Precyzyjny obwód prostownika półfalowego i pełnookresowego wykorzystujący op

Prostownik to obwód, który przekształca prąd przemienny (AC) w prąd stały (DC). Prąd przemienny zawsze zmienia swój kierunek w czasie, ale prąd stały płynie w sposób ciągły w jednym kierunku. W typowym obwodzie prostownika używamy diod do prostowania prądu przemiennego na prąd stały. Ale ta metoda prostowania może być stosowana tylko wtedy, gdy napięcie wejściowe do obwodu jest większe niż napięcie przewodzenia diody, które zwykle wynosi 0,7 V. Wcześniej omówiliśmy prostownik półfalowy oparty na diodzie i obwód prostownika pełnookresowego.

Aby rozwiązać ten problem, wprowadzono obwód precyzyjnego prostownika. Precyzyjny prostownik to kolejny prostownik, który konwertuje prąd zmienny na prąd stały, ale w prostowniku precyzyjnym używamy wzmacniacza operacyjnego do kompensacji spadku napięcia na diodzie, dlatego nie tracimy spadku napięcia 0,6 V lub 0,7 V na diody, również obwód może być tak skonstruowany, aby mieć pewne wzmocnienie również na wyjściu wzmacniacza.

W tym samouczku pokażę, jak można zbudować, przetestować, zastosować i debugować precyzyjny obwód prostownika za pomocą wzmacniacza operacyjnego. Oprócz tego omówię kilka zalet i wad tego toru. Więc bez dalszych ceregieli, zacznijmy.

Co to jest precyzyjny obwód prostownika?

Zanim dowiemy się o obwodzie precyzyjnego prostownika, wyjaśnijmy podstawy obwodu prostownika.

Powyższy rysunek przedstawia charakterystykę idealnego obwodu prostownika z jego charakterystyką przenoszenia. Oznacza to, że gdy sygnał wejściowy jest ujemny, na wyjściu będzie zero woltów, a gdy sygnał wejściowy jest dodatni, wyjście będzie podążać za sygnałem wejściowym.

Powyższy rysunek przedstawia praktyczny obwód prostownika z jego charakterystyką przenoszenia. W praktycznym obwodzie prostownika przebieg wyjściowy będzie o 0,7 wolta mniejszy niż zastosowane napięcie wejściowe, a charakterystyka przenoszenia będzie wyglądać tak, jak pokazano na schemacie. W tym momencie dioda będzie przewodzić tylko wtedy, gdy zastosowany sygnał wejściowy jest nieco większy niż napięcie przewodzenia diody.

A teraz odejdźmy od podstaw, skupmy się z powrotem na precyzyjnym obwodzie prostownika.

Działanie precyzyjnego prostownika

Powyższy obwód przedstawia podstawowy, półfalowy precyzyjny obwód prostownika z wzmacniaczem operacyjnym LM358 i diodą 1n4148. Aby dowiedzieć się, jak działa wzmacniacz operacyjny, możesz śledzić ten obwód wzmacniacza operacyjnego.

Powyższy obwód pokazuje również przebieg wejściowy i wyjściowy obwodu precyzyjnego prostownika, który jest dokładnie równy wejściu. Dzieje się tak, ponieważ pobieramy informacje zwrotne z wyjścia diody, a wzmacniacz operacyjny kompensuje każdy spadek napięcia na diodzie. Tak więc dioda zachowuje się jak dioda idealna.

Teraz na powyższym obrazku można wyraźnie zobaczyć, co się dzieje, gdy dodatnia i ujemna połowa cyklu sygnału wejściowego zostanie zastosowana w zacisku wejściowym wzmacniacza operacyjnego. Obwód pokazuje również charakterystykę przenoszenia obwodu.

Ale w praktycznym obwodzie nie uzyskasz wyjścia, jak pokazano na powyższym rysunku, powiem ci dlaczego?

W moim oscyloskopie żółty sygnał na wejściu, a zielony sygnał jest wyjściem. Zamiast rektyfikacji półfalowej, otrzymujemy coś w rodzaju rektyfikacji pełnookresowej.

Powyższy obraz pokazuje, kiedy dioda jest wyłączona, ujemna połowa cyklu to sygnał przepływa przez rezystor na wyjście i dlatego otrzymujemy prostowanie pełnookresowe, takie jak wyjście, ale to nie jest rzeczywiste walizka.

