Аналогові регулятори з урахуванням операційних підсилювачів. Типові пристрої систем регулювання

Регулятор виконує обчислення неузгодженості (різницю між сигналом завдання та сигналом зворотного зв'язку) та його перетворення на керуючий вплив відповідно до певної математичної операції.

У САУ використовуються переважно такі типи регуляторів: пропорційний (П), інтегральний (І) і пропорційно-інтегральний (ПІ). Залежно від виду перетворюваних сигналів розрізняють аналогові та цифрові регулятори.

Аналогові регулятори(АР) реалізуються на основі операційних підсилювачів, цифрові- на основі спеціалізованих обчислювальних пристроїв чи мікропроцесорів. Аналогові регулятори перетворять лише аналогові сигнали, що є безперервними функціями часу. При проходженні АР перетворюється кожне миттєве значення безперервного сигналу.

Для реалізації АР операційний підсилювач (ОУ) включається за схемою підсилювача, що підсумовує, з негативним зворотним зв'язком. Тип регулятора та його передатна функція визначаються схемою включення резисторів та конденсаторів у ланцюгах на вході та у зворотному зв'язку ОУ.

Пропорційний регулятор (П-регулятор) реалізується при включенні до ланцюга зворотного зв'язку ОУ резистора з опором R ос. Цей регулятор характеризується коефіцієнтом пропорційності до , Який може дорівнювати як більше, так і менше одиниці.

Інтегральний регулятор (І-регулятор) реалізується при включенні в ланцюг зворотного зв'язку ОУ конденсатора ос. Цей тип регулятора характеризується постійним часом Т.

Пропорційно-інтегральний регулятор (ПІ-регулятор) реалізується при включенні в ланцюг зворотного зв'язку ОУ резистора з опором R ос і конденсатора ос. Такий регулятор характеризується такими параметрами: коефіцієнт пропорційності до та постійного часу Т.

Для всіх типів регуляторів у схемі реалізації є вхідний опір R1.

Схеми реалізації регуляторів, залежність напруги на виході регулятора U вих від вхідного U вх та їх графічне зображення, а також формули для знаходження параметрів регуляторів наведені в таблиці 1

Таблиця 1 - Регулятори

Поясніть, навіщо призначені датчики струму, які до них висуваються вимоги. Наведіть функціональні схеми електроприводу постійного струму із трансформаторним датчиком струму та датчиком струму на основі шунту.

Датчики струму (ДП) призначені для отримання інформації про силу та напрямок струму двигуна. До них висувають такі вимоги:

Лінійність характеристики управління в діапазоні від 0,1I ном до 5I ном не менше 0,9;

Наявність гальванічної розв'язки силового ланцюга та системи управління;

Висока швидкодія.

Датчик координат АЭПструктурно може бути представлений у вигляді послідовного з'єднання вимірювального перетворювача (ІП) та узгоджувального пристрою (СУ) (рисунок 1). Вимірювальний перетворювач перетворює координату хв електричний сигнал напруги і(або струму i),пропорційний х.Узгоджувальний пристрій здійснює перетворення вихідного сигналу іІП сигнал зворотного зв'язку u ос, який за величиною і формою задовольняє САУ.

Малюнок 1 – Структурна схема датчика координат АЕП

Як вимірювальні перетворювачі в ДТ використовуються трансформатори струму, додаткові (компенсаційні) обмотки дроселів, що згладжують, елементи Холла, шунти.

Широке поширення для вимірювання струму двигунів набули датчики струму на основі шунтів. Шунтявляє собою чотиризатискний резистор із суто активним опором R ш(безиндуктивний шунт), до струмових затискачів якого підключається силовий ланцюг, а до потенційних - вимірювальний. (Малюнок 2)

Для ослаблення впливу шунта на проходження струму ланцюга двигуна його опір має бути мінімальним. Номінальне падіння напруги на шунті зазвичай становить 75 мВ, тому його необхідно підсилити за допомогою підсилювача У. Так як шунт має потенційний зв'язок з силовим ланцюгом, датчик струму повинен містити пристрій гальванічної розв'язки (УГР). Як такі пристрої застосовуються трансформаторні та оптоелектронні пристрої.

Рисунок 2 – Схема включення датчика струму на основі шунта

ДП на основі трансформаторів струму в основному використовуються в АЕП постійного струму для вимірювання струму двигунів при живленні від симетричних мостових однофазних і трифазних випрямлячів. Для однофазного випрямляча (рисунок 3) використовується один трансформатор струму (ТА1), а трифазного - три трансформатора, включених у зірку. Для забезпечення режиму роботи трансформаторів струму, близького до короткого замикання, їх вторинні обмотки навантажуються низькоомними резисторами R ТТ (0,2...1,0 Ом). Перетворення змінної напруги вторинних обмоток здійснюється випрямлячем VD1...VD4.

Рисунок 2 – Схема включення датчика струму на основі трансформатора струму

13. Наведіть функціональну схему датчика ЕРС якоря, поясніть принцип її дії.

При невисоких вимогах до діапазону регулювання швидкості (до 50) як головний зворотний зв'язок в електроприводі застосовується зворотний зв'язок ЕРС. Принцип дії датчика ЕРС якоря ґрунтується на обчисленні ЕРС двигуна.

Функціональна схема датчика ЕРС представлена ​​малюнку 1.

Рисунок 1 – Функціональна схема датчика ЕРС якоря

Для вимірювання напруги якоря використовується дільник на резисторах R2, R3. Для вимірювання струму якоря двигуна використовується додаткова обмотка L1.2 дроселя, що згладжує. Напруга і ячерез дільник, RС-фільтр та повторювач А1 подається на суматор А2. На вхід суматора А2 подається сигнал, пропорційний падінню напруги на обмотці якоря R я. ц∙i я.

Вираз вихідної напруги u депідсилювача А2 для режиму роботи, що встановився, має вигляд

де доде - коефіцієнт передачі датчика ЕРС,

ея – ЕРС якоря.

Для отримання сигналу пропорційного напрузі на якорі двигуна резистивний дільник напруги можна також включити за наступною схемою

Рисунок 2 – Схема включення датчика напруги

Вихідна напруга дільника дорівнює

Датчик напруги крім дільника може містити також пристрої гальванічної розв'язки та

підсилювач.

14. Накресліть схему вертикальної одноканальної системи імпульсно-фазового керування, поясніть принцип її дії за допомогою тимчасових діаграм.

Для управління тиристорами випрямляча використовується система імпульсно-фазового управління (СІФУ), яка виконує такі функції:

Визначення моментів часу, у які мають відкриватися ті чи інші конкретні тиристори; ці моменти часу задаються сигналом управління, що надходить із виходу САУ на вхід СІФУ;

Формування відкривають імпульсів, що передаються в потрібні моменти часу на керуючі електроди тиристорів і мають необхідні амплітуду, потужність і тривалість.

Розглянемо роботу вертикальної одноканальної СІФУ, що управляє тиристорами однофазного мостового випрямляча (рисунок 1).

Малюнок 1 – Схема однофазного мостового випрямляча

Генератор змінної напруги ДПН запускається при вступі з синхронізатора напруги С (рисунок 2). Це відбувається тоді, коли до тиристорам прикладається пряме напруга, тобто. у точках природної комутації.

Малюнок 2 – Схема вертикальної одноканальної СІФУ

З виходу ГПН напруга пилкоподібної форми надходить на пристрій порівняння УС, де воно порівнюється з напругою управління U (рисунок 3). У момент рівності пилкоподібної та керуючої напруги УС виробляє імпульс, який через розподільник імпульсів РІ надходить на формувач імпульсів ФІ1 або ФІ2 і далі через вихідний формувач ВФ1 або ВФ2 на тиристори випрямляча. Вихідні формувачі здійснюють посилення відкриваючих імпульсів за потужністю та потенційний поділ СІФУ від силової частини. Як УС використовується компаратор, виконаний на базі операційного підсилювача.

Рисунок 3 – Діаграми роботи СІФУ

15. Наведіть функціональну схему електроприводу з трифазним нульовим реверсивним випрямлячем із спільним керуванням і поясніть принцип її дії.

При спільному керуванні комплектами тиристорів, що відкривають імпульси одночасно подаються на обидва комплекти VS1, VS2, VS3 та VS4, VS5, VS6 (рисунок 1). При цьому, залежно від напрямку обертання двигуна один комплект працює у режимі випрямлення, а інший – в інверторному. Струм якоря протікає по комплекту, що працює у режимі випрямлення.

Рисунок 1 – Спільне керування комплектами вентилів трифазного нульового

реверсивного випрямляча

Система управління тиристорами випрямляча містить дві СІФУ (СІФУ1, СІФУ2) та аналоговий інвертор А1.

Якщо VS1, VS2, VS3 працюють у випрямлювальному режимі, а VS4, VS5, VS6 в інверторному, двигун обертається вперед. Якщо навпаки, двигун обертається назад.

Так як відкривають імпульси подаються на обидва комплекти, то у схемі через два відкритих вентиля, наприклад VS1 і VS6, утворюється замкнутий контур двох фаз вторинної обмотки трансформатора TV1.

У цьому контурі діє сума ЕРС двох фаз вторинної обмотки, що зветься зрівняльної ЕРС:

де e 1 , е 2 -випрямлені ЕРС комплектів VS1...VS3 та VS4... VS6 відповідно.

Зрівняльна ЕРС еур створює зрівняльний струм I ур. Стосовно зрівняльного струму трансформатор TV1 перебуває у режимі короткого замикання, т.к. активний та індуктивний опори трансформатора малі. Тому для обмеження зрівняльного струму ланцюг його протікання включаються зрівняльні реактори L1 і L2.

Крім включення зрівнювальних реакторів обмеження зрівняльного струму досягається шляхом узгодженого управління комплектами, при якому постійна складова зрівняльної ЕРС Е урдорівнює нулю, тобто.

E ур = E 1 + E 2 = E 0 (cosα 1 +cosα 2) = 0, (1)

де Е 1 ,Е 2- постійні складові ЕРС е 1та e 2 відповідно; Е 0- постійна складова випрямленої ЕРС при α = 0; α 1 , α 2 - кути відкривання комплектів VS1...VS3 та VS4... VS6.

Умова (1) виконуватиметься, коли a 1 + a 2 =p. Ця умова є умовою узгодженого управління комплектами тиристорів.

Спільне управління має наступні переваги:

· Вирівнювальні струми забезпечують провідний стан обох комплектів, незалежно від величини струму навантаження двигунів і як наслідок лінійність характеристик (немає режиму переривчастих струмів).

· Висока швидкодія, завдяки постійній готовності до реверсу струму, яка не пов'язана з будь-якими перемиканнями в схемі.

Однак при спільному управлінні необхідна установка зрівняльних реакторів, що збільшує масу, вартість та габарити електроприводу. Протікання зрівняльних струмів збільшує навантаження елементів силового ланцюга та знижує ККД випрямляча.

16. Накресліть структурну схему електроприводу з реверсивним випрямлячем з роздільним керуванням та поясніть принцип її дії.

У реверсивному випрямлячі з роздільним керуванням при роботі одного комплекту тиристорів у випрямному або інверторному режимі інший комплект повністю виведений з роботи (зняті імпульси, що відкривають). Внаслідок цього відсутній контур проходження зрівняльного струму, що виключає необхідність у зрівняльних реакторах.

Структурну схему електроприводу з реверсивним випрямлячем з роздільним управлінням (РВРУ) наведено на малюнку 1. Роботу РВРУ забезпечують додаткові елементи системи керування тиристорами: датчик провідності вентилів (ДПВ), логічний перемикач (ЛПУ), перемикач характеристики (ПХ).

Малюнок 1 – Структурна схема електроприводу з реверсивним випрямлячем

з роздільним керуванням

ДПВ призначений для визначення стану (відкритий або закритий) тиристорів випрямляча та формування сигналу про їх замикання, що рівнозначно відсутності струму в комплектах.

ЛПЗ виконує такі функції:

Вибирає потрібний комплект вентилів «Вперед» або «Назад» (КВ «В» або КВ «Н») залежно від необхідного напрямку струму двигуна, що задається сигналом U зт

Забороняє появу імпульсів, що відкривають одночасно в обох комплектах тиристорів за допомогою ключів «Вперед» («В») і «Назад» («Н»);

Забороняє подачу відкриваючих імпульсів на комплект, що вступає в роботу до тих пір, поки в раніше працював комплекті проходить струм;

Формує тимчасову паузу між моментом закривання всіх тиристорів раніше працював комплекту і моментом подачі відкривають імпульсів на комплект, що вступає в роботу.

Перемикач характеристики служить узгодження однополярної регулювальної характеристики СИФУ α = ƒ(u у) з реверсивним сигналом U у.

Реверсування двигуна починається із зміни знака завдання швидкості, що викликає зміну знака завдання струму U зт. Це призводить до зменшення напруги управління U у, збільшення кута відкривання 1 тиристорів комплекту вентилів «Вперед», отже, зменшення ЕРС Е 1 і, в результаті, зниження струму якоря до нуля. Закриття вентилів фіксується ДПВ. При отриманні сигналу з ДПВ ЛПУ забороняє подачу імпульсів на тиристори обох комплектів (розмикається «В») і одночасно починає відраховувати тимчасову паузу. Після її закінчення ЛПУ формує дозвіл на подачу імпульсів, що відкривають, на тиристори комплекту вентилів «Назад» (замикається «Н») і перемикання ПХ. Перемикання ПХ призводить до зміни полярності напруги управління U на вході СІФУ. З цього моменту на КВ «Н» починає подаватися імпульс з кутом α 2 , що забезпечує роботу комплекту в інверторному режимі. Оскільки ЕРС обертання більше Е 2 то струм якоря протікає у зворотному напрямку. Двигун перетворюється на генераторний режим роботи, здійснюючи рекуперативне гальмування.

Роздільне управління має наступні переваги:

Відсутні зрівняльні реактори, що значно знижує габарити, масу та вартість реверсивного випрямляча;

Відсутній зрівняльний струм, що зменшує втрати потужності у випрямлячі та підвищує його ККД.

Недоліками роздільного рівняння є:

Наявність режиму переривчастого струму, що потребує лінеаризації параметрів управління випрямляча;

Більш складна система управління через наявність ЛПЗ, ДПЗ та ПХ;

Наявність безструмової паузи при перемиканні комплектів.

Наведіть та опишіть замкнуті структури ЕП побудовані за принципом компенсації зовнішніх збурень та принципом відхилення. Накресліть структурну схему двоконтурної системи підпорядкованого регулювання електроприводу постійного струму та опишіть її блоки.

Замкнуті структурні ЕП будуються за принципом компенсації зовнішніх обурень та принципом відхилення, що називається також принципом зворотного зв'язку.

Принцип компенсації розглянемо з прикладу компенсації найбільш характерного зовнішнього обурення електроприводу – моменту навантаження Мс при регулюванні швидкості ω (рисунок 1а).

Рисунок 1 – Замкнуті структури ЕП

Основною ознакою такої замкнутої структури ЕП, є наявність ланцюга, по якому на вхід ЕП разом із сигналом швидкості Uзс, що задає, подається сигнал пропорційний моменту навантаження

Uм = Км∙Мс, де Км-коефіцієнт пропорційності.

В результаті управління ЕП здійснюється сумарним сигналом U ∆ , який автоматично змінюючись при коливаннях моменту навантаження забезпечує підтримку швидкості на заданому рівні. Незважаючи на ефективність управління ЕП за цією схемою здійснюється рідко, через відсутність простих і надійних датчиків моменту навантаження Мс.

