уменьшить рассеивание мощности и минимизировать его влияние на измерения и схему нагрузки.
  • Напряжение, подаваемое на неинвертирующий вход операционного усилителя, равно напряжению источника питания минус (ток источника питания × R1).
  • Не позволяйте PNP транзистору отвлекать вас от того факта, что операционный усилитель на самом деле охвачен петлей отрицательной обратной связи. Наличие отрицательной обратной связи означает, что мы можем применить принцип виртуального замыкания, т.е. можно предположить, что напряжение на инвертирующем входе равно напряжению источника питания минус (ток источника питания × R1).
  • Поскольку верхние выводы R1 и R2 подключены к источнику питания, предположение виртуального замыкания говорит нам о том, что на обоих этих резисторах появляется одинаковое напряжение, и, следовательно, ток через R2 равен току через R1. В схеме LTspice, показанной выше, R2 в 1000 раз больше, чем R1, а это означает, что ток через R2 будет в 1000 раз меньше тока через R1.
  • Ток базы биполярного транзистора очень мал, поэтому можно сказать, что ток через R3 более или менее равен току через R2. Таким образом, мы используем R3 для получения напряжения, которое прямо пропорционально току через R2, который, в свою очередь, прямо пропорционален току через R1.

Схема, приведенная ниже, должна помочь понять это объяснение:

Преобразователь тока в напряжение. Принцип действия Преобразователь тока в напряжение. Принцип действия

Как вы можете видеть, окончательная формула Vвых представляет собой:

Что именно делает PNP транзистор?

Вы можете думать о транзисторе либо как о регулируемом клапане, который позволяет операционному усилителю увеличивать или уменьшать ток, протекающий через R2 и R3, либо как об устройстве с переменным падением напряжения, которое операционный усилитель может использовать для установки правильного напряжения в точке Vвых. В обоих случаях конечный результат один и тот же: транзистор является средством, с помощью которого операционный усилитель может заставить напряжение на инвертирующем входе равняться напряжению на неинвертирующем входе.

Транзистор действительно является самой интересной частью данной схемы. Мы часто используем биполярные транзисторы в приложениях «включить или выключить», и важно понимать, что ситуация в данной схеме совершенно иная. Операционный усилитель (конечно с помощью отрицательной обратной связи) на самом деле делает небольшие точные подстройки напряжения эмиттер-база (VЭБ) биполярного транзистора. На следующем графике показано напряжение VЭБ для диапазона токов нагрузки (соответствующих сопротивлениям нагрузки от 50 до 300 Ом).

Зависимость напряжения эмиттер-база транзистора от сопротивления нагрузки Зависимость напряжения эмиттер-база транзистора от сопротивления нагрузки

Обратите внимание, что все эти напряжения близки к типовому порогу открытия (

0,6 В) для кремниевого PN перехода. Это говорит о том, что операционный усилитель очень тщательно согласовывает пороговую область биполярного транзистора, чтобы обеспечить требуемые (и относительно большие) изменения падения напряжения эмиттер-коллектор. Весь диапазон значений VЭБ составляет всего

50 мВ, зависимость изменения напряжения эмиттер-коллектор, равного

4 В, от изменения напряжения эмиттер-база, равного

50 мВ, приведена ниже:

Зависимость напряжения эмиттер-коллектор от напряжения эмиттер-база Зависимость напряжения эмиттер-коллектор от напряжения эмиттер-база

Эффективность

Реальные реализации данной схемы конечно будут иметь источники ошибок, которые приведут к тому, что связь между током нагрузки и выходным напряжением отклонится от приведенной выше идеальной формулы. Даже схема LTspice не совсем идеальна из-за реалистичного поведения, реализованного в модели биполярного транзистора (и, возможно, в модели операционного усилителя). Однако, если у вас есть резисторы высокой точности и хороший операционный усилитель, я думаю, эта схема может быть довольно точной. Следующий график показывает смоделированную ошибку в том же диапазоне сопротивлений нагрузки (помните, что «V_collector» совпадает с Vвых).

Зависимость выходного напряжения схемы от сопротивления нагрузки при моделировании ошибки Зависимость выходного напряжения схемы от сопротивления нагрузки при моделировании ошибки

Два графика почти идеально совпадают, что указывает на хорошую точность. Обратите внимание, как оранжевый график заметно ниже, чем синий, при наименьшем значении сопротивления нагрузки; это обусловлено тем, что сопротивление нагрузки 50 Ом соответствует выходному напряжению 5 В, но Vвых не может быть ровно 5 В, потому что по меньшей мере небольшое напряжение должно падать на R2 и на соединении эмиттер-коллектор.

