- Co je obvod přesného usměrňovače?
- Práce přesného usměrňovače
- Upravený obvod přesného usměrňovače
- Přesný usměrňovač s plnou vlnou využívající operační zesilovač
- Požadované komponenty
- Schematický diagram
- Další vylepšení
Usměrňovač je obvod, který převádí střídavý proud (AC) na stejnosměrný proud (DC). Střídavý proud vždy mění svůj směr v čase, ale stejnosměrný proud teče nepřetržitě v jednom směru. V typickém usměrňovacím obvodu používáme diody k usměrnění střídavého proudu na stejnosměrný. Tuto rektifikační metodu lze však použít pouze v případě, že vstupní napětí do obvodu je větší než dopředné napětí diody, které je obvykle 0,7 V. Dříve jsme vysvětlili diodový polovodičový usměrňovač a obvod plného vlnového usměrňovače.
K překonání tohoto problému byl představen obvod Precision Rectifier Circuit. Přesný usměrňovač je další usměrňovač, který převádí střídavé napětí na stejnosměrné, ale v přesném usměrňovači používáme operační zesilovač ke kompenzaci poklesu napětí na diodě, proto neztrácíme pokles napětí 0,6 V nebo 0,7 V na diody, také obvod může být konstruován tak, aby měl určitý zisk i na výstupu zesilovače.
Takže v tomto tutoriálu vám ukážu, jak můžete sestavit, otestovat, použít a ladit přesný usměrňovací obvod pomocí op-amp. Vedle toho budu diskutovat také o některých výhodách a nevýhodách tohoto okruhu. Takže bez dalších okolků začněme.
Co je obvod přesného usměrňovače?
Než budeme vědět o obvodu přesného usměrňovače, ujasněme si základy obvodu usměrňovače.
Výše uvedený obrázek ukazuje vlastnosti ideálního usměrňovacího obvodu s jeho přenosovými charakteristikami. To znamená, že když je vstupní signál záporný, výstup bude mít nulové napětí a když je vstupní signál kladný, bude výstup sledovat vstupní signál.
Výše uvedený obrázek ukazuje praktický usměrňovací obvod s jeho přenosovými charakteristikami. V praktickém usměrňovacím obvodu bude výstupní křivka o 0,7 voltu menší než použité vstupní napětí a přenosová charakteristika bude vypadat jako na obrázku znázorněném na obrázku. V tomto okamžiku bude dioda fungovat, pouze pokud je aplikovaný vstupní signál o něco větší než dopředné napětí diody.
Nyní jsou základy z cesty, vraťme se zpět k přesnému obvodu usměrňovače.
Práce přesného usměrňovače
Výše uvedený obvod ukazuje základní poloviční vlnový přesný usměrňovací obvod s LM358 Op-Amp a diodou 1n4148. Chcete-li se dozvědět, jak operační zesilovač funguje, můžete postupovat podle tohoto obvodu operačního zesilovače.
Výše uvedený obvod také ukazuje vstupní a výstupní křivku obvodu přesného usměrňovače, který je přesně stejný jako vstup. Je to proto, že přijímáme zpětnou vazbu z výstupu diody a operační zesilovač kompenzuje případný pokles napětí na diodě. Dioda se tedy chová jako ideální dioda.
Nyní na výše uvedeném obrázku můžete jasně vidět, co se stane, když se na vstupní svorku Op-Amp použije kladný a záporný poloviční cyklus vstupního signálu. Obvod také ukazuje přenosové charakteristiky obvodu.
Ale v praktickém obvodu nebudete mít výstup, jak je znázorněno na výše uvedeném obrázku, řeknu vám proč?
V mém osciloskopu je žlutý signál na vstupu a zelený signál je výstup. Místo toho, abychom dostali půlvlnovou nápravu, získáváme jakousi vlnovou opravu.
Výše uvedený obrázek ukazuje, že když je dioda vypnutá, záporným polovičním cyklem je tok signálu přes rezistor na výstup, a proto dostáváme úplnou vlnovou nápravu jako výstup, ale toto není skutečný případ.
Podívejme se, co se stane, když připojíme 1K zátěž.
Obvod vypadá jako na obrázku výše.
Výstup vypadá jako výše uvedený obrázek.
Výstup vypadá takto, protože jsme prakticky vytvořili obvod děliče napětí se dvěma rezistory 9,1K a 1K, proto se vstupní kladná polovina signálu právě zeslabila.
Tento obrázek znovu ukazuje, co se stane, když změním hodnotu zátěžového rezistoru na 220R z 1K.
To není nejmenší problém, který tento obvod má.
Výše uvedený obrázek ukazuje stav podkročení, kdy výstup obvodu klesne pod nulu a po určitém výkyvu stoupne.
Výše uvedený obrázek ukazuje stav podkročení pro oba výše uvedené obvody, se zátěží i bez zátěže. Je to proto, že kdykoli vstupní signál klesne pod nulu, operační zesilovač přejde do oblasti záporné saturace a výsledkem je zobrazený obraz.
Dalším důvodem, proč můžeme říci, že kdykoli se vstupní napětí změní z kladného na záporné, bude nějakou dobu trvat, než vstoupí do hry zpětná vazba operačních zesilovačů a stabilizuje výstup, a proto dostáváme hroty pod nulovými volty na výstup.
To se děje, protože používám operační zesilovač Jelly Bean LM358 s nízkou rychlostí zabití . Tomuto problému se můžete vyhnout pouhým vložením operačního zesilovače s vyšší rychlostí zabití. Mějte však na paměti, že k tomu dojde také ve vyšším frekvenčním rozsahu obvodu.