Тому в більшості замкнутих схем використовується принцип відхилення, який характеризується наявністю ланцюга зворотного зв'язку, що з'єднує вихід ЕП з входом. В даному випадку при регулюванні швидкості використовується ланцюг зворотного зв'язку за швидкістю (рисунок 1б), за якою інформація про поточне значення швидкості (сигнал Uос = Кіс ω) подається на вхід ЕП, де він віднімається з сигналу завдання швидкості Uзс. Управління здійснюється сигналом відхилення U ∆ =Uзс-Uос (його також називають сигналом неузгодженості або помилки), який при відмінності швидкості від заданої відповідно автоматично змінюється і, за допомогою САУЭП, усуває ці відхилення.

Залежно від виду регульованої координати в ЕП використовується зворотні зв'язки за швидкістю, положенням, струмом, магнітним потоком, напругою, ЕРС.

Система підлеглого регулювання.

Для управління рухом ІО іноді потрібно регулювати кілька координат ЕП. Наприклад, струм (момент) та швидкість. У цьому випадку замкнуті ЕП виконуються за схемою з підлеглим регулюванням координат.

Малюнок 2 – Структурна схема двоконтурної системи підпорядкованого регулювання

У цій схемі регулювання кожної координати здійснюється власними регуляторами (струму РТ і швидкості РС), які разом з відповідними зворотними зв'язками з коефіцієнтами К ост і К ос, утворюють замкнуті контури. Ці контури розташовуються таким чином, що вхідним сигналом для контуру струму Uзт є вихідний сигнал зовнішнього по відношенню до нього контуру швидкості. Таким чином, внутрішній контур струму буде підпорядкований зовнішньому контуру швидкості - основною регульованою координатою ЕП. Сигнал U ∆ з виходу РТ подається на тиристорний перетворювач ТП. Електродвигун ЕД представлений двома частинами: електричною (ЕЧД) та механічною (МЧД).

Основна перевага такої схеми полягає в можливості оптимального настроювання регулювання кожної координати. Крім того, підпорядкування контуру струму до контуру швидкості дозволяє спростити процес обмеження струму та моменту, для чого необхідно лише підтримувати на відповідному рівні сигнал на виході регулятора швидкості рівня рівня струму.

Поясніть, навіщо призначені статичні перетворювачі частоти з проміжною ланкою постійного струму (СПЛ ПЗПТ). Наведіть структурні схеми СПЧ ПЗПТ, що відрізняються способом регулювання напруги на статорі АТ.

СПЧ ПЗПТ призначені для перетворення змінної напруги з постійною амплітудою та частотою в змінну напругу з регульованою амплітудою та частотою.

Існують три види СПЛ ПЗПТ залежно від способу регулювання напруги:

1. СПЛ ПЗПТ з керованим випрямлячем

У цій схемі напруга амплітуди регулюється на виході випрямляча (рисунок 1).

Малюнок 1 - СПЧ ПЗПТ з керованим випрямлячем

УВ – керований випрямляч, перетворює енергію змінного струму на енергію постійного струму.

Ф - фільтр, служить для згладжування пульсації струму та напруги.

І – інвертор, служить перетворення постійного струму в змінний струм.

СУВ - система управління випрямлячем.

СУІ – система керування інвертором.

ФП – функціональний перетворювач, служить перетворення сигналу завдання частоти U з. f. у сигнал завдання напруги U з. u. залежно від закону частотного управління, що реалізується.

Залежно від виду фільтра Ф у ланці постійного струму, автономний інвертор І ділиться на АІ струму та АІ напруги. У РПЛ на основі АІ струму, фільтр являє собою реактор L з великою індуктивністю (рисунок 2а). Такий інвертор є джерелом струму, тому в цій схемі керуючим впливом на двигун є частота та струм статора.

Малюнок 2 - Схеми фільтрів

АІ напруги є джерелом напруги, для чого фільтр крім індуктивності містить L конденсатор C великої ємності (рисунок 2б). Керуючим впливом на двигун у системі СПЧ з АІ напруги є амплітуда та частота напруги.

2. СПЛ ПЗПТ з некерованим випрямлячем та перетворювачем з широтно-імпульсним управлінням (ПШІУ) у ланці постійного струму (рисунок 3).

Малюнок 3 - СПЧ ПЗПТ з некерованим випрямлячем та ПШІУ

У цьому випадку регулювання напруги здійснюється в ПШІУ, який встановлюється між некерованим випрямлячем НВ та інвертором І. Нерегульована постійна напруга з НВ надходить на ПШІУ, де регулюється за величиною перетворюючись на послідовність прямокутних імпульсів, фільтрується фільтром Ф і надходить на вхід інвертора.

3. СПЛ ПЗПТ з некерованим випрямлячем та з широтно-імпульсною модуляцією напруги в інверторі (рисунок 4).

Малюнок 4 - СПЧ ПЗПТ широтно-імпульсною модуляцією напруги в інверторі

У цій схемі регулювання амплітуди напруги і частоти поєднано в І. Широтно-імпульсна модуляція досягається за допомогою складного алгоритму перемикання вентилів і може реалізовуватися тільки в перетворювачах з керованими ключами: з силовими транзисторами або тиристорами зі штучною комутацією.

Для спрощення процесу побудови регулятора струму на операційних підсилювачах перетворимо його ПФ (8) наступним чином:

(8")

Перше доданок в (8 ") є твір изодромного і аперіодичного ланок, друге - це аперіодична ланка, третє - інерційна ланка, що диференціює. З курсу "Електроніки" відомо, як зібрати на операційних підсилювачах ці ланки.

Рисунок 10 – Регулятор струму на операційних підсилювачах

Схема, як видно, складається з трьох паралельних гілок, що замикаються виходами на суматор, що інвертує, на операційному підсилювачі, тому вихідний сигнал u 2 буде інвертовано щодо вхідного u 1 . У разі потреби узгодження u 1 і u 2 потрібно поставити додатково на виході суматора інвертор. Цей прийом був застосований у середній гілки схеми, оскільки аперіодична ланка побудована на операційному підсилювачі, що інвертує. Верхня гілка відповідає за ПФ
. Твір изодромного і аперіодичного ланок зроблено шляхом послідовного з'єднання їх схем на інвертуючих операційних підсилювачах, так як кожна ланка інвертує сигнал, то узгодження входу та виходу верхньої гілки не потрібно. Нижня гілка, що реалізує інерційну динамічну ланку, вхідний сигнал не інвертує.

Розрахуємо параметри схеми. Відомо що

Задавши R 1 =R 3 =R 5 = R 8 =R 12 =R 17 =R 18 = 500 Ом, R 13 = 300 Ом, R 14 = 50 Ом отримаємо, що З 1 ==
= 240 мкФ, З 2 =З 3 ==
= 10 мкФ, З 4 =
=
= 40 мкФ, R 2 = =
= 380 Ом, R 4 =R 6 =R 9 =R 10 =R 11 =R 16 = 500 Ом, R 7 = 110 Ом, R 15 =
= =
= 310 Ом.

2.3AmLahx - програма побудови асимптотичних лачх і синтезу регуляторів методом бажаних лачх

2.3.1 Загальні відомості про програму

Програма AmLAHX призначена для виконання в середовищі MatLab6.0 або вище та надає користувачеві такі можливості:

має GUI-інтерфейс;

будує асимптотичні ЛАЧХ динамічних об'єктів, заданих у вигляді передавальних функцій;

будує в діалоговому режимі бажану ЛАЧХ розімкнутої системи за критеріями якості, що задаються, в тому числі, програма дозволяє вибирати користувачеві сполучні ділянки (їх нахили) в залежності від виду ЛАЧХ об'єкта управління;

забезпечує автоматичне віднімання з ЛАЧХ розімкнутої системи ЛАЧХ об'єкта управління і побудова таким чином ЛАЧХ регулятора, повертає сполучні частоти і нахили асимптот, що дозволяє досить легко по ЛАЧХ регулятора записати його передатну функцію (у наступних версіях програма буде робити це автоматично);

всі ЛАЧХ будуються із зазначенням нахилів асимптот, користувач може сам визначати кольори кожної ЛАЧХ окремо, а також формат написів на графіках (товщина, висота).

2.3.2 Командний рядок програми

Повний командний рядок для запуску програми має вигляд

yy= amlahx( num,den,flag,param),

де numі den- відповідно чисельник та знаменник ПФ об'єкта управління, numі denповинні бути векторами, записаними у форматі MatLab (див. приклад нижче);

flag- режим роботи (1 (за замовчуванням) або 2);

param- вектор з 6 елементів (чисел), 1, 2 і 3 елементи відповідно товщина ЛАЧХ ОУ, РС і УУ, 4, 5 і 6 - кольори цих ЛАЧХ (за замовчуванням товщина всіх ЛАЧХ дорівнює 1, кольори відповідно червоний, блакитний та зелений) .

AmLAHXбез параметрів працює в demo-режимі, в цьому випадку

num= ,den = ,flag= 2.

Дорога в десять тисяч починається з першого кроку.
(китайське прислів'я)

Справа була ввечері, робити не було чого… І так раптом захотілося спати щось. Таке собі… Електронне!.. Спаяти - так спаяти. Комп'ютер є, Інтернет підключено. Вибираємо схему. І раптом виявляється, що схем для задуманого сабжа - вагон і маленький візок. І всі різні. Досвіду немає, знань обмаль. Який вибрати? Деякі з них містять якісь прямокутнички, трикутнички. Підсилювачі та ще й операційні… Як вони працюють – незрозуміло. Стра-а-ашно!.. А раптом згорить? Вибираємо, що найпростіше, на знайомих транзисторах! Вибрали, спаяли, включили… HELP! Не працює!!! Чому?

Та тому, що «Простота - гірша за крадіжку»! Це як комп'ютер: найшвидший і наворочений – ігровий! А для офісної роботи достатньо і найпростішого. Так само і з транзисторами. Спаяти на них схему мало. Потрібно ще вміти її налаштувати. Занадто багато «підводних каменів» та «граблів». А для цього часто потрібний досвід аж ніяк не початкового рівня. Так що ж, кидати цікаве заняття? Аж ніяк! Просто не треба боятися цих «трикутників-прямокутників». З ними працювати, виявляється, у багатьох випадках набагато простіше, ніж із окремими транзисторами. ЯКЩО ЗНАТИ - ЯК!

Ось цим: розумінням, як працює операційний підсилювач (ОУ, або англійською мовою OpAmp) ми зараз і займемося. При цьому розглядатимемо його роботу буквально «на пальцях», практично не користуючись ніякими формулами, хіба що крім закону дідуся Ома: «Ток через ділянку ланцюга ( I) прямо пропорційний напрузі на ньому ( U) і обернено пропорційний його опору ( R)»:
I = U/R. (1)

Для початку, в принципі, не так вже й важливо, як саме ОУ влаштований усередині. Просто приймемо як припущення, що він є «чорною скринькою» з якоюсь там начинкою. На даному етапі не розглядатимемо і такі параметри ОУ, як «напруга зміщення», «напруга зсуву», «температурний дрейф», «шумові характеристики», «коефіцієнт придушення синфазної складової», «коефіцієнт придушення пульсацій напруги живлення», «смуга пропускання» " і т.п. Всі ці параметри будуть важливими на наступному етапі його вивчення, коли в голові «влягуться» основні принципи його роботи, бо «гладко було на папері, та забули про яри».

Поки що просто припустимо, що параметри ОУ близькі до ідеальних і розглянемо тільки те, який сигнал буде на його виході, якщо якісь сигнали подавати на його входи.

Отже, операційний підсилювач (ОУ) є диференціальним підсилювачем постійного струму з двома входами (інвертуючим та неінвертуючим) і одним виходом. Крім них ОУ має висновки харчування: позитивного та негативного. Ці п'ять висновків є в майжебудь-якому ОУ та принципово необхідні для його роботи.

ОУ має величезний коефіцієнт посилення, як мінімум, 50000...100000, а реально набагато більше. Тому, у першому наближенні, можна навіть припустити, що він дорівнює нескінченності.

Термін "диференціальний" ("different" перекладається з англійської як "різниця", "відмінність", "різниця") означає, що на вихідний потенціал ОУ впливає виключно різницю потенціалів між його входами, незалежновід них абсолютногозначення та полярності.

Термін "постійного струму" означає, що посилює ОУ вхідні сигнали, починаючи від 0 Гц. Верхній діапазон частот (частотний діапазон), що посилюються ОУ сигналів залежить від багатьох причин, таких як частотні характеристики транзисторів, з яких він складається, коефіцієнта посилення схеми, побудованої із застосуванням ОУ і т.п. Але це питання вже виходить за межі первинного ознайомлення з його роботою і розглядатись тут не буде.

Входи ОУ мають дуже великий вхідний опір, що дорівнює десяткам/сотням МегаОм, а то й ГігаОм (і тільки в пам'ятних К140УД1, та ще в К140УД5 воно становило всього 30 ... 50 кОм). Такий великий опір входів означає, що на вхідний сигнал вони практично не впливають.

Тому з великим ступенем наближення до теоретичного ідеалу можна вважати, що струм у входи ОУ не тече . Це - першеважливе правило, яке застосовується під час аналізу роботи ОУ. Прошу добре запам'ятати, що воно стосується тільки самого ОУ, а не схем із його застосуванням!

Що ж означають терміни «інвертуючий» та «неінвертуючий»? По відношенню до чого визначається інверсія і взагалі, що це за "звірятко" такий - інверсія сигналу?

У перекладі з латинської одним із значень слова «inversio» є «обертання», «переворот». Іншими словами, інверсія - це дзеркальне відображення ( віддзеркалення) сигналу щодо горизонтальної осі Х(Восі часу). Рис. 1 показані кілька з множини можливих варіантівінверсії сигналу, де червоним кольором позначений прямий (вхідний) сигнал та синім - проінвертований (вихідний).

Мал. 1 Поняття інверсії сигналу

Особливо слід зазначити, що до нульової лінії (як Рис. 1, А, Б) інверсія сигналу не прив'язана! Сигнали можуть бути інверсними та асиметричними. Наприклад, обидва тільки в області позитивних значень (Рис. 1, В), що характерно для цифрових сигналів або при однополярному живленні (про це йтиметься далі), або обидва частково в позитивній і частково - в негативних областях (Рис. 1, Б, Д). Можливі інші варіанти. Головною умовою є їхня взаємна дзеркальністьщодо якогось довільного обраного рівня (наприклад, штучної середньої точки, про яку мова також вестиметься далі). Іншими словами, полярністьсигналу теж є визначальним чинником.

Зображують ОУ на важливих схемах по-різному. За кордоном ОУ раніше зображувалися, та й зараз дуже часто зображуються як рівнобедреного трикутника (Рис. 2, А). Інвертуючий вхід – символом «мінус», а неінвертуючий – символом «плюс» усередині трикутника. Ці символи зовсім не означають, що на відповідних входах потенціал має бути більш позитивним або негативнішим, ніж на іншому. Вони просто вказують, як реагує потенціал виходу на потенціали, що подаються на входи. У результаті їх легко сплутати з висновками харчування, що може виявитися несподіваними граблями, особливо для початківців.

Мал. 2 Варіанти умовних графічних зображень (УГО)
операційних підсилювачів

У системі вітчизняних умовних графічних зображень (УДО) до набрання чинності ГОСТ 2.759-82 (СТ РЕВ 3336-81) ОУ також зображувалися у вигляді трикутника, тільки вхід, що інвертує, - символом інверсії - кружечком у місці перетину виведення з трикутником (Рис.2). Б), а тепер - у вигляді прямокутника (Рис.2, В).