Заключение

Мы рассмотрели интересную и эффективную схему, которая точно преобразует ток источника питания в напряжение, которое можно измерить, оцифровать или использовать в качестве входного сигнала компаратора. Если вы хотите продолжить изучение этой удобной схемы, то не стесняйтесь сэкономить немного времени, загрузив мою схему LTspice по ссылке ниже.

Источник

Операционный усилитель

Что такое операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) англ. Operational Amplifier (OpAmp), в народе – операционник, является усилителем постоянного тока (УПТ) с очень большим коэффициентом усиления. Словосочетание «усилитель постоянного тока» не означает, что операционный усилитель может усиливать только постоянный ток. Имеется ввиду, начиная с частоты в ноль Герц, а это и есть постоянный ток.

Термин «операционный» укрепился давно, так как первые образцы ОУ использовались для различных математических операций типа интегрирования, дифференцирования, суммирования и тд. Коэффициент усиления ОУ зависит от его типа, назначения, структуры и может превышать 1 млн!

Обозначение на схеме операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

операционный усилитель обозначение на схеме

операционный усилитель обозначение на старых схемах

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

операционный усилитель обозначение на схеме

Итак, далее по классике, слева два входа, а справа – выход.

ОУ

Вход со знаком «плюс» называют НЕинвертирующий, а вход со знаком «минус» инвертирующий. Не путайте эти два знака с полярностью питания! Они НЕ говорят о том, что надо в обязательном порядке подавать на инвертирующий вход сигнал с отрицательной полярностью, а на НЕинвертирующий сигнал с положительной полярностью, и далее вы поймете почему.

Питание операционных усилителей

Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт. Его также помечают как +U и -U, VCC и VEE, Vc и VE. Чаще всего это +15 и -15 Вольт. Двухполярное питание также называют биполярным питанием. Как это понять – двухполярное питание?

Давайте представим себе батарейку

Операционный усилитель

Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть “плюс” и есть “минус”. В этом случае “минус” батарейки принимают за ноль, и уже относительно нуля считают напряжение батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.

А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:

Читайте также:  Пусковой ток аккумулятора температура

операционный усилитель двухполярное питание

Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.

А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?

операционный усилитель питание

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Идеальная и реальная модель операционного усилителя

Для того, чтобы понять суть работы ОУ, рассмотрим его идеальную и реальную модели.

1) Входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое.

входное сопротивление операционный усилитель

В реальных ОУ значение входного сопротивления зависит от назначения ОУ (универсальный, видео, прецизионный и т.п.) типа используемых транзисторов и схемотехники входного каскада и может составлять от сотен Ом и до десятков МОм. Типовое значение для ОУ общего применения – несколько МОм.

2) Второе правило вытекает из первого правила. Так как входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое, то входной ток будет равняться нулю.

Операционный усилитель

На самом же деле это допущение вполне справедливо для ОУ с полевыми транзисторами на входе, у которых входные токи могут быть меньше пикоампер. Но есть также ОУ с биполярными транзисторами на входе. Здесь уже входной ток может быть десятки микроампер.

3) Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.

Операционный усилитель

Это значит, что напряжение на выходе ОУ не будет изменяться при изменении тока нагрузки. В реальных ОУ общего применения выходное сопротивление составляет десятки Ом (обычно 50 Ом).
Кроме того, выходное сопротивление зависит от частоты сигнала.

4) Коэффициент усиления в идеальном ОУ бесконечно большой. В реальности он ограничен внутренней схемотехникой ОУ, а выходное напряжение ограничено напряжением питания.

5) Так как коэффициент усиления бесконечно большой, следовательно, разность напряжений между входами идеального ОУ равняется нулю. Иначе если даже потенциал одного входа будет больше или меньше хотя бы на заряд одного электрона, то на выходе будет бесконечно большой потенциал.

6) Коэффициент усиления в идеальном ОУ не зависит от частоты сигнала и постоянен на всех частотах. В реальных ОУ это условие выполняется только для низких частот до какой-либо частоты среза, которая у каждого ОУ индивидуальна. Обычно за частоту среза принимают падение усиления на 3 дБ или до уровня 0,7 от усиления на нулевой частоте (постоянный ток).

