4. Operační usměrňovače Čas ke studiu: 15 minut Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět popsat činnost základních zapojení operačních usměrňovačů samostatně změřit zadanou úlohu Výklad Operační usměrňovače Křemíková dioda jako usměrňovač vyhoví pro napětí vyšší než asi 1V. V řídicích obvodech je však třeba bez zkreslení usměrňovat i signály s nižším napětím. K tomu musíme použít usměrňovače s operačním zesilovačem, který je díky velkému zesílení schopen kompenzovat nelineární charakteristiku diody. Základním zapojením je tzv. ideální dioda, obr. 15. Dioda VD1 je zapojena v záporné zpětné vazbě operačního zesilovače. Pro záporná vstupní napětí je dioda pólována závěrně a výstupní napětí U2 je nulové. Pro kladná vstupní napětí je dioda v propustném směru, zpětná vazba je uzavřena a výstupní napětí sleduje napětí vstupní. Chyba ideální diody je dána napěťovým zesílením A operačního zesilovače a prahovým napětím diody U D0 : U D0 A a je tudíž zanedbatelná. Obr. 15 Ideální dioda a její převodní charakteristika Uvedené zapojení má pro záporná vstupní napětí rozpojenou zpětnou vazbu a tudíž výstupní napětí zesilovače je v záporné saturaci! Doba zotavení OZ pak zhoršuje dynamické vlastnosti zapojení. Pokud potřebujeme rychlý usměrňovač, nebo usměrnit napětí opačné polarity použijeme jednocestný usměrňovač podle obr. 16. Pro U1 > 0 vede dioda VD1 a VD2 je zavřená. Výstupní napětí Uo = 0 a výstupní napětí OZ není v saturaci, takže jeho vybavení při změně vstupního napětí je velmi rychlé. 15
Pro U1 < 0 vede VD2, VD1 je nevodivá a obvod se chová jako invertující zesilovač. Výstupní napětí R je tedy Uo = U 1 = U 1. R Obr. 16 Rychlý jednocestný usměrňovač a jeho převodní charakteristika Paralelním spojením obou uvedených zapojení vznikne dvoucestný usměrňovač neboli člen absolutní hodnoty. Fázově citlivé usměrňovače Fázově citlivé usměrňovače jsou zapojení, která vycházejí ze zapojení dvoucestných usměrňovačů, přičemž jejich výstupní napětí závisí na vzájemném fázovém posunu vstupního a synchronizačního napětí. Dva příklady zapojení FCU jsou na obr. 17 a 18. Na obr. 19 jsou znázorněny průběhy napětí v důležitých bodech zapojení. FCU z obr.17 je tvořen čtyřmi OZ s následujícími funkcemi. OZ1 pracuje jako impedanční oddělovač s možností částečného nastavení úrovně vstupního signálu. OZ3 je komparátor, který tvaruje synchronizační napětí a spíná tranzistor T1. Tento tranzistor přepíná zesílení OZ2 na +1 nebo -1, podle polarity synchronizačního signálu. Na výstupu OZ2 je pak vstupní signál Ux se stejnou nebo opačnou polaritou (viz obr. 19). Pokud jsou napětí Ux a Usyn ve fázi, je na výstupu dvoucestně usměrněný signál kladné polarity. Pokud jsou tato napětí v protifázi, je na výstupu dvoucestně usměrněný signál záporné polarity. OZ4 je zapojen jako aktivní filtr a vyhlazuje usměrněné napětí. Podobně pracuje i FCU z obr. 18. Uvedená zapojení mají v řídicích obvodech velmi široké využití. Používají se např. pro amplitudovou modulaci a demodulaci (kmitočet synchronizačního signálu je mnohonásobně vyšší než signálu vstupního), dále je možné s nimi vytvořit generátor kosinového signálu pro řídicí obvody usměrňovače (v tomto případě je posun obou vstupních napětí 90, přičemž Ux je sinusové). Časté je také použití těchto usměrňovačů pro vyhodnocení napětí ze snímačů polohy - selsynů, kde amplituda nese informaci o úhlu natočení a fáze určuje kvadrant. 16
Zadání 1) U vzorku jednocestného operačního usměrňovače změřte a graficky znázorněte a) statickou převodní charakteristiku b) frekvenční závislost střední hodnoty usměrněného napětí U 0AV = F(f) a určete mezní frekvenci 2) U obou vzorků fázově citlivých usměrňovačů a) ověřte jejich činnost b) zakreslete průběhy napětí v kontrolních bodech zapojení : Ux, Usyn, Ua, Ub, Uvýst, pro napětí Ux a Usyn ve fázi i v protifázi c) proveďte rozbor činnosti obou vzorků a uveďte možnosti použití 17
Obr. 17 Zapojení fázově citlivého usměrňovače 18
Obr. 18 Jiné zapojení fázově citlivého usměrňovače 19
Obr. 19 Průběhy napětí v označených bodech zapojení z obr. 17 20