При позначенні ОУ на схемах інвертуючий і неінвертуючий входи можна міняти місцями, якщо так зручніше, проте традиційно вхід, що інвертує, зображується вгорі, а неінвертуючий - внизу. Висновки харчування, як правило, завжди мають єдиний спосіб (позитивний вгорі, негативний - внизу).

ОУ майже завжди використовуються у схемах з негативним зворотним зв'язком (ООС).

Зворотним зв'язком називається ефект подачі частини вихідної напруги підсилювача на його вхід, де воно алгебраїчно (з урахуванням знака) підсумовується з вхідною напругою. Про принцип підсумовування сигналів йтиметься нижче. Залежно від того, на який вхід ОУ, що інвертує або неінвертує, подається ОС, розрізняють негативний зворотний зв'язок (ООС), коли частина вихідного сигналу подається на інвертуючий вхід (Рис. 3, А) або позитивний зворотний зв'язок (ПОС), коли частина вихідного сигналу подається, відповідно, на вхід, що не інвертує (Рис. 3, Б).

Мал. 3 Принцип формування зворотний зв'язок (ОС)

У першому випадку, оскільки вихідний сигнал є інверсним по відношенню до вхідного, він віднімається від вхідного. Через війну загальне посилення каскаду знижується. У другий випадок - підсумовується з вхідним, загальне посилення каскаду підвищується.

На перший погляд може здатися, що ПІС має позитивний ефект, а ООС - абсолютно марна витівка: навіщо ж знижувати посилення? Саме так і порахували патентні експерти США, коли 1928 р. Гарольд С. Блек спробувавзапатентувати ООС. Однак, жертвуючи посиленням, ми суттєво покращуємо інші важливі параметри схеми, як, наприклад, її лінійність, частотний діапазон тощо. Чим глибше ООС, тим менше характеристики всієї схеми залежать від характеристик ОУ.

А ось ПІС (враховуючи власне величезне посилення ОУ), має зворотний вплив на характеристики схеми і найнеприємніше - викликає її самозбудження. Вона, звичайно, теж використовується усвідомлено, наприклад, у генераторах, компараторах з гістерезисом (докладно про це - далі) тощо, але загалом її вплив на роботу підсилювальних схем з ОУ швидше негативний і вимагає дуже ретельного та обґрунтованого аналізу її застосування.

Оскільки ОУ має два входи, можливі такі основні види його включення з використанням ООС (Рис. 4):

Мал. 4 Основні схеми включення ОУ

а) інвертуюче (Рис. 4, А) - сигнал подається на вхід, що інвертує, а неінвертуючий підключається безпосередньо до опорного потенціалу (не використовується);

б) неінвертуюче (Мал. 4, Б) - сигнал подається на неінвертуючий вхід, а інвертуючий підключається безпосередньо до опорного потенціалу (не використовується);

в) диференційне (Рис. 4, В) - сигнали подаються на обидва входи, що інвертує і неінвертує.

Для аналізу роботи цих схем слід врахувати другенайважливіше правило, якому підпорядковується робота ОУ: Вихід операційного підсилювача прагне до того, щоб різниця напруг між його входами дорівнювала нулю.

Разом з тим, будь-яке формулювання має бути необхідної та достатньої, щоб обмежити все підмножина випадків, що підкоряються їй. Наведена вище формулювання, за всієї її «класичності», це не дає жодної інформації у тому, який із входів «прагне вплинути» вихід. Виходячи з неї, виходить, що ніби ОУ вирівнює напруги на своїх входах, подаючи напругу на них звідкись «зсередини».

Якщо уважно розглянути схеми Мал. 4 можна помітити, що ООС (через Rоос) у всіх випадках заведена з виходу тількина інвертуючий вхід, що дає нам підставу переформулювати це правило так: Напруга на виході ОУ, охопленому ООС, прагне до того, щоб потенціал на вході, що інвертує, зрівнявся з потенціалом на неінвертуючому вході.

Виходячи з цього визначення, «провідним» за будь-якого включення ОУ з ООС є неінвертуючий вхід, а «відомим» - інвертуючий.

При описі роботи ОУ потенціал на його вході, що інвертує, часто називають «віртуальним нулем» або «віртуальною середньою точкою». Переклад латинського слова «virtus» означає «уявний», «уявний». Віртуальний об'єкт веде себе близько до поведінки аналогічних об'єктів матеріальної реальності, тобто, для вхідних сигналів (за рахунок дії ООС) вхід, що інвертує, можна вважати підключеним безпосередньо до такого ж потенціалу, до якого підключений і неінвертуючий вхід. Однак, «віртуальний нуль» є лише окремим випадком, що має місце тільки при двополярному харчуванні ОУ. При використанні однополярного живлення (про що вестиметься нижче), та й у багатьох інших схемах включення, ні на неінвертуючому, ні на вході, що інвертує, нуля не буде. Тому давайте домовимося, що цей термін ми не застосовуватимемо, оскільки він заважає початковому розумінню принципів роботи ОУ.

Ось із цього погляду і розберемо схеми, наведені на Рис. 4. При цьому, для спрощення аналізу, приймемо, що напруга живлення все-таки двополярна, рівна один одному за величиною (скажімо, ± 15 В), із середньою точкою (загальна шина або «земля»), щодо якої і відраховуватимемо вхідні та вихідні напруги. З іншого боку, аналіз проводитиме постійному струму, т.к. змінний сигнал, що змінюється, в кожен момент часу теж можна представити як вибірку значень постійного струму. У всіх випадках зворотний зв'язок через Rоос заведена з виходу ОУ на інвертуючий вхід. Відмінність полягає тільки в тому, на які входи подається вхідна напруга.

а) Інвертуючевключення (Мал. 5).

Мал. 5 Принцип роботи ОУ в інвертуючому включенні

Потенціал на вході, що не інвертує, дорівнює нулю, т.к. він підключений до середньої точки («землі»). Вхідний сигнал, рівний +1 відносно середньої точки (від GB) подано на лівий висновок вхідного резистора Rвх. Припустимо, що опори Rоос і Rвх рівні один одному і становлять 1 ком (у сумі їх опір дорівнює 2 ком).

Згідно з Правилом 2, на вході, що інвертує, має бути такий же потенціал, як і на зануленому неінвертуючому, тобто, 0 В. Отже, до Rвх прикладена напруга +1 В. Відповідно до закону Ома по ньому протікатиме струм Iвх.= 1 В/1000 Ом = 0,001 А (1 мА). Напрямок протікання цього струму показано стрілкою.

Оскільки Rоос і Rвх включені дільником, а згідно з Правилом 1 входи ОУ струму не споживають, то для того, щоб у середній точці цього дільника напруга становила 0, до правого висновку Rоос повинна бути прикладена напруга мінус 1, а протікає по ньому струм Iоостакож має дорівнювати 1 мА. Іншими словами, між лівим висновком Rвх і правим висновком Rоос прикладено напругу 2 В, а струм, що протікає по цьому дільнику, дорівнює 1 мА (2 В / (1 кОм + 1 кОм) = 1 мА), тобто. I вх. = I оос .

Якщо на вхід подати напругу негативної полярності, на виході ОП буде напруга позитивної полярності. Все те саме, тільки стрілки, що показують протікання струму через Rоос і Rвх будуть направлені в протилежний бік.

Таким чином, при рівності номіналів Rоос і Rвх, напруга на виході ОУ дорівнюватиме напрузі на його вході за величиною, але інверсне по полярності. І ми отримали інвертуючий повторювач . Ця схема нерідко застосовується, якщо потрібно проінвертувати сигнал, отриманий за допомогою схем, які є інверторами. Наприклад, логарифмічні підсилювачі.

Тепер давайте, зберігши номінал Rвх, рівним 1 ком, збільшимо опір Roос до 2 ком при тому ж вхідному сигналі +1 В. Загальний опір дільника Roос + Rвх збільшився до 3 ком. Щоб у його середній точці залишився потенціал 0 (рівний потенціалу неинвертирующего входу), через Rоос повинен протікати той же струм (1 мА), що і через Rвх. Отже, падіння напруги на Rоос (напруга на виході ОУ) має становити вже 2 В. На виході ОУ напруга дорівнює мінус 2 Ст.

Збільшимо номінал Rоос до 10 ком. Тепер напруга на виході ОУ за тих же інших умов становитиме вже 10 В. О-о-от! Нарешті ми отримали інвертуючий підсилювач ! Його вихідна напруга більше вхідного (іншими словами, коефіцієнт посилення Ку) у стільки разів, скільки разів опір Rоос більше, ніж опір Rвх. Як я не зарікався не застосовувати формули, давайте все-таки відобразимо це у вигляді рівняння:
Ку = - Uвих / Uвх = - Rоос / Rвх. (2)

Знак мінус перед дробом правої частини рівняння означає тільки те, що вихідний сигнал є інверсним по відношенню до вхідного. І нічого більше!

А тепер давайте збільшимо опір Rоос до 20 ком і проаналізуємо, що вийде. Відповідно до формули (2) при Ку = 20 і вхідному сигналі 1 на виході мало б бути напруга 20 В. Ан не тут-то було! Ми ж раніше прийняли припущення, що напруга живлення нашого ОУ становить лише ± 15 В. Але навіть 15 В отримати не вдасться (чому так трохи нижче). «Вище голови (напруги живлення) не стрибнеш»! У результаті такої наруги над номіналами схеми вихідна напруга ОУ «впирається» в напругу живлення (вихід ОУ входить у насичення). Баланс рівності струмів через дільник RoосRвх ( Iвх. = Iоос) порушується, на вході, що інвертує, з'являється потенціал, відмінний від потенціалу на неінвертуючому вході. Правило 2 перестає діяти.

Вхідний опір інвертуючого підсилювачадорівнює опору Rвх, оскільки через нього протікає весь струм джерела вхідного сигналу (GB).

Тепер давайте замінимо постійний Roос на змінний, з номіналом, скажімо 10 кОм (Рис. 6).

Мал. 6 Схема підсилювача, що інвертує, зі змінним посиленням

При правому (за схемою) положенні його двигуна посилення становитиме Rоос / Rвх = 10 кОм / 1 кОм = 10. Переміщаючи двигун Rоос вліво (зменшуючи його опір) посилення схеми буде знижуватися і, нарешті, при крайньому лівому його положенні стане рівним нулю, оскільки чисельник у наведеній вище формулі стане рівним нулю при будь-кому значення знаменника. На виході буде нуль також за будь-якого значення і полярності вхідного сигналу. Така схема часто застосовується у схемах посилення звукових сигналів, наприклад, у мікшерах, де доводиться регулювати посилення від нуля.

Б) Неінвертуючевключення (Мал. 7).

Мал. 7 Принцип роботи ОУ у неінвертуючому включенні

Лівий висновок Rвх підключений до середньої точки («землі»), а вхідний сигнал, рівний +1 подано прямо на неінвертуючий вхід. Оскільки нюанси аналізу «розжовані» вище, тут приділятимемо увагу лише суттєвим відмінностям.

На першому етапі аналізу також приймемо опори Rоос і Rвх рівними один одному та складовими 1 кОм. Т.к. на неінвертуючому вході потенціал становить +1 В, то за Правилом 2 такий самий потенціал (+1 В) повинен бути і на вході, що інвертує (показано на малюнку). Для цього на правому висновку резистора Rоос (виході ОУ) має бути напруга +2 В. Струми Iвх.і Iоос, Рівні 1 мА, течуть тепер через резистори Rоос і Rвх у зворотному напрямку (показані стрілками). У нас вийшов неінвертуючий підсилювач з посиленням, рівним 2, оскільки вхідний сигнал, рівний +1 формує вихідний сигнал, рівний +2 Ст.

Дивно, чи не так? Номінали ті ж, що і в інвертуючому включенні (відмінність тільки в тому, що сигнал подано на інший вхід), а посилення в наявності. Розберемося в цьому трохи згодом.

Тепер збільшуємо номінал Rоос до 2 ком. Щоб зберегти баланс струмів Iвх. = Iоосі потенціал входу, що інвертує +1 В, на виході ОУ має бути вже +3 В. Ку = 3 В / 1 В = 3!

Якщо порівняти значення Ку при неінвертуючому включенні з інвертуючим, при тих же номіналах Rоос і Rвх, виходить, що коефіцієнт посилення у всіх випадках більше на одиницю. Виводимо формулу:
Ку = Uвих / Uвх + 1 = (Rоос / Rвх) + 1 (3)

Чому так відбувається? Так, дуже просто! ООС діє так само, як і при інвертуючому включенні, але згідно з Правилом 2, до потенціалу входу, що інвертує, в неінвертуючому включенні завжди додається потенціал неінвертуючого входу.

Так що ж, при неінвертуючому включенні не можна отримати посилення, що дорівнює 1? Чому ж не можна – можна. Давайте зменшувати номінал Rоос, аналогічно до того, як ми аналізували Рис. 6. При його нульовому значенні - перемиканні виходу з інвертуючим входом накоротко (Рис. 8, А), згідно з Правилом 2, на виході буде така напруга, щоб потенціал входу, що інвертує, дорівнював потенціалу неінвертуючого входу, тобто, +1 В. Отримуємо: Ку = 1 В / 1 В = 1 (!) Ну, а оскільки інвертуючий вхід струму не споживає і різниці потенціалів між ним та виходом немає, то й ніякий струм у цьому ланцюзі не протікає.

Мал. 8 Схема включення ОУ як повторювача напруги

Rвх стає зайвим, т.к. він підключається паралельно до навантаження, на яке повинен працювати вихід ОУ і через нього абсолютно дарма протікатиме його вихідний струм. А що буде, якщо залишити Roос, але прибрати Rвх (Рис. 8, Б)? Тоді у формулі посилення Ку = Rоос / Rвх + 1 опір Rвх теоретично стає близьким до нескінченності (в реальності, звичайно ж, ні, тому що існують витоку по платі, та й вхідний струм ОУ хоч і зневажливо малий, але нулю все- таки не дорівнює), причому співвідношення Rоос / Rвх прирівнюється до нуля. У формулі залишається лише одиниця: Ку = + 1. А посилення менше одиниці для цієї схеми можна отримати? Ні, менше не вийде за жодних обставин. «Зайву» одиницю у формулі посилення на кривій козі не об'їдеш…

Після того, як ми прибрали всі «зайві» резистори, виходить схема неінвертуючого повторювача , показана на мал. 8, Ст.

На погляд, така схема немає практичного сенсу: навіщо потрібно одиничне та ще й неінверсне «посилення» - що, не можна просто подати сигнал далі??? Однак такі схеми застосовуються досить часто і ось чому. Згідно з Правилом 1 струм у входи ОУ не тече, тобто, вхідний опір неинвертирующего повторювача дуже велике - ті самі десятки, сотні і навіть тисячі МОм (це ж відноситься і до схеми Рис. 7)! А ось вихідний опір дуже мале (частки Ома!). Вихід ОУ «пихає щосили», намагаючись, згідно з Правилом 2, підтримати на вході, що інвертує, такий же потенціал, як і на неінвертуючому. Обмеженням є лише допустимий вихідний струм ОУ.

А ось з цього місця ми трохи вільнемо убік і розглянемо питання вихідних струмів ОУ трохи докладніше.