Схема простейшего ОУ на транзисторах выглядит примерно вот так:

операционный усилитель внутреннее строение

Принцип работы операционного усилителя

Давайте рассмотрим, как работает ОУ

Операционный усилитель

Принцип работы ОУ очень прост. Он сравнивает два напряжения и на выходе уже выдает отрицательный, либо положительный потенциал питания. Все зависит от того, на каком входе потенциал больше. Если потенциал на НЕинвертирующем входе U1 больше, чем на инвертирующем U2, то на выходе будет +Uпит, если же на инвертирующем входе U2 потенциал будет больше, чем на НЕинвертирующем U1, то на выходе будет -Uпит. Вот и весь принцип ;-).

Давайте рассмотрим этот принцип в симуляторе Proteus. Для этого выберем самый простой и распространенный операционный усилитель LM358 (аналоги 1040УД1, 1053УД2, 1401УД5) и соберем примитивную схему, показывающую принцип работы

Операционный усилитель

Подадим на НЕинвертирующий вход 2 Вольта, а на инвертирующий вход 1 Вольт. Так как на НЕинвертирующем входе потенциал больше, то следовательно, на выходе мы должны получить +Uпит. Мы получили 13,5 Вольт, что близко к этому значению

Операционный усилитель

Но почему не 15 Вольт? Виновата во всем сама внутренняя схемотехника ОУ. Максимальное значение ОУ не всегда может равняться положительному либо отрицательному напряжению питания. Оно может отклоняться от 0,5 и до 1,5 Вольт в зависимости от типа ОУ.

Но, как говорится, в семье не без уродов, и поэтому на рынке уже давно появились ОУ, которые могут выдавать на выходе допустимое напряжение питания, то есть в нашем случае это значения, близкие к +15 и -15 Вольтам. Такая фишка называется Rail-to-Rail, что в дословном переводе с англ. “от рельса до рельса”, а на языке электроники “от одной шины питания и до другой”.

Давайте теперь на инвертирующий вход подадим потенциал больше, чем на НЕинвертирущий. На инвертирующий подаем 2 Вольта, а на НЕинвертирующий подаем 1 Вольт:

операционный усилитель работа

Как вы видите, в данный момент выход “лег” на -Uпит, так как на инвертирующем входе потенциал был больше, чем на НЕинвертирующем.

Чтобы не качать лишний раз программный комплекс Proteus, можно в онлайне с помощью программы Falstad сэмулировать работу идеального ОУ. Для этого выбираем вкладку Circuits—Op-Amps—>OpAmp. В результате на вашем экране появится вот такая схемка:

Операционный усилитель

На правой панели управления увидите бегунки для добавления напряжения на входы ОУ и уже можете визуально увидеть, что получится на выходе ОУ при изменении напряжения на входах.

Операционный усилитель

Что будет на выходе ОУ, если на обоих входах будет ноль вольт?

Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может различаться. Но что будет, если они будут равны? Что нам покажет Proteus в этом случае? Хм, показал +Uпит.

операционный усилитель принцип работы

А что покажет Falstad? Ноль Вольт.

Операционный усилитель

Кому верить? Никому! В реале, такое сделать невозможно, чтобы на два входа загнать абсолютно равные напряжения. Поэтому такое состояние ОУ будет неустойчивым и значения на выходе могут принимать значения или -E Вольт, или +E Вольт.

Давайте подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 Вольт и частотой в 1 килоГерц на НЕинвертирующий вход, а инвертирующий посадим на землю, то есть на ноль.

операционный усилитель схема Proteus

Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:

Операционный усилитель

Что можно сказать в этом случае? Когда синусоидальный сигнал находится в отрицательной области, на выходе ОУ у нас -Uпит, а когда синусоидальный сигнал находится в положительной области, то и на выходе имеем +Uпит.

Скорость нарастания выходного напряжения

Также обратите внимание на то, что напряжение на выходе ОУ не может резко менять свое значение. Поэтому, в ОУ есть такой параметр, как скорость нарастания выходного напряжения VUвых .

Этот параметр показывает насколько быстро может измениться выходное напряжение ОУ при работе в импульсных схемах. Измеряется в Вольт/сек. Ну и как вы поняли, чем больше значение этого параметра, тем лучше ведет себя ОУ в импульсных схемах. Для LM358 этот параметр равен 0,6 В/мкс.