Upravený obvod přesného usměrňovače
Výše uvedený obrázek ukazuje upravený obvod přesného usměrňovače, jehož prostřednictvím můžeme omezit všechny výše uvedené nedostatky a nevýhody. Pojďme studovat obvod a zjistit, jak to funguje.
Nyní ve výše uvedeném obvodu vidíte, že dioda D2 bude fungovat, pokud bude jako vstup použita kladná polovina sinusového signálu. Nyní je dokončena výše zobrazená cesta (se žlutou čarou) a operační zesilovač funguje jako invertující zesilovač, pokud se podíváme na bod P1, napětí je 0 V, protože v tomto bodě se vytvoří virtuální zem, takže proud nemůže protékají odporem R19 a ve výstupním bodě P2 je napětí záporné 0,7 V, protože operační zesilovač kompenzuje pokles diody, takže neexistuje způsob, jak může proud přejít do bodu P3. Takto jsme tedy dosáhli výstupu 0 V, kdykoli je na vstup operačního zesilovače aplikován kladný poloviční cyklus signálu.
Nyní předpokládejme, že jsme na vstup operačního zesilovače aplikovali zápornou polovinu sinusového střídavého signálu. To znamená, že aplikovaný vstupní signál je menší než 0V.
V tomto okamžiku je dioda D2 ve stavu s obráceným předpětím, což znamená, že je otevřený obvod. Obrázek výše vám to přesně říká.
Jelikož je dioda D2 ve stavu s obráceným předpětím, bude proud protékat odporem R22 a v bodě P1 vytvoří virtuální zem. Nyní, když je použita záporná polovina vstupního signálu, dostaneme na výstupu kladný signál jako jeho invertující zesilovač. A dioda bude fungovat a my dostaneme kompenzovaný výstup v bodě P3.
Nyní bude výstupní napětí -Vin / R2 = Vout / R1
Takže výstupní napětí se stává Vout = -R2 / R1 * Vin
Nyní sledujme výstup obvodu v osciloskopu.
Praktický výstup obvodu bez připojeného zatížení je zobrazen na obrázku výše.
Pokud jde o analýzu obvodu, obvod půlvlnného usměrňovače je dost dobrý, ale pokud jde o praktický obvod, půlvlnný usměrňovač prostě nedává praktický smysl.
Z tohoto důvodu byl zaveden obvod plného vlnového usměrňovače, abych dosáhl přesného usměrňovače s plnými vlnami, stačí udělat sčítací zesilovač, a to je v podstatě to.
Přesný usměrňovač s plnou vlnou využívající operační zesilovač
Abych vytvořil přesný usměrňovací obvod s plnou vlnou, přidal jsem k výstupu dříve zmíněného polovodičového usměrňovacího obvodu sčítací zesilovač. Od bodu P1 do bodu P2 je základní přesný usměrňovací obvod a dioda je nakonfigurována tak, že na výstupu dostaneme záporné napětí.
Z bodu, P2 do bodu P3, je sčítací zesilovač, výstup z přesného usměrňovače je přiváděn do sčítacího zesilovače přes odpor R3. Hodnota rezistoru R3 je polovina z R5, nebo můžete říci, že je to R5 / 2, tak nastavujeme 2násobný zisk z operačního zesilovače.
Vstup z bodu P1 je také přiváděn do sčítacího zesilovače pomocí odporu R4, odpory R4 a R5 jsou zodpovědné za nastavení zisku op-zesilovače na 1X.
Jelikož je výstup z bodu P2 napájen přímo do sčítacího zesilovače se ziskem 2X, znamená to, že výstupní napětí bude dvojnásobkem vstupního napětí. Předpokládejme, že vstupní napětí je vrchol 2V, takže na výstupu dostaneme vrchol 4V. Současně přímo přivádíme vstup do sčítacího zesilovače se ziskem 1X.
Nyní, když dojde k operaci sčítání, dostaneme sečtené napětí na výstupu, které je (-4V) + (+ 2V) = -2V a jako operační zesilovač na výstupu. Jelikož je operační zesilovač konfigurován jako invertující zesilovač, dostaneme + 2V na výstupu, což je bod P3.
Totéž se stane, když je aplikován záporný vrchol vstupního signálu.
Výše uvedený obrázek ukazuje konečný výstup obvodu, křivka v modré barvě je vstup a křivka v žluté barvě je výstup z polovodičového usměrňovacího obvodu a křivka v zelené barvě je výstupem plného vlnového usměrňovacího obvodu.
Požadované komponenty
- Integrovaný obvod zesilovače LM358 - 2
- 6,8 K, 1% rezistor - 8
- 1K rezistor - 2
- Dioda 1N4148 - 4
- Chlebová deska - 1
- Propojovací dráty - 10
- Napájení (± 10 V) - 1
Schematický diagram
Schéma zapojení pro půlvlny a plný vlny přesné usměrňovač pomocí operační zesilovač je uveden níže:
U této ukázky je obvod konstruován v nepájeném nepájivém poli pomocí schématu; Abych snížil parazitní indukčnost a kapacitu, připojil jsem komponenty co nejblíže.
Další vylepšení
Obvod může být dále upraven, aby se zlepšil jeho výkon, jako bychom mohli přidat další filtr, abychom vyloučili vysokofrekvenční zvuky.
Tento obvod je vyroben pouze pro demonstrační účely. Pokud uvažujete o použití tohoto obvodu v praktické aplikaci, musíte k dosažení absolutní stability použít operační zesilovač typu chopper a vysoce přesný odpor 0,1 ohmu.
Doufám, že se vám tento článek líbil a dozvěděli jste se z něj něco nového. Máte-li jakékoli pochybnosti, můžete se zeptat v komentářích níže nebo můžete použít naši fóra pro podrobnou diskusi.