Для більшості ОУ широкого застосування в технічних параметрах зазначено, що опір навантаження, підключеного до їх виходу, не повинен бути менше 2 ком. Більше – скільки завгодно. Для набагато меншого числа воно становить 1 ком (К140УД ...). Це означає, що за найгірших умов: максимальної напруги живлення (наприклад, ±16 В або сумарно 32 В), навантаженням, підключеним між виходом і однією з шин живлення і максимальною вихідною напругою протилежної полярності, до навантаження буде додана напруга близько 30 В. При цьому струм через неї складе: 30 В / 2000 Ом = 0,015 А (15 мА). Не так, щоб мало, але й не дуже багато. На щастя більшість ОУ широкого застосування мають вбудований захист від перевищення вихідного струму - типове значення максимального вихідного струму становить 25 мА. Захист запобігає перегріву та виходу ОУ з ладу.

Якщо напруга живлення не максимально допустима, то мінімальний опір навантаження можна пропорційно зменшувати. Скажімо, при харчуванні 7,5...8 (сумарно 15...16) воно може становити 1 ком.

в) Диференційневключення (Рис. 9).

Мал. 9 Принцип роботи ОУ у диференціальному включенні

Отже, припустимо, що при однакових номіналах Rвх і Rоос, рівних 1 кОм, на обидва входи схеми подані однакові напруги, рівні +1 (Рис. 9, А). Оскільки потенціали по обидва боки резистора Rвх рівні один одному (напруги на резисторі дорівнює 0), струм через нього не протікає. Отже, дорівнює нулю і струм через резистор Roос. Тобто, ці два резистори жодної функції не виконують. По суті ми фактично отримали неінвертуючий повторювач (порівняйте з Рис. 8). Відповідно, на виході отримаємо таку ж напругу, як і на неінвертуючому вході, тобто. Тепер між висновками Rвх прикладена напруга 2 і через нього тече струм Iвх= 2 мА (сподіваюся, що докладно розписувати, чому так – вже не потрібно?). Для того, щоб компенсувати цей струм, через Roос теж повинен протікати струм, що дорівнює 2 мА. А для цього на виході ОУ має бути напруга +3 ст.

Ось де виявився єхидний «оскал» додаткової одиниці у формулі коефіцієнта посилення підсилювача, що не інвертує. Виходить, що за такого спрощеномудиференційному включенні різниця в коефіцієнтах посилення постійно зсуває вихідний сигнал на величину потенціалу на вході, що не інвертує. Проблема з! Однак, «Навіть якщо вас з'їли – у вас все одно залишається як мінімум два виходи». Отже, нам якимось чином треба зрівняти коефіцієнти посилення інвертуючого та неінвертуючого включень, щоби «нейтралізувати» цю зайву одиницю.

Для цього подамо вхідний сигнал на вхід, що не інвертує, не безпосередньо, а через дільник Rвх2, R1 (Рис. 9, В). Приймемо їх номінали також по 1 кому. Тепер на неінвертуючому (а значить, і на інвертуючому теж) вході ОУ буде потенціал +0,5 В, через нього (і Rоос) протікатиме струм Iвх = Iоос= 0,5 мА, для забезпечення якого на виході ОУ має бути напруга, що дорівнює 0 В. Фу-у-ух! Ми досягли, чого хотіли! При рівних за величиною і полярності сигналах на обох входах схеми (в даному випадку +1 В, але те саме буде справедливо і для мінус 1 В і для будь-яких інших цифрових значень), на виході ОУ зберігатиметься нульова напруга, що дорівнює різниці вхідних сигналів .

Перевіримо це міркування, подавши на сигнал, що інвертує вхід, негативної полярності мінус 1 В (Рис. 9, Г). При цьому Iвх = Iоос= 2 мА, навіщо на виході має бути +2 У. Все підтвердилося! Рівень вихідного сигналу відповідає різниці між вхідними сигналами.

Звісно, ​​за рівності Rвх1 і Rоос (відповідно, Rвх2 і R1) посилення ми отримаємо. Для цього потрібно збільшити номінали Rоос і R1, як це робили при аналізі попередніх включень ОУ (не повторюватимусь), причому повинно суворо дотримуватися співвідношення:

Rоос/Rвх1 = R1/Rвх2. (4)

Що корисного ми отримуємо від такого включення практично? А отримуємо ми чудову властивість: вихідна напруга не залежить від абсолютних значень вхідних сигналів, якщо вони рівні один одному за величиною та полярністю. На вихід надходить лише різницевий (диференціальний) сигнал. Це дозволяє посилювати дуже малі сигнали на тлі перешкоди, що однаково діє на обидва входи. Наприклад, сигнал із динамічного мікрофона на тлі наведення мережі промислової частоти 50 Гц.

Однак, у цій бочці меду, на жаль, є ложка дьогтю. По-перше, рівність (4) має дотримуватися дуже строго (аж до десятих, а іноді й сотих відсотка!). Інакше виникне розбаланс струмів, що діють у схемі, а отже, крім різницевих (протиофазних) сигналів будуть посилюватися і поєднані (синфазні) сигнали.

Давайте розберемося з сутністю цих термінів (Рис. 10).

Мал. 10 Зсув фази сигналу

Фаза сигналу - це величина, що характеризує усунення початку відліку періоду сигналу щодо початку відліку часу. Оскільки і початок відліку часу, і початок відліку періоду вибираються довільно, фаза одного періодичногосигналу фізичним змістом немає. Однак різниця фаз двох періодичнихсигналів - це величина, що має фізичний зміст, вона відображає запізнення одного із сигналів щодо іншого. Що вважати початком періоду, немає жодного значення. За точку початку періоду можна взяти нульове значення із позитивним нахилом. Можна – максимум. Все у нашій владі.

Рис. 9 червоним позначений вихідний сигнал, зеленим - зрушений на період періоду відносно вихідного і синім - на період періоду. Якщо порівняти червону та синю криві з кривими на Мал. 2, Б, можна помітити, що вони взаємно інверсни. Т.ч., «синфазні сигнали» - це сигнали, що збігаються один з одним у кожній своїй точці, а «протифазні сигнали» - інверсніодин щодо одного.

У той же час, поняття інверсіїширше, ніж поняття фази, т.к. останнє застосовується тільки до регулярно повторюваних, періодичних сигналів. А поняття інверсіїзастосовно до будь-яких сигналів, у тому числі і неперіодичним, як, наприклад, звуковий сигнал, цифрова послідовність або постійна напруга. Щоб фазабула заможною величиною, сигнал має бути періодичним хоча б на деякому інтервалі. В іншому випадку, фаза і період перетворюються на математичні абстракції.

По-друге, інвертуючий та неінвертуючий входи в диференціальному включенні при рівності номіналів Rоос = R1 і Rвх1 = Rвх2 будуть мати різні вхідні опори. Якщо вхідний опір входу, що інвертує, визначається тільки номіналом Rвх1, то неінвертованого - номіналами послідовновключених Rвх2 і R1 (ще не забули, що входи ОУ струму не споживають?). У наведеному вище прикладі вони становитимуть, відповідно, 1 та 2 ком. А якщо ми збільшимо Rоос і R1 для отримання повноцінного підсилювального каскаду, то різниця зросте ще суттєвіше: при Ку = 10 - до, відповідно, того ж 1 кОм і цілих 11 кОм!

На жаль, практично зазвичай ставлять номінали Rвх1 = Rвх2 і Rоос = R1. Однак це прийнятно, тільки якщо джерела сигналу для обох входів мають дуже низьке вихідний опір. Інакше воно утворює дільник із вхідним опором даного підсилювального каскаду, а оскільки коефіцієнт поділу таких «дільників» буде різним, то і результат очевидний: диференціальний підсилювач з такими номіналами резисторів не виконуватиме своєї функції придушення синфазних (поєднаних) сигналів, або виконувати цю функцію .

Одним із шляхів вирішення даної проблеми може бути нерівність номіналів резисторів, підключених до інвертуючого та неінвертуючого входів ОУ. А саме, щоб Rвх2 + R1 = Rвх1. Ще одним важливим моментом є досягнення точного дотримання рівності (4). Як правило, цього домагаються шляхом розбиття R1 на два резистори - постійний, зазвичай 90% від потрібного номіналу і змінний (R2), опір якого становить 20% від потрібного номіналу (Рис. 11, А).

Мал. 11 Варіанти балансування диференціального підсилювача

Шлях загальноприйнятий, але знову ж таки, при такому способі балансування нехай і небагато, але змінюється вхідний опір входу, що не інвертує. Набагато стабільніший варіант з включенням підстроювального резистора (R5) послідовно з Rоос (Рис. 11, Б), оскільки Rоос у формуванні вхідного опору входу, що інвертує, участі не бере. Головне - зберегти співвідношення їх номіналів, аналогічно варіанту "А" (Rоос / Rвх1 = R1 / Rвх2).

Коли ми повели мову про диференціальне включення і згадали повторювачі, хотілося б описати одну цікаву схему (Рис. 12).

Мал. 12 Схема інвертованого/неінвертованого повторювача, що перемикається

Вхідний сигнал подається одночасно на обидва входи схеми (інвертуючий та неінвертуючий). Номінали всіх резисторів (Rвх1, Rвх2 і Rоос) рівні одне одному (у разі візьмемо їх реальні значення: 10…100 кОм). Неінвертуючий вхід ОУ ключем SA може замикатися на загальну шину.

У замкнутому положенні ключа (Рис. 12, А) резистор Rвх2 у роботі схеми не бере участі (через нього тільки «марно» тече струм Iвх2від джерела сигналу загальну шину). Отримуємо інвертуючий повторювачз посиленням рівним мінус 1 (див. мал. 6). А ось при розімкнутому положенні ключа SA (Рис. 12, Б) отримуємо неінвертуючий повторювачіз посиленням рівним +1.

Принцип роботи цієї схеми можна висловити кілька по-іншому. При замкнутому ключі SA вона працює як підсилювач, що інвертує, з посиленням, рівним мінус 1, а при розімкнутому - одночасно(!) і як підсилювач, що інвертує з посиленням, мінус 1, і як неінвертуючий підсилювач з посиленням +2, звідки: Ку = +2 + (–1) = +1.

У такому вигляді цю схему можна використовувати, якщо, наприклад, на етапі проектування невідома полярність вхідного сигналу (скажімо, від датчика, якого немає доступу до початку налагодження пристрою). Якщо ж як ключ використовувати транзистор (наприклад, польовий), керований від вхідного сигналу за допомогою компаратора(про нього мова вестиметься нижче), то отримаємо синхронний детектор(Синхронний випрямляч). Конкретна реалізація такої схеми, звичайно ж, виходить за рамки початкового ознайомлення з роботою ОУ і ми її тут знову ж таки докладно розглядати не будемо.

А тепер давайте розглянемо принцип підсумовування вхідних сигналів (Рис. 13, А), а заразом розберемося, які ж номінали резисторів Rвх і Rоос повинні бути в реальності.

Мал. 13 Принцип роботи інвертуючого суматора

Беремо за основу вже розглянутий вище підсилювач, що інвертує (Рис. 5), тільки до входу ОУ підключаємо не один, а два вхідних резистора Rвх1 і Rвх2. Поки що, у «навчальних» цілях, приймаємо опори всіх резисторів, включаючи Roос, рівними 1 кОм. На ліві висновки Rвх1 і Rвх2 подаємо вхідні сигнали, рівні +1 В. Через ці резистори протікають струми, що дорівнює 1 мА (показані стрілками, спрямованими зліва направо). Для підтримки на вході, що інвертує, такого ж потенціалу, як і на неінвертуючому (0 В), через резистор Rоос повинен протікати струм, рівний сумі вхідних струмів (1 мА +1 мА = 2 мА), показаний стрілкою, спрямованою в протилежному напрямку (справа наліво ), для чого на виході ОУ має бути напруга мінус 2 ст.

Той самий результат (вихідна напруга мінус 2 В) можна отримати, якщо на вхід підсилювача, що інвертує (Рис. 5) подати напругу +2 В, або номінал Rвх зменшити вдвічі, тобто. до 500 Ом. Збільшимо напругу, прикладену до резистори Rвх2 до +2 В (Рис. 13, Б). На виході отримаємо напругу мінус 3, що дорівнює сумі вхідних напруг.

Входів може бути не два, а скільки завгодно багато. Принцип роботи даної схеми від цього не зміниться: вихідна напруга в будь-якому випадку буде прямо пропорційно алгебраїчній сумі (з урахуванням знака!) струмів, що проходять через резистори, підключені до входу ОУ, що інвертує (зворотно пропорційно їх номіналам), незалежно від їх кількості.

Якщо ж, на входи інвертуючого суматора подати сигнали, рівні +1 В і мінус 1 В (Рис. 13, В), то струми, що протікають через них, будуть різноспрямовані, вони взаємно скомпенсуються і на виході буде 0 В. Через резистор Rоос у такому випадку Струм протікати не буде. Іншими словами, струм, що протікає по Rоос, алгебраїчно підсумовується з вхіднимиструмами.

Звідси також виникає важливий момент: поки ми оперували невеликими вхідними напругами (1…3 В), вихід ОУ широкого застосування цілком міг забезпечити такий струм (1…3 мА) для Rоос і ще залишалося для навантаження, підключеної до виходу ОУ. Але якщо напруги вхідних сигналів збільшити до максимально допустимих (близьких до напруги живлення), то виходить, що весь вихідний струм піде в Rоос. Для навантаження нічого не залишиться. А кому потрібен підсилювальний каскад, який працює сам на себе? Крім того, номінали вхідних резисторів, рівні всього 1 кОм (відповідно, що визначають вхідний опір підсилювального каскаду, що інвертує), вимагають протікання по них надмірно великих струмів, сильно навантажують джерело сигналу. Тому в реальних схемах опір Rвх вибирається не менше 10 кОм, але і бажано не більше 100 кОм, щоб при заданому коефіцієнті підсилення не ставити Rоос надто великого номіналу. Хоча ці величини і не є абсолютними, а лише прикидними, як кажуть, «у першому наближенні» - все залежить від конкретної схеми. У будь-якому випадку небажано, щоб через Rоос протікав струм, що перевищує 5 ... 10% максимального вихідного струму даного конкретного ОУ.

Підсумовані сигнали можна подавати і на вхід, що не інвертує. Виходить неінвертуючий суматор. Принципово така схема працюватиме точно так само, як і суматор, що інвертує, на виході якого буде сигнал, прямо пропорційний вхідним напругам і назад пропорційний номіналам вхідних резисторів. Проте, практично вона використовується набагато рідше, т.к. містить "граблі", які слід враховувати.

Оскільки Правило 2 діє тільки для входу, що інвертує, на якому діє «віртуальний потенціал нуля», то на неінвертуючому буде потенціал, рівний алгебраїчній сумі вхідних напруг. Отже, вхідна напруга, що є на одному з входів, впливатиме на напругу, що надходить на інші входи. Адже «Віртуального потенціалу» на неінвертуючому вході немає! У результаті доводиться застосовувати додаткові схемотехнічні хитрощі.

Досі розглядали схеми на ОУ з ООС. А що буде, якщо зворотний зв'язок усунути взагалі? У такому разі ми отримуємо компаратор(Рис. 14), тобто, пристрій, що порівнює за абсолютним значенням два потенціали на своїх входах (від англійського слова compare- Порівнювати). На його виході буде напруга, що наближається до однієї з напруг живлення залежно від того, який сигнал більше за інший. Зазвичай вхідний сигнал подається однією з входів, але в інший - постійне напруга, з яким він порівнюється (т.зв. «опорне напруга»). Воно може бути будь-яким, у тому числі й рівним нульовому потенціалу (Рис. 14, Б).