При участии Jeer

Также смотрите видео “Что такое операционный усилитель (ОУ) и как он работает”

Источник

Введение

В настоящее время у человечества стоит задача автоматизировать и роботизировать наиболее опасные, трудоемкие, не интересные виды человеческой деятельности. Наиболее актуальна роботизация при выполнении боевых задач, видов деятельности, сопряженных с риском для жизни человека.

Схемотехника аналоговых устройств является ключевым звеном в процессе создания высокопроизводительных автоматизированных производств, роботов, высокотехнологичных и высокодоходных изделий оборонного и гражданского назначения.

Особую ценность имеет возможность роботизированного или ручного гибкого производства новых уникальных устройств, собираемых из не большого набора не дорогих широкодоступных электронных компонентов на слабооборудованных рабочих местах или в полевых условиях.

1 Операционные усилители (ОУ)

Операционный усилитель (ОУ) — это интегральный усилитель постоянного тока, имеющий большой коэффициент усиления. Добавление к операционному усилителю нескольких электронных компонентов позволяет осуществить отрицательную обратную связь (ООС) для управления значением коэффициента усиления.

Идеальный операционный усилитель имеет большой коэффициент усиления напряжения K → ∞ , большое входное сопротивление R вх → ∞ и, следовательно, малые входные токи I вх → 0, малое выходное сопротивление R вых → 0 .

Реальный операционный усилитель имеет высокий коэффициент усиления по напряжению и постоянному току, высокое входное и низкое выходное сопротивления, малые входные токи.

Присоединение к ОУ одного-двух простых не дорогих электронных компонентов, таких как сопротивление и конденсатор, позволяет быстро получить широкий спектр аналоговых устройств. По размерам и цене ОУ не значительно отличаются от транзисторов, но обеспечивают возможность конструирования, изобретения и роботизированного производства множества новых устройств, поэтому операционные усилители получили наиболее широкое применение в аналоговой схемотехнике.

Питание операционного усилителя осуществляется двумя разнополярными источниками питания. По отношению к заземлению один источник питания дает положительный потенциал. Отрицательный контакт этого источника питания подключается к заземлению, а положительный — подключается к ОУ. Другой источник питания по отношению к заземлению дает отрицательный потенциал. Положительный контакт этого источника питания подключается к заземлению, а отрицательный — подключается к ОУ.

Операционный усилитель имеет два входа (инвертирующий и неинвертирующий) и один выход. Инвертирующий вход на схеме обозначается кружком и (или) знаком «-», неинвертирующий вход может обозначаться знаком «+».

Выходное напряжение операционного усилителя в K раз больше входного

где K — коэффициент усиления по напряжению.

Коэффициент усиления по напряжению

обычно достигает сто тысяч — десять миллионов K = 10 5 — 10 7 . Это приводит к тому, что малейшее напряжение на входе дает на выходе напряжение равное напряжению питания. Поэтому ОУ обычно не применяются без отрицательной обратной связи, управляющей значением коэффициента усиления. В о всех описываемых нами схемах, построенных на операционных усилителях, обратная связь осуществляется проводом, сопротивлением или конденсатором.

ОУ первоначально выполняли математические операции с электрическими аналоговыми сигналами, поэтому и были названы операционными усилителями.

1.1 Основные параметры операционных усилителей

— Коэффициент усиления по напряжению K .

— Частота единичного усиления f ед – это частота при которой коэффициент усиления по напряжению равен единице K = 1.

— Входное сопротивление R вх достигает больших значений.

— Выходное сопротивление R вых не превышает обычно сотен Ом .

1.2 Инвертирующий усилитель

Инвертирующие усилители в рамках конструктивных характеристик операционного усилителя могут модифицироваться для получения любых коэффициентов усиления.

В инвертирующем усилителе (см. рисунок 1) входное напряжение подается на инвертирующий вход, поэтому, входное и выходное напряжения имеют разную полярность, а также изменяются в противофазе. Поэтому усилитель называется инвертирующим. Инверсия в электронике — это замена положительного сигнала на отрицательный. При битовых операциях инверсия — это логическое НЕ, то есть замена 0 на 1, а 1 на 0. Неинвертирующий вход заземлен, следовательно, на него подается напряжение 0 В.