Zobaczmy, co się stanie, gdy podłączymy obciążenie 1K.

Obwód wygląda jak na powyższym obrazku.

Wynik wygląda jak na powyższym obrazku.

Wyjście wygląda tak, ponieważ praktycznie utworzyliśmy układ dzielnika napięcia z dwoma rezystorami 9,1K i rezystorem 1K, dlatego dodatnia połowa sygnału wejściowego została właśnie wytłumiona.

Ponownie, powyższy obraz pokazuje, co się stanie, gdy zmienię wartość rezystora obciążenia na 220R z 1K.

To nie jest najmniejszy problem, jaki ma ten obwód.

Powyższy obraz pokazuje stan niedoregulowania, w którym sygnał wyjściowy obwodu spada poniżej zera woltów i wzrasta po pewnym skoku.

Powyższy rysunek przedstawia stan niedoregulowania dla obu wyżej wymienionych obwodów, z obciążeniem i bez obciążenia. Dzieje się tak, ponieważ ilekroć sygnał wejściowy spada poniżej zera, wzmacniacz operacyjny przechodzi w obszar ujemnego nasycenia, a wynikiem jest pokazany obraz.

Innym powodem, dla którego możemy powiedzieć, że za każdym razem, gdy napięcie wejściowe zmienia się z dodatniego na ujemny, minie trochę czasu, zanim sprzężenie zwrotne wzmacniacza operacyjnego zacznie działać i ustabilizuje wyjście, i dlatego otrzymujemy skoki poniżej zera woltów na wynik.

Dzieje się tak, ponieważ używam wzmacniacza operacyjnego Jelly Bean LM358 z niskim współczynnikiem narastania. Możesz uciec od tego problemu, po prostu umieszczając wzmacniacz operacyjny z wyższą szybkością narastania. Należy jednak pamiętać, że stanie się to również w wyższym zakresie częstotliwości obwodu.

Zmodyfikowany obwód prostownika precyzyjnego

Powyższy rysunek przedstawia zmodyfikowany precyzyjny obwód prostownika, dzięki któremu możemy zredukować wszystkie wyżej wymienione wady i wady. Przeanalizujmy obwód i dowiedzmy się, jak to działa.

Teraz w powyższym obwodzie widać, że dioda D2 będzie przewodzić, jeśli dodatnia połowa sygnału sinusoidalnego zostanie przyłożona jako wejście. Teraz pokazana powyżej ścieżka (z żółtą linią) jest zakończona i wzmacniacz operacyjny działa jako wzmacniacz odwracający, jeśli spojrzymy na punkt P1, napięcie wynosi 0 V, ponieważ w tym miejscu tworzy się wirtualna masa, więc prąd nie może przepływ przez rezystor R19, aw punkcie wyjściowym P2 napięcie jest ujemne 0,7 V, ponieważ wzmacniacz operacyjny kompensuje spadek diody, więc nie ma możliwości, aby prąd mógł przejść do punktu P3. W ten sposób osiągnęliśmy wyjście 0 V za każdym razem, gdy dodatnia połowa cyklu sygnału jest podawana na wejście wzmacniacza operacyjnego.

Teraz załóżmy, że przyłożyliśmy ujemną połowę sinusoidalnego sygnału AC na wejście wzmacniacza operacyjnego. Oznacza to, że zastosowany sygnał wejściowy jest mniejszy niż 0V.

W tym momencie dioda D2 jest w stanie spolaryzowanym odwrotnie, co oznacza, że ​​jest to obwód otwarty. Powyższy obrazek dokładnie ci to mówi.

Ponieważ dioda D2 jest w stanie spolaryzowanym wstecznie, prąd przepłynie przez rezystor R22, tworząc wirtualną masę w punkcie P1. Teraz, gdy zostanie przyłożona ujemna połowa sygnału wejściowego, na wyjściu otrzymamy dodatni sygnał jako wzmacniacz odwracający. A dioda będzie przewodzić i otrzymamy skompensowaną moc w punkcie P3.

Teraz napięcie wyjściowe będzie wynosić -Vin / R2 = Vout / R1

Więc napięcie wyjściowe staje się Vout = -R2 / R1 * Vin

Przyjrzyjmy się teraz wyjściu obwodu w oscyloskopie.

Praktyczne wyjście obwodu bez podłączonego obciążenia pokazano na powyższym obrazku.