Мал. 14 Схема включення ОУ як компаратора

Однак, не все так добре «в королівстві Датському»… А що станеться, якщо напруга між входами дорівнюватиме нулю? За ідеєю, на виході теж має бути нуль, але насправді - ніколи. Якщо потенціал на одному з входів хоч трохи переважить потенціал іншого, то вже цього буде достатньо, щоб на виході виникли хаотичні стрибки напруги через випадкові збурення, що наводяться на входи компаратора.

Насправді будь-який сигнал є «зашумленим», т.к. ідеалу може бути за визначенням. І в області, наближеній до точки рівності потенціалів входів, на виході компаратора з'явиться пачка вихідних сигналів замість одного чіткого перемикання. Для боротьби з цим явищем у схему компаратора часто вводять гістерезисшляхом створення слабкої позитивної ПІС з виходу на неінвертуючий вхід (Рис. 15).

Мал. 15 Принцип дії гістерези в компараторі за рахунок ПОС

Проаналізуємо роботу цієї схеми. Напруги її живлення становлять ±10 (для рівного рахунку). Опір Rвх дорівнює 1 ком, а Rпос - 10 ком. Як опорну напругу, що надходить на інвертуючий вхід, обраний потенціал середньої точки. Червоною кривою показаний вхідний сигнал, що надходить на лівий висновок Rвх (вхід схемикомпаратора), синій – потенціал на неінвертуючому вході ОУ та зеленій – вихідний сигнал.

Поки вхідний сигнал має негативну полярність, на виході - негативна напруга, яка через Rпос підсумовується з вхідною напругою пропорційно номіналам відповідних резисторів. В результаті потенціал неінвертуючого входу у всьому діапазоні негативних значень на 1 (за абсолютним значенням) перевищує рівень вхідного сигналу. Як тільки потенціал входу, що не інвертує, зрівняється з потенціалом інвертируючого (для вхідного сигналу це буде становити + 1 В), напруга на виході ОУ почне перемикатися з негативної полярності в позитивну. Сумарний потенціал на неінвертуючому вході розпочнеться лавиноподібноставати ще позитивнішим, підтримуючи процес такого перемикання. У результаті незначні шумові коливання вхідного та опорного сигналів компаратор просто «не помітить», оскільки вони будуть на багато порядків меншими за амплітудою, ніж описана «сходинка» потенціалу на вході, що не інвертує, при перемиканні.

При зниженні вхідного сигналу зворотне перемикання вихідного сигналу компаратора відбудеться при вхідній напрузі мінус 1 В. Ось ця різниця між рівнями вхідного сигналу, що ведуть до перемикання виходу компаратора, рівна в нашому випадку сумарно 2, і називається гістерезисом. Чим більший опір Rпос стосовно Rвх (менше глибина ПОС), тим менший гістерезис перемикання. Так, при Rпос = 100 кОм він становитиме всього 0,2, а при Rпос = 1 Мом - 0,02 В (20 мВ). Вибирається гістерезис (глибина ПОС), з реальних умов функціонування компаратора у конкретній схемі. В якій і 10 мВ буде багато, а в якій - і 2 мало.

На жаль, не кожен ОУ і не у всіх випадках можна використовувати як компаратор. Випускаються спеціалізовані мікросхеми компараторів, призначені для узгодження аналогових і цифрових сигналів. Частина з них спеціалізована для підключення до цифрових ТТЛ-мікросхем (597СА2), частина - цифрових ЕСЛ-мікросхем (597СА1), проте більшість є т.зв. "компараторами широкого застосування" (LM393/LM339/К554СА3/К597СА3). Їхня основна відмінність від ОУ полягає в особливому пристрої вихідного каскаду, який виконаний на транзисторі з відкритим колектором (Рис. 16).

Мал. 16 Вихідний каскад компараторів широкого застосування
та його підключення до навантажувального резистори

Це вимагає обов'язкового застосування зовнішнього навантажувального резистора(R1) без якого вихідний сигнал просто фізично не здатний сформувати високий (позитивний) вихідний рівень. Напруга +U2, до якого підключається резистор навантаження, може бути іншим, ніж напруга живлення +U1 самої мікросхеми компаратора. Це дозволяє простими засобами забезпечити вихідний сигнал потрібного рівня - чи він ТТЛ чи КМОП.

Примітка У більшості компараторів, прикладом яких можуть бути здвоєні LM393 (LM193/LM293) або точно такі ж за схемотехнікою, але лічильники LM339 (LM139/LM239), емітер транзистора вихідного каскаду з'єднаний з мінусовим виведенням живлення, що кілька обмежує область. У зв'язку з цим хотів би звернути увагу на компаратор LM31 (LM111/LM211), аналогом якого є вітчизняний 521/554СА3, в якому окремо виведені як колектор, так і емітер вихідного транзистора, які можна підключати до інших напруг, ніж напруги живлення компаратора. Єдиним і відносним його недоліком є ​​лише те, що у 8-вивідному (іноді в 14 вивідному) корпусі він лише один.

Досі розглядали схеми, у яких вхідний сигнал надходив на вхід(и) через Rвх, тобто. всі вони були перетворювачамивхідного напруги ввихідний напругаж. При цьому вхідний струм протікав через Rвх. А що буде, якщо його опір прийняти рівним нулю? Працювати схема буде так само, як і розглянутий вище інвертуючий підсилювач, тільки як Rвх буде служити вихідний опір джерела сигналу (Rвих), а ми отримаємо перетворювачвхідного струму ввихідний напруга(Мал. 17).

Мал. 17 Схема перетворювача струму на напругу на ОУ

Оскільки на вході, що інвертує, потенціал такий же, як і на неінвертуючому (в даному випадку дорівнює «віртуальному нулю»), весь вхідний струм ( Iвх) протікатиме через Rоос між виходом джерела сигналу (G) і виходом ОУ. Вхідний опір такої схеми близький до нульового, що дозволяє будувати на її основі мікро/міліамперметри, що практично не впливають на струм, що протікає по ланцюгу, що вимірюється. Мабуть, єдиним обмеженням є допустимий діапазон вхідної напруги ОУ, який не слід перевищувати. З її допомогою можна побудувати також, наприклад, лінійний перетворювач струму фотодіода в напругу та багато інших схем.

Ми розглянули основні засади функціонування ОУ у різних схемах його включення. Залишилося одне важливе питання: їх живлення.

Як було сказано вище, ОУ типово має всього 5 висновків: два входи, вихід та два виведення живлення, позитивного та негативного. Загалом використовується двополярне харчування, тобто джерело живлення має три висновки з потенціалами: + U; 0; -U.

Ще раз уважно розглянемо всі наведені вище малюнки та побачимо, що окремого виведення середньої точки в ОУ НІ ! Для роботи їхньої внутрішньої схеми вона просто не потрібна. На деяких схемах із середньою точкою з'єднувався неінвертуючий вхід, однак це не є правилом.

Отже, переважна більшість сучасних ОУ призначені для харчування ОДНОПОЛЯРНИМ напругою! Виникає закономірне питання: «А навіщо тоді потрібно двополярне харчування», якщо ми так завзято і з завидною постійністю зображували його на малюнках?

Виявляється, воно просто дуже зручнодля практичних цілей з наступних причин:

А) Для забезпечення достатнього струму та розмаху вихідної напруги через навантаження (Рис. 18).

Мал. 18 Перебіг вихідного струму через навантаження при різних варіантах живлення ОУ

Поки що не розглядатимемо вхідні (і ООС) ланцюги схем, зображених на малюнку («чорна скринька»). Приймемо як даність, що на вхід подається якийсь вхідний синусоїдальний сигнал (чорна синусоїда на графіках) і на виході виходить такий же синусоїдальний сигнал, посилений по відношенню до вхідного кольорова синусоїда на графіках).

При підключенні навантаження Rнагр. між виходом ОУ та середньої точки з'єднання джерел живлення (GB1 та GB2) - Мал. 18, А струм через навантаження протікає симетрично щодо середньої точки (відповідно, червона і синя напівхвилі), а його амплітуда максимальна і амплітуда напруги на Rнагр. також максимально можлива - вона може досягати майже напруги живлення. Струм від джерела живлення відповідної полярності замикається через ОУ, Rнагр. та джерело живлення (червона та синя лінії, що показують протікання струму у відповідному напрямку).

Оскільки внутрішній опір джерел живлення ОУ дуже мало, струм, що проходить через навантаження, обмежений лише її опором та максимальним вихідним струмом ОУ, який типово становить 25 мА.

При живленні ОУ однополярною напругою як загальної шинивибирається зазвичай негативний (мінусовий) полюс джерела живлення, до якого підключається другий висновок навантаження (Рис. 18, Б). Тепер струм через навантаження може протікати тільки в одному напрямку (показано червоною лінією), в другому напрямку просто нема звідки взятися. Іншими словами, струм через навантаження стає асиметричним (пульсуючим).

Однозначно стверджувати, що такий варіант поганий, не можна. Якщо навантаженням є, скажімо, динамічна головка, то це погано однозначно. Однак, існує безліч застосувань, коли підключення навантаження між виходом ОУ та однією з шин живлення (як правило, негативної полярності), не тільки допустиме, але й єдине можливе.

Якщо все-таки необхідно забезпечити симетрію протікання струму через навантаження при однополярному живленні, то доводиться гальванічно розв'язувати від виходу ОУ гальванічно конденсатором С1 (Рис. 18, У).

Б) Для забезпечення потрібного струму входу, що інвертує, а також прив'язкивхідних сигналів до якогось довільно обраномурівнем, прийнятомуза опорний (нульовий) – завдання режиму роботи ОУ по постійному струму (Рис. 19).

Мал. 19 Підключення джерела вхідного сигналу за різних варіантів живлення ОУ

Тепер розглянемо варіанти підключення джерел вхідних сигналів, виключивши з розгляду підключення навантаження.

Підключення інвертуючого та неінвертуючого входів до середньої точки з'єднання джерел живлення (Рис. 19, А) було розглянуто при аналізі наведених раніше схем. Якщо неінвертуючий вхід струму не споживає і просто приймає потенціал середньої точки, то через джерело сигналу (G) і Rвх, включені послідовно, струм протікає, замикаючись через відповідне джерело живлення! А оскільки їх внутрішні опори зневажливо малі в порівнянні з вхідним струмом (на багато порядків менше, ніж Rвх), то і впливу на напруги живлення він практично не чинить.

Таким чином, при однополярному живленні ОУ, можна спокійно сформувати потенціал, що подається на його неінвертуючий вхід, за допомогою дільника R1R2 (Рис. 19, Б, В). Типові номінали резисторів цього дільника становлять 10...100 кОм, причому нижній (підключений до загальної мінусової шини) вкрай бажано зашунтувати конденсатором на 10...22 мкф, щоб суттєво знизити вплив пульсацій напруги живлення на такий потенціал. штучною середньої точки.

А ось джерело сигналу (G) до цієї штучної середньої точки підключати вкрай небажано все через той самий вхідний струм. Давайте прикинемо. Навіть за номіналів дільника R1R2 = 10 кОм і Rвх = 10…100 кОм, вхідний струм Iвхстановитиме у разі 1/10, а гіршому - до 100% струму, що проходить через дільник. Отже, на стільки ж «плаватиме» потенціал на вході, що не інвертує, у поєднанні (синфазно) з вхідним сигналом.

Щоб усунути взаємовплив входів один на одного при посиленні сигналів постійного струму при такому включенні, для джерела сигналу слід організувати окремий потенціал штучної середньої точки, що формується резисторами R3R4 (Рис. 19, Б), або якщо посилюється сигнал змінного струму, гальванічно розв'язати джерело сигналу від входу, що інвертує, конденсатором С2 (Рис. 19, В).

Слід зазначити, що у наведених вище схемах (Рис. 18, 19) ми за умовчанням прийняли припущення, що вихідний сигнал має бути симетричним щодо середньої точки джерел живлення, або штучної середньої точки. Насправді це потрібно не завжди. Досить часто потрібно, щоб вихідний сигнал мав переважно або позитивну або негативну полярність. Тому зовсім не обов'язково, щоб позитивна та негативна полярності джерела живлення були рівними за абсолютним значенням. Одне з них може бути значно меншим за абсолютним значенням, ніж інше - тільки таким, щоб забезпечити нормальне функціонування ОУ.

Виникає закономірне питання: «А яким саме»? Щоб відповісти на нього, коротко розглянемо допустимі діапазони напруги вхідних та вихідного сигналів ОУ.

У будь-якого ОУ потенціал на виході не може бути вищим, ніж потенціал позитивної шини живлення і нижче, ніж потенціал негативної шини живлення. Іншими словами, вихідна напруга не може вийти за межі напруги живлення. Наприклад, для ОУ OPA277 вихідна напруга при опорі навантаження 10 ком менше напруги позитивної шини живлення на 2 В і негативної шини живлення - на 0,5 В. Ширина цих «мертвих зон» вихідної напруги, яких не може досягти вихід ОУ, залежить від ряду факторів, таких як схемотехніка вихідного каскаду, опір навантаження та ін.). Існують ОУ, які мають мертві зони мінімальні, наприклад, по 50 мВ до напруги шин живлення при навантаженні 10 кОм (для OPA340), ця особливість ОУ називається «rail-to-rail» (R2R).

З іншого боку, для ОУ широкого застосування вхідні сигнали також не повинні перевищувати напруги живлення, а для деяких - бути менше їх на 1,5...2 В. Однак, існують ОУ зі специфічною схемотехнікою вхідного каскаду (наприклад, LM358/LM324) , які можуть працювати не тільки від рівня негативного харчування, але навіть «мінусовіше» його на 0,3 В, що суттєво полегшує їх використання при однополярному харчуванні із загальною негативною шиною.

Давайте нарешті розглянемо і помацаємо цих «жучків-паучків». Можна навіть обнюхати та облизати. Дозволяю. Розглянемо їх найчастіші варіанти, доступні радіоаматорам-початківцям. Тим більше, якщо доводиться випоювати ОУ зі старої апаратури.

Для ОУ старих розробок, які в обов'язковому порядку потребують зовнішніх ланцюгів для частотної корекції, щоб запобігти самозбудженню, була характерна наявність додаткових висновків. Деякі ОУ через це навіть не «влазили» до 8-вивідного корпусу (рис. 20, А) і виготовлялися в 12-вивідних круглих метало-скляних, наприклад, К140УД1, К140УД2, К140УД5 (Рис. 20, Б) або в 14-висновних DIP-корпусах, наприклад, К140УД20, К157УД2 (Рис. 20, В). Абревіатура DIP є скороченням англійського виразу "Dual In line Package" і перекладається як "корпус з двостороннім розташуванням висновків".

Круглий метало-скляний корпус (Рис. 20, А, Б) застосовувався, як основний, для імпортних ОУ приблизно до середини 70-х, а для вітчизняних ОУ - до середини 80-х і застосовується зараз для т.зв. «військових» застосувань («5-е приймання»).

Іноді вітчизняні ОУ розміщувалися в досить «екзотичних» в даний час корпусах: 15-висновний прямокутний метало-скляний для гібридного К284УД1 (Рис. 20, Г), в якому ключем є додатковий 15 виведення від корпусу, та інших. Щоправда, планарні 14-вивідні корпуси (Рис. 20, Д) для розміщення в них ОУ мені особисто не зустрічалися. Вони застосовувалися для цифрових мікросхем.