Рисунок 1 — Инвертирующий усилитель

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя, собранного на операционном усилителе ОУ1 (см. рисунок 1) определяется по формуле

Читайте также:  Движение силы тока в цепи

где R 1 – сопротивление, Ом.

R 2 – сопротивление, выполняющее роль отрицательной обратной связи, Ом.

1.3 Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующие усилители в рамках конструктивных характеристик операционного усилителя могут модифицироваться для получения коэффициентов усиления от 1 и более.

В неинвертирующем усилителе (см. рисунок 2) входное напряжение подается на неинвертирующий вход, поэтому, входное и выходное напряжения имеют одинаковую полярность, выходной сигнал не инвертируется по отношению к входному и совпадает по фазе. Инвертирующий вход заземлен через резистор R 1 . Сопротивление R 2 выполняет роль отрицательной обратной связи.

Рисунок 2 — Неинвертирующий усилитель

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя, собранного на операционном усилителе ОУ1 (см. рисунок 3) определяется по формуле

Отсюда отношение сопротивлений

Задавая одно сопротивление не менее 1 кОм из ряда номиналов резисторов, например, из ряда E24 [1], можно получить значение второго сопротивления по одной из формул

Окончательное значение сопротивления подбирается из ряда номиналов резисторов, например, E24.

Выходное напряжение u 21 неинвертирующего усилителя в K раз больше входного u 11 напряжения

Усилитель неинвертирующий, поэтому фазы входного и выходного сигналов равны. Изменяется лишь амплитуда (максимальное значение) выходного напряжения

Характер входного сигнала неинвертирующего усилителя, например, синусоидальный

сохраняется и на выходе

где ω — частота, c -1 .

где f — частота, c -1 .

При гармонических изменениях напряжения п ериод, с

Графики входного u 11 = u 11 ( t ) и выходного напряжения u 21 = u 21( t ) имеют одинаковый вид, например, синусоида или косинусоида одновременно.

1.4 Повторитель напряжения

Повторитель напряжения точно сохраняет на выходе значение напряжения на входе, но значительно увеличивает ток на выходе, по сравнению с очень маленьким током на входе. Это позволяет разгрузить слабые источники сигнала, датчики. Повторитель напряжения позволяет использовать радиокомпоненты с малым выходным током, например, фотоэлемент или микрофон. Схема повторителя получается из неинвертирующего усилителя при прямом соединении инвертирующего входа с выходом (см. рисунок 3). Провод, соединяющий инвертирующий вход и выход выполняет функцию отрицательной обратной связи. Коэффициент усиления по напряжению повторителя напряжения равен единице K = 1.

Рисунок 3 — Повторитель напряжения

1.5 Дифференциальный усилитель

Дифференциальный усилитель позволяет получить выходное напряжение как разность входных сигналов. Если к полезному сигналу на оба входа примешиваются синфазные (с одинаковой фазой) и одинаковой амплитудой шумы, то дифференциальный усилитель не учитывает одинаковые уровни сигналов, а вычисляет полезный сигнал как разность напряжений на двух входах.

Если требуется определить различие между двумя входными сигналами без усиления их разности потенциалов, то вместе с ОУ достаточно использовать 4 одинаковых сопротивления (см. рисунок 4).

Рисунок 4 — Дифференциальный усилитель с K = 1

Выходное напряжение u 21 в этом случае (при K = 1) будет равно разности входных напряжений

Но обычно на вход усилителя поступают очень слабые сигналы, поэтому дифференциальный усилитель используют еще и для усиления разности входных сигналов путем использования 2-х пар одинаковых сопротивлений (см. рисунок 5).

Рисунок 5 — Дифференциальный усилитель с K ≠ 1

Выходное напряжение u 21 в этом случае (при K ≠ 1) будет равно отношению сопротивлений, умноженному на разность входных напряжений

Такая схема дифференциального усилителя имеет коэффициент усиления

Сопротивление R 2 выполняет роль отрицательной обратной связи.

1.6 Суммирующий инвертирующий усилитель

Суммирующий усилитель позволяет получить выходное напряжение как сумму напряжений нескольких входных сигналов (см. рисунок 6). Сопротивление R 3 выполняет роль отрицательной обратной связи.