Teraz, jeśli chodzi o analizę obwodu, obwód prostownika półfalowego jest wystarczająco dobry, ale jeśli chodzi o obwód praktyczny, prostownik półfalowy po prostu nie ma praktycznego sensu.

Z tego powodu wprowadzono obwód prostownika pełnookresowego, aby uzyskać precyzyjny prostownik pełnookresowy, wystarczy zrobić wzmacniacz sumujący i to w zasadzie wszystko.

Precyzyjny prostownik pełnookresowy wykorzystujący wzmacniacz operacyjny

Aby wykonać precyzyjny obwód prostownika pełnookresowego, właśnie dodałem wzmacniacz sumujący do wyjścia wspomnianego wcześniej obwodu prostownika półokresowego. Od punktu P1 do punktu P2 to podstawowy precyzyjny obwód prostownika, a dioda jest tak skonfigurowana, że ​​na wyjściu uzyskujemy napięcie ujemne.

Od punktu P2 do punktu P3 jest wzmacniaczem sumującym, sygnał wyjściowy z precyzyjnego prostownika jest podawany do wzmacniacza sumującego przez rezystor R3. Wartość rezystora R3 to połowa wartości R5 lub można powiedzieć, że jest to R5 / 2, w ten sposób ustawiamy wzmocnienie 2X z wzmacniacza operacyjnego.

Wejście z punktu P1 jest również podawane do wzmacniacza sumującego za pomocą rezystora R4, rezystory R4 i R5 odpowiadają za ustawienie wzmocnienia wzmacniacza operacyjnego na 1X.

Ponieważ sygnał wyjściowy z punktu P2 jest podawany bezpośrednio do wzmacniacza sumującego ze wzmocnieniem 2X, oznacza to, że napięcie wyjściowe będzie 2-krotnie większe od napięcia wejściowego. Załóżmy, że napięcie wejściowe jest szczytowe 2V, więc na wyjściu uzyskamy szczyt 4V. W tym samym czasie bezpośrednio zasilamy wejście do wzmacniacza sumującego o wzmocnieniu 1X.

Teraz, gdy nastąpi operacja sumowania, otrzymujemy zsumowane napięcie na wyjściu, które wynosi (-4V) + (+ 2V) = -2V i jako wzmacniacz operacyjny na wyjściu. Ponieważ wzmacniacz operacyjny jest skonfigurowany jako wzmacniacz odwracający, otrzymamy + 2V na wyjściu, które jest punktem P3.

To samo dzieje się, gdy zostanie zastosowany ujemny szczyt sygnału wejściowego.

Powyższy obraz pokazuje końcowe wyjście obwodu, przebieg na niebiesko to wejście, a przebieg na żółto to wyjście z obwodu prostownika półokresowego, a przebieg na zielono to wyjście obwodu prostownika pełnookresowego.

Wymagane składniki

• Układ scalony wzmacniacza operacyjnego LM358 - 2
• 6,8 K, 1% rezystor - 8
• Rezystor 1K - 2
• Dioda 1N4148 - 4
• Deska do chleba - 1
• Przewody połączeniowe - 10
• Zasilanie (± 10 V) - 1

Schemat

Schemat obwodu precyzyjnego prostownika półfalowego i pełnookresowego wykorzystującego wzmacniacz operacyjny przedstawiono poniżej:

Na potrzeby tej demonstracji obwód jest zbudowany w płytce prototypowej bez lutowania, przy pomocy schematu; Aby zmniejszyć pasożytniczą indukcyjność i pojemność, podłączyłem komponenty tak blisko, jak to możliwe.

Dalsze ulepszenia

Obwód można dalej modyfikować, aby poprawić jego wydajność, tak jak możemy dodać dodatkowy filtr w celu odrzucenia szumów o wysokiej częstotliwości.

Ten obwód jest przeznaczony wyłącznie do celów demonstracyjnych. Jeśli myślisz o zastosowaniu tego obwodu w praktycznym zastosowaniu, musisz użyć wzmacniacza operacyjnego typu przerywacza i wysokiej precyzji rezystora 0,1 oma, aby uzyskać absolutną stabilność.

Mam nadzieję, że spodobał Ci się ten artykuł i nauczyłeś się z niego czegoś nowego. Jeśli masz jakiekolwiek wątpliwości, możesz zapytać w komentarzach poniżej lub skorzystać z naszych forów w celu szczegółowej dyskusji.