Мал. 20 Корпуси вітчизняних операційних підсилювачів

Сучасні ж ОУ здебільшого містять коригувальні ланцюги прямо на кристалі, що дозволило обходитися мінімальною кількістю висновків (наприклад - 5-вивідний SOT23-5 для одиночного ОУ - Рис. 23). Це дозволило в одному корпусі розміщувати по два-чотири повністю незалежні (крім загальних висновків живлення) ОУ, виготовлені на одному кристалі.

Мал. 21 Дворядні пластикові корпуси сучасних ОУ для вивідного монтажу (DIP)

Іноді можна зустріти ОУ, розміщені в однорядних 8-вивідних (Рис. 22) чи 9-выводных корпусах (SIP) - К1005УД1. Абревіатура SIP є скороченням англійського виразу "Single In line Package" і перекладається як "корпус з одностороннім розташуванням висновків".

Мал. 22 Однорядний пластиковий корпус здвоєних ОУ для вивідного монтажу (SIP-8)

Вони були розроблені для мінімізації місця, займаного на платі, але, на жаль, «запізнилися»: до цього часу широке поширення зайняли корпуси для поверхневого монтажу (SMD – Surface Mounting Device) шляхом підпаювання прямо до доріжок плати (Мал. 23). Однак, для початківців їх використання є суттєвими складнощами.

Мал. 23 Корпуси сучасних імпортних ОУ для поверхневого монтажу (SMD)

Дуже часто та сама мікросхема може «упаковуватися» виробником у різні корпуси (Рис. 24).

Мал. 24 Варіанти розміщення однієї і тієї ж мікросхеми у різних корпусах

Висновки всіх мікросхем мають послідовну нумерацію, що відраховується від т.зв. "ключа", що вказує на розташування виведення під номером 1. (Мал. 25). У будь-кому у разі, якщо розташувати корпус висновками від себе, їх нумерація по зростаючій проти годинникова стрілка!

Мал. 25 Розміщення висновків операційних підсилювачів
у різних корпусах (цоколівка), вид зверху;
напрямок нумерації показано стрілками

У круглих метало-скляних корпусах ключ має вигляд бокового виступу (Рис. 25, А, Б). Ось з розташування цього ключа можливі величезні розміри «граблі»! У вітчизняних 8-вивідних корпусах (302.8) ключ розташовується навпроти першого виведення (Мал. 25, А), а в імпортних ТО-5 - навпроти восьмого виводу (Мал. 25, Б). У 12-вивідних корпусах як вітчизняних (302.12), так і імпортних ключ розташований міжпершим та 12-м висновками.

Зазвичай інвертуючий вхід як у круглих метало-скляних, так і в DIP-корпусах, з'єднаний з 2-м висновком, неінвертуючий – з 3-м, вихід – з 6-м, мінус живлення – з 4-м та плюс харчування – з 7-му. Проте, є й винятки (ще одні можливі «граблі»!) у цоколівці ОУ К140УД8, К574УД1. Вони нумерація висновків зсунута однією проти годинникової стрілки проти загальноприйнятої більшість інших типів, тобто. з висновками вони з'єднані, як у імпортних корпусах (Мал. 25, Б), а нумерація відповідає вітчизняним (Мал. 25, А).

Останніми роками більшість ОУ «побутового призначення» почали розміщувати у пластмасових корпусах (Рис. 21, 25, В-Д). У цих корпусах ключем є або поглиблення (точка) навпроти першого виводу, або виріз у торці корпусу між першим і 8 (DIP-8) або 14 (DIP-14) висновками, або фаска вздовж першої половини висновків (Мал. 21, посередині). Нумерація висновків у цих корпусах також триває проти годинникова стрілкапобачивши зверху (висновками від себе).

Як було сказано вище, ОУ з внутрішньою корекцією мають лише п'ять висновків, з яких лише три (два входи та вихід) належать кожному окремому ОУ. Це дозволило в одному 8-вивідному корпусі розмістити на одному кристалі по два повністю незалежні (за винятком плюсу і мінусу живлення, що вимагають ще двох висновків) ОУ (Рис. 25, Г), а в 14-вивідному корпусі - навіть чотири (Мал. 25, Д). В результаті в даний час більшість ОУ випускаються як мінімум здвоєними, наприклад, TL062, TL072, TL082, дешеві і прості LM358 та ін.

Щодо вітчизняного аналога LM324 (К1401УД2) існують ще одні «граблі»: якщо в LM324 плюс живлення виведено на 4-й висновок, а мінус - на 11-й, то в К1401УД2 навпаки: плюс живлення виведено на 11-й висновок, а мінус – на 4-й. Проте, жодних складнощів із розведенням ця відмінність не викликає. Оскільки цоколівка висновків ОУ повністю симетрична (Рис. 25, Д), потрібно просто перевернути корпус на 180 градусів, щоб 1-й висновок зайняв місце 8-го. Та й усе.

Пара слів щодо маркування імпортних ОУ (та й не лише ОУ). Для низки розробок перших 300 цифрових позначень прийнято позначати групу якості першої цифрою цифрового коду. Наприклад, ОУ LM158/LM258/LM358, компаратори LM193/LM293/LM393, регульовані трививідні стабілізатори TL117/TL217/TL317 та ін повністю ідентичні по внутрішній структурі, але розрізняються за температурним робочим діапазоном. Для LM158 (TL117) діапазон робочих температур становить від мінус 55 до +125…150 градусів за Цельсієм (т.зв. «бойовий» чи військовий діапазон), для LM258 (TL217) – від мінус 40 до +85 градусів («промисловий») діапазон) та для LM358 (TL317) - від 0 до +70 градусів («побутовий» діапазон). При цьому ціна на них може бути абсолютно не відповідної такої градації, або відрізнятись дуже незначно ( несповідні шляхи ціноутворення!). Так що купувати їх можна з будь-яким маркуванням, доступним «для кишені» початківця, особливо не ганяючись за першою «трійкою».

Після вичерпання перших трьох сотень цифрового маркування групи надійності стали відзначати літерами, значення яких розшифровуються в даташитах (Datasheet дослівно перекладається як «таблиця даних») дані компоненти.

Висновок

Ось ми й вивчили «азбуку» роботи ОУ, трохи захопивши компаратори. Далі треба вчитися складати з цих «літер» слова, речення та цілі осмислені «твори» (працездатні схеми).

На жаль, «Неможливо осягнути неосяжне». Якщо викладений у цій статті матеріал допоміг зрозуміти, як працюють ці «чорні ящики», то подальше поглиблення в розбір їхньої «начинки», впливу вхідних, вихідних та перехідних характеристик є завданням більш просунутого вивчення. Інформація про це докладно та досконало викладена у безлічі існуючої літератури. Як казав дідусь Вільям Оккам: «Не слід множити сутності понад необхідне». Нема чого повторювати вже добре описане. Потрібно тільки не лінуватися та прочитати її.

11. http://www.texnic.ru/tools/lekcii/electronika/l6/lek_6.html

Потім дозвольте відкланятися, з повагою та ін., автор Олексій Соколюк ()

ТИПОВІ ПРИСТРОЇ СИСТЕМ РЕГУЛЮВАННЯ

Регулятори

Важливою функцією сучасних систем автоматики є регулювання її координат, тобто підтримка з необхідною точністю необхідних значень. Ця функція реалізується за допомогою великої кількості різних елементів, першорядне значення серед яких мають регулятори.

Регуляторвиконує перетворення керуючого сигналу, що відповідає математичним операціям, необхідним за умовами роботи системи регулювання. До типових необхідних операцій відносяться такі перетворення сигналу: пропорційне, пропорційно-інтегральне, пропорційно-інтегрально-диференційне.

Основу аналогового регулятора становить операційний підсилювач - підсилювач постійного струму, що за відсутності зворотних зв'язків має високий коефіцієнт посилення. Найбільшого застосування знаходять операційні підсилювачі інтегрального виконання. Операційний підсилювач є багатокаскадною структурою, в якій можна виділити, вхідний диференціальний підсилювач ( ДК) з інверсним та прямим входами, підсилювач напруги ( УН), реалізує високий коефіцієнт посилення, і підсилювач потужності ( РОЗУМ), що забезпечує необхідну здатність навантаження операційного підсилювача. Функціональна схема операційного підсилювача наведено на рис. 4.1. Однокристальне малогабаритне виконання операційного підсилювача обумовлює високу стабільність параметрів, що дозволяє отримати високий коефіцієнт посилення постійного струму. Виведені зі схеми точки Kl, К2, КЗпризначені для підключення зовнішніх коригувальних ланцюгів, що знижують коефіцієнт підсилення на високих частотах і підвищують стійкість підсилювача роботи зі зворотними зв'язками. Без коригувальних ланцюгів при досить великих частотах, коли відставання, що накопичилося, по фазі складе 180°, знак зворотного зв'язку змінюється, і при великому коефіцієнті посилення операційний підсилювач самозбуджується і входить в режим автоколивань. На рис. 4.1 використані такі позначення: U п- напруга живлення підсилювача; U уї- вхідна напруга керування по інверсному входу підсилювача; U уп- вхідна напруга керування по прямому входу підсилювача; U вих- Вихідна напруга підсилювача. Усі зазначені вище напруги вимірюються щодо загального дроту двополярного джерела живлення.

Схеми включення операційного підсилювача наведено на рис. 4.2. Диференціальний каскад операційного підсилювача має два входи управління: прямий з потенціалом U упта інверсний з потенціалом U уї(Рис. 4.2, а).

Вихідна напруга підсилювача визначається добутком коефіцієнта посилення на різницю потенціалів входів підсилювача, тобто

U вих = k уо (U уп - U уі) = k уо U у,

де k уо- диференціальний коефіцієнт посилення операційного підсилювача; U у- диференціальна вхідна напруга підсилювача, тобто напруга між прямим та інверсним входами. Диференціальний коефіцієнт посилення інтегральних операційних підсилювачів за відсутності зворотних зв'язків.

Щодо вхідних напруг U вхпі U вхивихідна напруга визначається різницею

U вих = k уп U вхп - k уі U вхи,

де коефіцієнти посилення прямого входу k упта по інверсному входу k уївизначаються схемою включення підсилювача. Для схеми включення прямому входу, наведеної на рис. 4.3, бкоефіцієнт посилення визначається за формулою

,

а для схеми включення інверсного входу, наведеної на рис. 4.3, в, - за формулою

Для побудови різних схем регуляторів використовується схема включення операційного підсилювача з інверсним входом. Як правило, регулятори повинні мати декілька входів. Вхідні сигнали подаються до точки 1 (рис. 4.2, в) через індивідуальні вхідні опори. Необхідні передавальні функції регуляторів виходять за рахунок комплексних активно-ємнісних опорів в ланцюзі зворотного зв'язку Z оста у вхідних ланцюгах Z вх. Передатна функція регулятора щодо будь-якого з входів без урахування інверсії вихідної напруги

. (4.1)

Залежно від виду передавальної функції операційний підсилювач може розглядатися як той чи інший функціональний регулятор. Надалі для реалізації регуляторів розглядатимемо лише схеми включення по інверсному входу.

Пропорційний регулятор (П-регулятор) -це операційний підсилювач із жорстким зворотним зв'язком, наведений на рис. 4.3, а. Його передатна функція

W(p) = k П, (4.2)

де k П- Коефіцієнт посилення П-регулятора.

Як випливає з передавальної функції (4.2), в межах смуги пропускання операційного підсилювача логарифмічна частота амплітуди (ЛАЧХ) П-регулятора паралельна осі частот wа фаза дорівнює нулю (рис. 4.3, б).

Інтегральний регулятор (І-регулятор)виходить включенням конденсатора у зворотний зв'язок, як показано на рис. 4.4, а, при цьому виконується інтегрування вхідного сигналу та передатна функція регулятора

, (4.3)

де T і = R вх C ос- Постійна інтегрування.

Як випливає з (4.3), фазовий зсув вихідного сигналу дорівнює - p/ 2, ЛАЧХ має нахил -20 дБ /г, а логарифмічна фазова частотна характеристика (ЛФЧХ) паралельна осі частот w(Рис. 4.4, б).

Пропорційно-інтегральний регулятор (ПІ-регулятор ) виходить шляхом паралельного з'єднання П- та І-регуляторів, тобто

Отримати передатну функцію (4.4) можна на одному операційному підсилювачі включенням до його зворотного зв'язку активно-ємнісного опору Z ос (p) = R ос (p) + + 1 / (C ос p), Як показано на рис. 4.5, а.

Тоді відповідно до (4.1)

,

де T 1 = R ос C ос; T І = R вх C ос; k П = R ос / R вх.

Логарифмічні частотні характеристики ПІ-регулятора наведено на рис. 4.5, б.

Пропорційно-диференціальний регулятор (ПД-регулятор)виходить паралельним з'єднанням П-регулятора та диференціального Д-регулятора, тобто

W ПД (p) = k П + T Д p = k П (T 1 p+1). (4.5)

Передатна функція (4.5) виходить шляхом підключення конденсатора до вхідного резистори операційного підсилювача, як показано на рис. 4.6, а. Тоді з урахуванням (4.1) маємо

де T 1 = R вх C вх; k П = R ос / R вх.

Логарифмічні частотні характеристики ПД-регулятора наведено на рис. 4.6, б.

Пропорційно-інтегрально-диференціальний регулятор (ПІД-регулятор).Цей регулятор отримується шляхом паралельного включення трьох регуляторів - П-регулятора, І-регулятора і Д-регулятора. Його передатна функція має вигляд

. (4.6)

Передатна функція (4.6) завжди може бути реалізована паралельним включенням ПД-регулятора та І-регулятора, що мають, відповідно, передавальні функції (4.5) та (4.3). При цьому схема ПІД-регулятора може бути виконана на трьох операційних підсилювачах. Перший підсилювач реалізує функцію ПД-регулятора (рис. 4.6, а), другий підсилювач - функцію І-регулятора (рис. 4.4, а), третій підсилювач (рис. 4.3, а) - функцію підсумовування вихідних вихідних сигналів першого та другого підсилювачів.

Якщо на параметри k П, T Іі T Днакласти обмеження

то передатна функція (4.6) може бути записана у вигляді

, (4.7)

де k П = (T 1 +T 2) / T І; Т Д = (T 1 T 2) / T І.

ПІД-регулятор з передавальною функцією (4.7) являє собою послідовне включення ПД-регулятора і ПІ-регулятора і може бути реалізований на одному операційному підсилювачі з опором ланцюга зворотного зв'язку

Z ос (p) = R ос + 1/(C ос p)

та опором у вхідному ланцюгу

.

При цьому постійні часи регулятора T 1 = R вх C вх, T 2 =R ос C ос, T 0 =R вх C ос.

Схема ПІД-регулятора на одному підсилювачі наведена на рис. 4.7, а, А його логарифмічні частотні характеристики на рис. 4.7, б.

Розглянуті схеми ПД-регулятора і ПІД-регулятора мають у вхідних ланцюгах підсилювача конденсатори, які для високочастотних перешкод є опір, близький до нуля. Для підвищення стійкості регуляторів послідовно з конденсатором можна включати додатковий резистор з невеликим опором (не менше ніж на один порядок меншим ємнісного опору конденсатора).

Регулятори, їх і технічні реалізації докладніше розглянуті в /1/.

Запитання для самоперевірки

1. Яку функцію виконують регулятори систем автоматики?

2. Які типові перетворення сигналу, що управляє, виробляють регулятори систем автоматики?

3. Що основою побудови більшості сучасних аналогових регуляторів?

4. Які основні властивості притаманні операційним підсилювачам?