Рисунок 6 — Суммирующий инвертирующий усилитель

Коэффициенты усиления суммирующего инвертирующего усилителя, собранного на ОУ1 (см. рисунок 6) обычно нумеруются от верхнего входа K ∑1 к нижнему на схеме входу K ∑2. Из формулы коэффициента усиления верхнего на схеме входного сигнала

можно определить выходное сопротивление

Из формулы коэффициента усиления нижнего на схеме входного сигнала

можно определить выходное сопротивление

Можно приравнять левую и правые части уравнений

Задаваясь R 1 и R 2 в соответствии с рядом номиналов резисторов, например, E24, можно определить выходное сопротивление R 3 , которое должно получиться не менее 1 кОм и с оответствовать ряду номиналов резисторов.

Суммирующий инвертирующий усилитель суммирует умноженные на соответствующие коэффициенты усиления входные напряжения u 11 и u 12 :

1.7 Интегрирующий усилитель

Интегрирующим усилителем (интегратором) называется электронное устройство, выходной сигнал у которого пропорционален интегралу по времени от входного сигнала (см. рисунок 7). Интегрирование осуществляется при решении дифференциальных уравнений, генерировании и обработке аналоговых сигналов.

Рисунок 7 — Интегрирующий усилитель

Коэффициент усиления K И интегрирующего усилителя, собранного на ОУ1 (см. рисунок 7 ) на частоте входного сигнала определяется по формуле

где C 1 — емкость конденсатора, Ф (фарад) .

Конденсатор C 1 выполняет роль отрицательной обратной связи.

Задавая R 1 не менее 1 кОм согласно ряду номиналов резисторов [1], можно получить для интегрирующего усилителя значение емкости конденсатора

Емкость подбирается согласно ряда номиналов конденсаторов [1], например, E24.

Для интегрирующего усилителя выходное напряжение

где u(0) – начальное значение напряжения, В.

Интегрирование изменяет синусоидальный входной сигнал на изменяющийся по закону косинуса выходной сигнал, поэтому график выходного напряжения интегратора u 21 = u 21( t ) может быть косинусоидой.

1.8 Дифференцирующий усилитель

Дифференцирующий усилитель ( дифференциатор ) предназначен для получения выходного сигнала, изменяющегося пропорционально скорости изменения входного сигнала. Дифференцирующий усилитель (см. рисунок 8) не стоит путать с дифференциальным усилителем.

Рисунок 8 — Дифференцирующий усилитель

Коэффициент усиления дифференцирующего усилителя , собранного на ОУ1 (см. рисунок 8 ) на частоте входного сигнала

Отсюда можно определить емкость конденсатора дифференциатора

Подбираются ближайшие емкости или сопротивления из рядов номиналов резисторов или емкостей, например, E24.

Сопротивление R 1 выполняет роль отрицательной обратной связи.

Для дифференцирующего усилителя выходное напряжение

Если входное напряжение дифференциатора изменяется по закону синуса, то график выходного напряжения u 21 = u 21( t ) изменяется по закону косинуса, так как при дифференцировании синус меняется на косинус.

Конденсатор после того, как один раз зарядится, не проводит постоянный ток. Поэтому, если входное напряжение постоянное

(частота равна нулю ω = 0) , то выходное напряжение равно нулю u 21=0, так как при дифференцировании постоянной величины получается ноль. График входного постоянного напряжения является прямой линией, параллельной оси времени, а график выходного напряжения совпадает с осью t .

Если входное напряжение прямоугольной формы, то на участках постоянного входного напряжения выходное напряжение равно нулю.

Перечень условных обозначений, символов, единиц и терминов

АЭУ – аналоговое электронное устройство;

К – коэффициент усиления неинвертирующего усилителя;

K И — коэффициент усиления интегрирующего усилителя на частоте входного сигнала;

K д — коэффициент усиления дифференцирующего усилителя по основной гармонике входного напряжения;

КΣ1 , КΣ2 — коэффициенты усиления суммирующего усилителя;

U m 1 — амплитуда входного напряжения;

ƒ — частота синусоидального напряжения;

Т — период входного напряжения, с;

ОУ – операционный усилитель;

ОС – обратная связь;

ООС — отрицательная обратная связь.

Список использованных источников

ГОСТ 28884-90 (МЭК 63-63). Ряды предпочтительных значений для резисторов и конденсаторов.

Важенин В. Г. Аналоговые устройства на операционных усилителях : учебное пособие / В. Г. Важенин, Ю. В. Марков, Л. Л. Лесная ; под общ. ред. В. Г. Важенина. — Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. — 107 с.