5. Що вхідні координати типового операційного підсилювача?

6. Що є вихідною координатою типового операційного підсилювача?

7. Які складники входять у функціональну схему операційного підсилювача?

8. Назвіть типові схеми увімкнення операційних підсилювачів.

9. Яка типова схема включення операційного підсилювача зазвичай використовується для реалізації регуляторів?

10. Наведіть передатну функцію операційного підсилювача для схеми включення по входу, що інвертує.

11. Який елемент містить пропорційний регулятор у ланцюзі зворотного зв'язку операційного підсилювача?

12. Який елемент містить пропорційний регулятор у вхідному ланцюзі операційного підсилювача?

13. Наведіть передатну функцію пропорційного регулятора.

14. Який вид мають амплітудна частотна та фазова частотна характеристики пропорційного регулятора?

15. Який елемент містить інтегральний регулятор у ланцюзі зворотного зв'язку операційного підсилювача?

16. Який елемент містить інтегральний регулятор у вхідному ланцюзі операційного підсилювача?

17. Наведіть передатну функцію інтегрального регулятора.

18. Який нахил має логарифмічна частота амплітуди частота інтегрального регулятора?

19. Який вид має фазова частотна характеристика інтегрального регулятора?

20. Які елементи містить ланцюг зворотного зв'язку операційного підсилювача пропорційно-інтегрального регулятора?

21. Який елемент містить вхідний ланцюг операційного підсилювача пропорційно-інтегрального регулятора?

22. Наведіть передатну функцію пропорційно-інтегрального регулятора.

23. Який елемент містить ланцюг зворотного зв'язку операційного підсилювача пропорційно-диференціального регулятора?

24. Наведіть передатну функцію пропорційно-диференціального регулятора.

25. За яких обмежень на параметри пропорційно-інтегрально-диференціального регулятора він реалізується на одному операційному підсилювачі?

26. Які елементи містить вхідний ланцюг пропорційно-інтегрально-диференціального регулятора, виконаного на одному операційному підсилювачі?

27. Які елементи містить ланцюг зворотного зв'язку пропорційно-інтегрально-диференціального регулятора, виконаного на одному операційному підсилювачі?

Задатчики інтенсивності

Типовим блоком, що задає, в системах управління електроприводами та в інших системах автоматики є інтегруючий пристрійабо задатчик інтенсивності(ЗІ). Завдання ЗІ - сформувати плавну зміну сигналу, що задає, при переході від одного рівня до іншого, а саме створити лінійне наростання і спадання сигналу з необхідним темпом. У режимі напруга на виході задатчика інтенсивності дорівнює напрузі на його вході.

На рис. 4.8 представлена ​​структурна схема одноразово інтегрує ЗІ, що складається з трьох операційних підсилювачів. Всі підсилювачі включені за схемою з входом, що інвертує. Перший підсилювач У1,працюючий без зворотного зв'язку, але з обмеженням вихідної напруги U 1 ,має характеристику прямокутної форми, яка наведена без урахування інверсії вихідної напруги на рис. 4.9, а. Другий операційний підсилювач У2працює інтегратором із постійним темпом інтегрування

(4.8)

Темп інтегрування може регулюватись зміною R вх2. Третій підсилювач У3формує негативну напругу зворотного зв'язку

. (4.9)

При подачі на вхід напруги, що задає U звихідна напруга лінійно зростає згідно (4.8). У момент часу t=t п,коли U з = - U ос,інтегрування припиняється, і вихідна напруга, як випливає з (4.9), досягнувши значення , Залишається далі незмінним. При знятті зі входу напруги ( U з = 0) відбувається процес лінійного зменшення вихідної напруги до нульового значення (рис. 4.9, б).

Швидкість зміни вихідної напруги цього ЗІ, як випливає з (4.8), може змінюватись або зміною величини напруги U 1, наприклад, шляхом вибору стабілітронів у ланцюзі зворотного зв'язку підсилювача У1з напругою стабілізації, що дорівнює необхідному значенню U 1, або зміною величини твору R вх2 C ос2.

На рис. 4.10, анаведена ще одна схема одноразово інтегруючого ЗІ, виконана на основі біполярного транзистора, включеного за схемою із загальною базою. У цій схемі використовують властивості транзистора ( Т) як підсилювача струму. Перезаряд конденсатора ( З) завжди відбувається при незмінному за величиною струмі колектора і до, що визначається заданим струмом емітера i е. При цьому швидкість зміни у часі напруги u вихна виході ЗІ du вих /dt| = і до/C. Характеристика управління ЗІ u вих = = f(t)показано на рис. 4.10, б. Швидкість зміни вихідного сигналу може регулюватися зміною напруги U е, пропорційно якому змінюється струм i еі, відповідно, струм і до, або зміною ємності конденсатора. У режимі, що встановився, конденсатор завжди заряджений до напруги u вх. Випрямний міст забезпечує постійність напрямку струму колектора транзистора незалежно від знаку напруги. u вх. ЗІ докладно розглянуті у /1, 7/.

Запитання для самоперевірки

1. З якою метою використовуються задатчики інтенсивності у схемах автоматики?

2. Що є вхідний та вихідний координатами задатчика інтенсивності?

3. Чому дорівнює статичний коефіцієнт посилення задатчика інтенсивності?

4. Як має змінюватися напруга на виході задатчиків інтенсивності, що одноразово інтегрують, при ступінчастих змінах вхідної напруги?

5. На основі яких підсилювачів будуються інтегруючі задатчики інтенсивності?

6. Скільки операційних підсилювачів, включених по інверсному входу, необхідно для реалізації задатчика інтенсивності, що одноразово інтегрує?

7. Вкажіть призначення кожного з трьох операційних підсилювачів у типовій схемі одноразово інтегруючого задатчика інтенсивності, виконаної на мікросхемах.

8. Які параметри впливають на швидкість зміни вихідної напруги задатчика, що одноразово інтегрує, інтенсивності на трьох операційних підсилювачах?

9. Завдяки чому досягається лінійна зміна напруги на конденсаторі у схемі одноразово інтегруючого транзисторного задатчика інтенсивності?

10. Які параметри впливають на швидкість зміни вихідної напруги одноразово інтегруючого транзисторного задатчика інтенсивності?

Узгоджувальні елементи

Функціональні елементи у складі систем управління можуть бути різнорідними за типом сигналу, роду струму, за опорами та потужністю та за іншими показниками. Тому при поєднанні елементів виникає завдання узгодження їх характеристик. Це завдання вирішують узгоджувальні елементи. До цієї групи елементів відносяться фазові детектори, що узгоджують рід струму, цифроаналогові та аналого-цифрові перетворювачі, що узгоджують тип сигналу, емітерні повторювачі, що узгоджують вхідні та вихідні опори, підсилювачі потужності, гальванічні роздільники та інші елементи. Функцію узгодження можуть виконувати елементи, нормально призначені інших цілей. Наприклад, розглянутий у п. 4.1 операційний підсилювач виявляється емітерним повторювачем щодо неінвертованого входу при підключенні вихідної напруги на вхід, що інвертується.

Для гальванічного поділу може бути, наприклад, використаний трансформаторний датчик напруги. Такі та подібні до них елементи виявляються очевидними чи відомими і розглядатися не будуть.

Розглянемо складніші типові узгоджувальні елементи.

Фазовий детектор(ФД) у науково-технічній літературі отримав низку інших назв: фазочутливий підсилювач, фазочутливий випрямляч, фазовий дискримінатор, демодулятор.

Призначення ФД - перетворення вхідної напруги змінного струму U вху вихідну напругу постійного струму U вих, полярність та амплітуда якого залежать від фази вхідної напруги j. Таким чином, ФД має дві вхідні координати: амплітуду вхідної напруги U вх mта фазу вхідної напруги jта одну вихідну координату: середнє значення вихідної напруги U вих. Розрізняють два режими роботи ФД: амплітудний режим, коли фаза вхідної напруги залишається постійною, приймаючи одне із двох значень 0 або p, U вх m= var та U вих = f(U вх m);фазовий режим, коли U вх= const, j= var та U вих = f(j).

В амплітудному режимі ФД застосовується як перетворювач сигналу неузгодженості змінного струму в керуючий сигнал у приводах постійного струму, що слідкують, як перетворювач вихідного сигналу тахогенератора змінного струму і так далі. У фазовому режимі ФД застосовується в системах управління, в яких контрольованої і керуючої величиною є фаза, що плавно змінюється.

На фазовий детектор, зазвичай, не покладається функція посилення напруги.

Тому коефіцієнт посилення ФД близький до одиниці. На рис. 4.11 зображено розрахункову схему заміщення двонапівперіодного ФД. Схема відповідає нульовій схемі випрямлення, в якій вентилі замінені на функціональні ключі. K1і К2.Опір навантаження R н,на якому виділяється вихідна напруга, з'єднує середні точки а, 0 ключів та джерел ЕРС управління e у.У кожний контур введено внутрішній опір джерела ЕРС управління R у.Станом ключів управляє опорна ЕРС e опвідповідно до алгоритму: для е оп > 0 К1включений, тобто його

комутаційна функція y к1= 1,а К2відключено, тобто його комутаційну функцію y к2 = 0. Для e оп< 0 y к1 = 0, а y к2= 1. Даний алгоритм може бути представлений формулами

y до 1 = (1 + sign e оп) / 2; y до 2 = (1- sign e оп) /2 . (4.10)

Очевидно, що при замкнутому К1вихідна ЕРС e вихміж точками а, 0 дорівнює e у,а при замкнутому К2 e вих = - e у, тобто

e вих = e у y к1 - e у y к2. (4.11)

Підстановка (4.10) у (4.11) дасть

e вих = e у sign e оп . (4.12)

Відповідна алгоритмам (4.11) та (4.12) діаграма зміни вихідної ЕРС наведена на малюнку 4.12.

e оп = E оп m sinwtі e у = E у m sin (wt - j),

де E оп m,E у m- амплітудні значення опорної ЕРС та ЕРС управління; w- кутова частота опорної ЕРС та ЕРС управління, то середнє значення випрямленої вихідний ЕРС

. (4.13)

Так як E у m = k п U вх mсереднє значення вихідної напруги , то з урахуванням (4.13)

, (4.14)

де k п- Коефіцієнт передачі від вхідної напруги до ЕРС управління. Він визначається особливостями конкретної схеми ФД.

Для j= const = 0 або j= const = pмає місце амплітудний режим роботи ФД, для якого характеристика управління прямолінійна:

U вих = k ФД U вх,

де з урахуванням (4.14) коефіцієнт посилення ФД в амплітудному режимі

.

При j= 0 значення вихідної напруги U вихпозитивні, а при j = pЗначення вихідних напруг негативні.

Для U вх= const та j= var має місце фазовий режим ФД, котрого характеристика управління має вигляд

U вих = k " ФД cosj = k "ФД sinj",

де j " = p/2 - jа коефіцієнт передачі ФД у фазовому режимі з урахуванням (4.14)

;

При малих j "характеристика управління

Робота ФД, їх показники та важливі схеми розглянуті в /1/.

Цифроаналогові перетворювачі(ЦАП). Перетворювач узгодить цифрову частину системи керування з аналоговою. Вхідна координата ЦАП – двійкове багаторозрядне число A n = a n -1 …a i …a 1 a 0, а вихідна координата - напруга U вих, що формується на основі опорної напруги U оп(Рис. 4.13).

Схеми ЦАП будуються на основі резисторної матриці, за допомогою якої відбувається підсумовування струмів або напруги так, що вихідна напруга пропорційно вхідному числу. У складі ЦАП можна виділити три основні частини: резисторну матрицю, електронні ключі, керовані вхідним числом, і підсилювач, що підсумовує, що формує вихідну напругу. На рис. 4.14 наведено просту схему нереверсивного ЦАП. Кожному розряду вхідного двійкового числа Anвідповідає опір

R i = R 0 / 2 i, (4.15)

де R 0-Опір молодшого розряду.

Резистор R iпідключається до джерела живлення з опорною напругою U опчерез електронний ключ K i, який замкнений при a i=1і розімкнуть при a i= 0. Очевидно, що в залежності від значення a iопір вхідного ланцюга для i-гo розряду з урахуванням (4.15) визначиться виразом

R i = R 0 /(2 i a i). (4.16)

Тоді для а i= 0 , тобто ланцюг розірваний, а для a i=1 ланцюг включений і має опір R 0/2 i .

У схемі на рис. 4.14 операційний підсилювач Упідсумовує вхідні струми та її вихідну напругу з урахуванням позначень схеми та виразу (4.16)

Вираз (4.17) виду U вих = f(A n)- Це характеристика управління ЦАП. Вона має ступінчасту форму з дискретністю за напругою, що відповідає одиниці молодшого розряду,

ΔU 0 = R ос U оп / R 0 = k ЦАП.

Величина ΔU 0є одночасно і усередненим передатним коефіцієнтом ЦАП k ЦАП.

Аналого-цифровий перетворювач(АЦП) вирішує зворотне завдання - перетворює безперервну формою вхідну напругу в число, наприклад, двійкове. Кожному вихідному багаторозрядному двійковому числу A івідповідає діапазон зміни вхідної напруги:

, (4.18)

де U еi = ΔU 0 i- еталонне значення вихідної напруги, що відповідає вихідному двійковому числу A і; ΔU 0- дискретність вихідної напруги, що відповідає одиниці молодшого розряду вихідного числа.

При n-розрядному АЦП загальне числовідмінних від нуля еталонних рівнів вхідної напруги, що відрізняються один від одного на ΔU 0, дорівнює максимальному вихідному десятковому числу N=2 n - 1. Оскільки кожен рівень U е i,згідно (4.18), несе в собі інформацію про число, то в роботі АЦП можна виділити основні операції: порівняння вхідної та еталонної напруги, визначення номера рівня, формування вихідного числа в заданому коді. Усереднений передавальний коефіцієнт АЦП визначається як обернена величина відповідного коефіцієнта ЦАП:

k АЦП = 1 / ΔU 0.

Тоді рівняння характеристики управління АЦП можна записати як

Характеристика управління АЦП має східчасту форму.

Схеми реалізації АЦП можна розділити на два основні типи: паралельної дії та послідовної дії.

Основна перевага АЦП паралельної дії – висока швидкодія. Перетворення аналогової вхідної напруги на десяткове багаторозрядне число відбувається всього за два такти роботи цифрових елементів схеми. Основний недолік таких АЦП - велика кількість аналогових компараторів та тригерів у складі схеми, що дорівнює 2 n - 1що робить багаторозрядні АЦП паралельного типу надмірно дорогими.

Істотно менші апаратурні витрати потрібні в АЦП послідовної дії. На рис. 4.15 наведена схема слідкуючого АЦП, що відноситься до групи схем послідовної дії. На схемі використані не згадані раніше позначення: ГТІ- генератор тактових імпульсів, СР- реверсивний лічильник, До- компаратор, Р- Вихідний регістр. Позначення логічних елементів І,ЧИ НІзагальноприйняті.

Порівняння U вхі U евиконується на комбінованому аналоговому компараторі з двома виходами: «більше» (>) та «менше» (<). ЕслиU вх - U е >ΔU 0/ 2 то одиничний сигнал виявляється на виході >, при цьому елемент І 1проводить тактові їм пульси на підсумовуючий вхід (+1) реверсивного лічильника СР.Зростає вихідне число СР, і відповідно збільшується U е,формується ЦАП. Якщо U вх - U е < ΔU 0 /2 , то одиничний сигнал з'являється на виході< , при этом импульсы от генератора тактовых импульсов через элемент І 2проходять на вхід віднімання (-1) лічильника СРі U езменшується. За умови | U вх - U е | = ΔU 0 /2 на обох виходах Довиділяються нульові сигнали та елементи І 1і І 2виявляються замкненими для тактових імпульсів. Лічильник припиняє рахувати, і що залишається на його виході незмінним число з'являється на виході регістру Р.Дозвіл на запис числа в регістр дає одиничний сигнал елемента АБО-НЕ, включеного на два виходи До.Розглядаючи цю схему щодо U вхі U е,можна встановити, що АЦП є замкнутою по вихідній координаті систему регулювання з регулятором Дорелейної дії. Система відстежує еталонною напругою на виході ЦАП зміна вхідної напруги з точністю, що встановилася ± U 0 /2і видає на цифровому виході число, що відповідає U вх.АЦП, що стежить, дозволяє швидко перетворити тільки досить повільну зміну вхідної напруги.

Основний недолік розглянутого АЦП – погана швидкодія. У самому несприятливому випадку, коли стрибком встановлено максимальну напругу на вході, для видачі відповідної вихідної величини в цифровому коді потрібно 2 n - 1тактів. Деякі схеми ЦАП та АЦП та його робота розглянуті в /1/.

Запитання для самоперевірки

1. Для чого використовуються в системах автоматики узгоджувальні елементи?

2. Яке перетворення здійснюється фазовим детектором?

3. У яких режимах може працювати фазовий сенсор?

4. Що вхідні координати фазового детектора?

5. Що вихідна координата фазового детектора?

6. Що таке амплітудний режим роботи фазового сенсора?

7. Що таке фазовий режим роботи фазового детектора?

8. Навіщо можуть використовуватися фазові детектори у системах автоматики?

9. Наведіть формулу характеристики керування фазового детектора, що працює в амплітудному режимі.

10. Яке перетворення здійснюється цифрроаналоговим перетворювачем?

11. Що є вхідний та вихідний координатами цифроаналогового перетворювача?

12. З яких основних частин складається схема цифроаналогового перетворювача?

13. Наведіть формули для розрахунку характеристики керування цифро-аналогового перетворювача та його усередненого коефіцієнта передачі.

14. Який вид має характеристика управління цифроаналогового перетворювача?

15. Яке перетворення здійснюється аналого-цифровим перетворювачем?

16. Що є вхідний та вихідний координатами аналого-цифрового перетворювача?

17. Наведіть формули для розрахунку характеристики керування аналого-цифрового перетворювача та його усередненого коефіцієнта передачі.

18. Яких типів бувають аналого-цифрові перетворювачі?

19. У чому основні переваги та недоліки аналого-цифрових перетворювачів паралельної дії?

20. У чому основні переваги та недоліки аналого-цифрових перетворювачів послідовної дії?

21. Для чого в схемі аналого-цифрового перетворювача, що стежить, використовується цифроаналоговий перетворювач?

22. Чому дорівнює максимальна абсолютна помилка перетворення стежить аналого-цифрового перетворювача?

ДАТЧИКИ

Запитання для самоперевірки

1. Що є вхідний та вихідний координатами датчика кута повороту?

2. Що є вхідний та вихідний координатами датчика кута неузгодженості?

3. У яких системах можуть застосовуватися датчики кута та датчики неузгодженості?

4. Скільки обмоток та де має трифазний контактний сельсин?

5. Що є вхідною та вихідними координатами сельсина?

6. У яких режимах може працювати сельсин?

7. Що таке амплітудний режим роботи сельсину?

8. Що таке фазовий режим роботи сельсину?

9. Наведіть формулу для розрахунку характеристики керування сельсином в амплітудному режимі роботи.

10. Наведіть формулу для розрахунку характеристики керування сельсином у фазовому режимі роботи.

11. Якими чинниками визначаються статичні похибки сельсина, що спотворюють його характеристику управління?

12. Чим викликана швидкісна похибка датчика кута повороту з урахуванням сельсина?

13. У якому режимі працюють сельсин-датчик і сельсин-приймач у схемі датчика кута неузгодженості, якщо як його вихідні координати використовуються амплітудне значення ЕРС ротора сельсина-приймача і фаза цієї ЕРС?

14. Наведіть формулу для розрахунку характеристики керування датчика неузгодженості на основі двох сельсинів, що працюють у трансформаторному режимі.

15. Що основними недоліками датчиків кута повороту з урахуванням сельсина?

16. З якою метою на вході датчиків кута повороту використовуються знижувальні вимірювальні редуктори?

17. З якою метою на вході датчиків кута повороту використовуються вимірювальні редуктори, що підвищують?

18. Як змінюється похибка вимірювання кута під час використання понижувальних вимірювальних редукторів?

19. Коли доцільно використовувати дискретні датчики кута?

20. Які основні елементи є у конструкції цифрового датчика кута повороту на основі кодового диска?

21. Чому характеристика керування цифрового датчика кута повороту на основі кодового диска має ступінчастий характер?

22. Наведіть формулу для розрахунку інтервалу дискретності цифрового датчика кута повороту на основі кодового диска.

23. Наведіть формулу для розрахунку абсолютної похибки цифрового датчика кута повороту на основі кодового диска.

24. Якими конструкційними заходами можна збільшити розрядність цифрового датчика кута повороту на основі кодового диска?

Датчики кутової швидкості

Тахогенератор постійного струмує електричною машиною постійного струму з незалежним збудженням або постійними магнітами (рис. 5.6). Вхідна координата ТГ-кутова швидкість wвихідна - напруга U вих, що виділяється на опорі навантаження.

E тг = kФw = I(R тг + R н),

Передавальний коефіцієнт ТГ, В/рад; k = рN/(2p а)- конструктивна постійна; Ф- магнітний потік збудження; R тг- опір якірної обмотки та щіткового контакту.

Передавальний коефіцієнт ТГ, строго кажучи, не залишається постійним при зміні швидкості через нелінійність опору щіткового контакту та реакції якоря. Тому в характеристиці управління спостерігається певна нелінійність у зонах малої та великої швидкостей (рис. 5.6, б). Нелінійність у зоні малої швидкості зменшують застосуванням металізованих щіток з малим падінням напруги. Нелінійність характеристики через реакцію якоря знижується обмеженням зверху швидкості та збільшенням опору навантаження. За виконання зазначених заходів характеристику управління ТГ вважатимуться практично прямолінійної.

Операційні підсилювачі є одним із основних компонентів у сучасних аналогових електронних пристроях. Завдяки простоті розрахунків та відмінним параметрам, операційні підсилювачі легкі у застосуванні. Їх також називають диференціальними підсилювачами, оскільки вони здатні посилити різницю вхідних напруг.

Особливо популярне використання операційних підсилювачів у звуковій техніці для посилення звучання музичних колонок.

Позначення на схемах

З корпусу підсилювача зазвичай виходять п'ять висновків, у тому числі два висновку – входи, один – вихід, інші два – живлення.

Принцип дії

Існують два правила, які допомагають зрозуміти принцип дії операційного підсилювача:

1. Вихід операційного підсилювача прагне нульової різниці напруги на входах.
2. Входи підсилювача не витрачають струм.

Перший вхід позначений "+", він називається неінвертуючим. Другий вхід позначений знаком "-", вважається інвертуючим.

Входи підсилювача мають високий опір, що називається імпедансом. Це дозволяє витрачати струм на входах у кілька наноамперів. На вході відбувається оцінка величини напруги. Залежно від цієї оцінки підсилювач видає вихід посилений сигнал.

Велике значення має коефіцієнт посилення, що іноді досягає мільйона. Це означає, що якщо на вхід подати хоча б 1 мілівольт, то на виході напруга дорівнює величині напруги джерела живлення підсилювача. Тому операційники не застосовують без зворотного зв'язку.

Входи підсилювача діють за наступним принципом: якщо напруга на вході, що не інвертує, буде вище напруги інвертируючого входу, то на виході виявиться найбільша позитивна напруга. За зворотної ситуації на виході буде найбільше негативне значення.

Негативна і позитивна напруга на виході операційного підсилювача можлива через використання джерела живлення, що має розщеплену двополярну напругу.

Живлення операційного підсилювача

Якщо взяти пальчикову батарейку, то вона має два полюси: позитивний і негативний. Якщо негативний полюс рахувати за нульову точку відліку, то позитивний полюс покаже +1,5 В. Це видно по підключеному .

Взяти два елементи і підключити їх послідовно, виходить наступна картина.

Якщо за нульову точку прийняти негативний полюс нижньої батареї, а напруга вимірювати на позитивному полюсі верхньої батареї, то пристрій покаже +10 вольта.

Якщо за нуль прийняти середню точку між батарейками, то виходить джерело двополярної напруги, так як є напруга позитивної та негативної полярності, що дорівнює +5 вольта і -5 вольта.

Існують прості схеми блоків із розщепленим живленням, що використовуються в конструкціях радіоаматорів.

Живлення на схему подається від побутової мережі. Трансформатор знижує струм до 30 вольт. Вторинна обмотка в середині має відгалуження, за допомогою якого на виході виходить +15 і -15 випрямленого напруги.

Різновиди

Існує кілька різних схем операційних підсилювачів, які варто докладно розглянути.

Підсилювач, що інвертує

Така схема є основною. Особливістю цієї схеми і те, що операційники характеризуються крім посилення, ще й зміною фази. Літера "k" позначає параметр посилення. На графіці зображено вплив підсилювача у цій схемі.

Синій колір відображає вхідний сигнал, а червоний – вихідний сигнал. Коефіцієнт посилення у разі дорівнює: k = 2. Амплітуда сигналу на виході вдвічі більше, сигналу на вході. Вихідний сигнал підсилювача перевернутий, звідси його назва. Операційні підсилювачі, що інвертують, мають просту схему:

Такі операційні підсилювачі стали популярними через свою просту конструкцію. Для обчислення посилення застосовують формулу:

Звідси видно, що посилення операційника залежить від опору R3, тому можна уникнути нього. Тут він застосовується для захисту.

Операційні підсилювачі, що не інвертують

Ця схема подібна до попередньої, відмінністю є відсутність інверсії (перевернутості) сигналу. Це означає збереження фази сигналу. На графіці зображено посилений сигнал.

Коефіцієнт посилення неинвертирующего підсилювача також дорівнює: k = 2. На вхід подається сигнал у формі синусоїди, на виході змінилася лише її амплітуда.

Ця схема не менш проста, ніж попередня, у ній є два опори. На вході сигнал подається плюсовий висновок. Для розрахунку коефіцієнта посилення потрібно використовувати формулу:

З неї видно, що коефіцієнт посилення не буває менше одиниці, оскільки сигнал не пригнічується.

Схема віднімання

Ця схема дає можливість створення різниці двох сигналів на вході, які можуть бути посилені. На графіці показано принцип дії диференціальної схеми.

Таку схему підсилювача ще називають схемою віднімання.

Вона має складнішу конструкцію, на відміну розглянутих раніше схем. Для розрахунку вихідної напруги користуються формулою:

Ліва частина виразу (R3/R1) визначає коефіцієнт посилення, а права частина (Ua – Ub) є різницею напруг.

Схема додавання

Таку схему називають інтегрованим підсилювачем. Вона протилежна схемі віднімання. Особливістю її є можливість обробки більше двох сигналів. На такому принципі діють усі звукові мікшери.

Ця схема показує можливість підсумовування кількох сигналів. Для розрахунку напруги застосовується формула:

Схема інтегратора

Якщо до схеми додати конденсатор у зворотний зв'язок, то вийде інтегратор. Це ще один пристрій, у якому використовуються операційні підсилювачі.

Схема інтегратора подібна до інвертуючого підсилювача, з додаванням ємності в зворотний зв'язок. Це призводить до залежності роботи системи від частоти сигналу на вході.

Інтегратор характеризується цікавою особливістюпереходу між сигналами: спочатку прямокутний сигнал перетворюється на трикутний, далі він перетворюється на синусоїдальний. Розрахунок коефіцієнта посилення проводиться за такою формулою:

У цій формулі змінна ω = 2 π f підвищується зі зростанням частоти, отже, що більше частота, тим коефіцієнт посилення менше. Тому інтегратор може діяти як активний фільтр низьких частот.

Схема диференціатора

У цій схемі виходить зворотна ситуація. На вході підключена ємність, а у зворотному зв'язку підключено опір.

Судячи з назви схеми, її принцип роботи полягає у різниці. Чим більша швидкість зміни сигналу, тим більша величина коефіцієнта посилення. Цей параметр дозволяє створювати активні фільтри для високої частоти. Коефіцієнт посилення для диференціатора розраховується за такою формулою:

Це вираз назад виразу інтегратора. Коефіцієнт посилення підвищується в негативну сторону із зростанням частоти.

Аналоговий компаратор

Пристрій компаратора порівнює два значення напруги та переводить сигнал у низьке або високе значення на виході, залежно від стану напруги. Ця система включає в себе цифрову та аналогову електроніку.

Особливістю цієї системи є відсутність в основній версії зворотного зв'язку. Це означає, що опір петлі дуже великий.

На плюсовий вхід подається сигнал, а на мінусовий вхід подається основна напруга, яка задається потенціометром. Зважаючи на відсутність зворотного зв'язку коефіцієнт посилення прагне до нескінченності.

При перевищенні напруги на вході величини основної опорної напруги, на виході виходить найбільша напруга, яка дорівнює позитивному напругі живлення. Якщо на вході напруга буде меншою за опорну, то вихідним значенням буде негативна напруга, що дорівнює напругі джерела живлення.

У схемі аналогового компаратора є значний недолік. При наближенні значень напруги на двох входах один до одного, можлива часта зміна вихідної напруги, що зазвичай призводить до перепусток і збоїв у роботі реле. Це може спричинити порушення роботи обладнання. Для вирішення цього завдання застосовують схему з гістерезисом.

Аналоговий компаратор із гістерезисом

На малюнку показано схему дії схеми з , яка аналогічна попередній схемі. Відмінністю є те, що вимкнення та включення не відбувається при одній напрузі.

Напрямок стрілок на графіку вказує напрямок переміщення гістерези. При розгляді графіка ліворуч праворуч видно, що перехід до нижчого рівня здійснюється при напрузі Uph, а рухаючись праворуч наліво, напруга на виході досягне вищого рівня при напрузі Upl.

Такий принцип дії призводить до того, що при рівних значеннях вхідних напруг стан на виході не змінюється, так як для зміни потрібна різниця напруг на суттєву величину.

Така робота схеми призводить до деякої інертності системи, проте це безпечніше, на відміну від схеми без гістерези. Зазвичай такий принцип дії застосовується в нагрівальних приладах із наявністю термостату: плити, праски та ін. На малюнку зображено схему підсилювача з гістерезисом.

Напруження розраховуються за такими залежностями:

Повторювачі напруги

Операційні підсилювачі часто застосовують у схемах повторювачів напруги. Основною особливістю цих пристроїв є те, що в них не відбувається посилення або ослаблення сигналу, тобто коефіцієнт посилення в цьому випадку дорівнює одиниці. Така особливість пов'язана з тим, що петля зворотного зв'язку має опір, що дорівнює нулю.

Такі системи повторювачів напруги найчастіше використовуються як буфер для збільшення навантажувального струму та працездатності пристрою. Оскільки вхідний струм наближений до нуля, струм на виході залежить від виду підсилювача, тобто можливість розвантаження слабких джерел сигналу, наприклад, деяких датчиків.