Схемотехника электронных средств : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Б.Ф. Лаврентьев. — М.: Издательский центр «Академия», 2010. 336 с.

Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств: Учебник для вузов – М.: Горячая линия — Телеком, 2005. – 320 с.

Консультации Ольшевского Андрея Георгиевича по Skype da . irk . ru

Теоретические основы электротехники (ТОЭ), электроника, схемотехника, основы цифровой, аналоговой электроники, электродинамика и распространение радиоволн.

Понятное объяснение теории, ликвидация пробелов в понимании, обучение приемам решения задач, консультирование при написании курсовых, дипломов.

Искусственный интеллект. Обучение созданию шахматной программы.

Генерация, внедрение идей. Основы научных исследований, методы генерации, внедрения научных, изобретательских, бизнес идей. Обучение приемам решения научных проблем, изобретательских задач. Научное, изобретательское, писательское, инженерное творчество. Постановка, выбор, решение наиболее ценных научных, изобретательских задач, идей.

Публикации результатов творчества. Как написать и опубликовать научную статью, подать заявку на изобретение, написать, издать книгу. Теория написания, защиты диссертаций. Зарабатывание денег на идеях, изобретениях. Консультирование при создании изобретений, написании заявок на изобретения, научных статей, заявок на изобретения, книг, монографий, диссертаций. Соавторство в изобретениях, научных статьях, монографиях.

Подготовка студентов и школьников по математике, физике, информатике, школьников желающих получить много баллов (часть C) и слабых учеников к ОГЭ (ГИА) и ЕГЭ. Одновременное улучшение текущей успеваемости путем развития памяти, мышления, понятного объяснения сложного, наглядного преподнесения предметов. Особый подход к каждому ученику. Подготовка к олимпиадам, обеспечивающим льготы при поступлении. 15-летний опыт улучшения успеваемости учеников.

Высшая математика, алгебра, геометрия, теория вероятностей, математическая статистика, линейное программирование.

Авиационные, ракетные и автомобильные двигатели. Гиперзвуковые, прямоточные, ракетные, импульсные детонационные, пульсирующие, газотурбинные, поршневые двигатели внутреннего сгорания — теория, конструкция, расчет, прочность, проектирование, технология изготовления. Термодинамика, теплотехника, газовая динамика, гидравлика.

Авиация, аэромеханика, аэродинамика, динамика полета, теория, конструкция, аэрогидромеханика. Сверхлегкие летательные аппараты, экранопланы, самолеты, вертолеты, ракеты, крылатые ракеты, аппараты на воздушной подушке, дирижабли, винты — теория, конструкция, расчет, прочность, проектирование, технология изготовления.

Теоретическая механика (теормех), сопротивление материалов (сопромат), детали машин, теория механизмов и машин (ТММ), технология машиностроения, технические дисциплины.

Аналитическая геометрия, начертательная геометрия, инженерная графика, черчение. Компьютерная графика, программирование графики, чертежи в Автокад, Нанокад, фотомонтаж.

Логика, графы, деревья, дискретная математика.

OpenOffice и LibreOffice Basic, Visual Basic, VBA, NET, ASP.NET, макросы, VBScript, Бэйсик, С, С++, Делфи, Паскаль, Delphi, Pascal, C#, JavaScript, Fortran, html, Маткад. Создание программ, игр для ПК, ноутбуков, мобильных устройств. Использование бесплатных готовых программ, движков с открытыми исходными кодами.

Создание, размещение, раскрутка, программирование сайтов, интернет-магазинов, заработки на сайтах, Web-дизайн.

Информатика, пользователь ПК: тексты, таблицы, презентации, обучение методу скоропечатания за 2 часа, базы данных, 1С, Windows, Word, Excel, Access, Gimp, OpenOffice, Автокад, nanoCad, Интернет, сети, электронная почта.

Устройство, ремонт компьютеров стационарных и ноутбуков.

Видеоблогер, создание, редактирование, размещение видео, видеомонтаж, зарабатывание денег на видеоблогах.

Выбор, достижение целей, планирование.

Обучение зарабатыванию денег в Интернет: блогер, видеоблогер, программы, сайты, интернет-магазин, статьи, книги и др.

Вы можете поддержать развитие сайта с помощью платежной формы ниже.

Также Вы можете оплатить консультационные и прочие услуги Ольшевского Андрея Георгиевича

Источник