Идеальный выпрямитель на оу: Активный Выпрямитель, как точно измерить переменное напряжение

Активный Выпрямитель, как точно измерить переменное напряжение

Для измерения величины переменного напряжения, его необходимо выпрямлять, так как все измерительные системы, будь то стрелочный гальванометр или АЦП микроконтроллера, работают с постоянным напряжением. Наиболее правильно это можно сделать используя простой по исполнению активный выпрямитель на ОУ.

Тут вы мне скажете, что я вру и ваш тестер умеет и сам мерить переменное напряжение. В чем же подвох? В том, что ваш тестер  умеет еще и выпрямлять переменное напряжение, а измеряет он на самом деле постоянное. К тому же тестер как правило рассчитан на измерение напряжения сети частотой 50 Гц.

Схемы выпрямителей, преобразующие переменное напряжение в постоянное строятся на диодах, даже сами диоды иногда называют выпрямителями. У пассивных выпрямителей, состоящих только из диодов есть серьезные недостатки в плане их применимости для измерения переменного напряжения.

Самый очевидный недостаток заключается в том, что при амплитудах измеряемого сигнала равных либо меньших величины напряжения падения на p-n переходе диода (0,6 вольта для кремниевых и 0. 4 для германиевых диодов), выпрямлять такие сигналы пассивными выпрямителями невозможно, вы попросту ничего не увидите.

При высокоточных измерениях невозможность измерения малых величин переменного сигнала не единственный минус пассивных схем. Гораздо более серьезными недостатками являются нелинейная зависимость выходного напряжения от входного, а так же нелинейная зависимость выходного напряжения от частоты входного сигнала.

Для наибольшей точности измерения переменных напряжений разных частот и амплитуд прибегают к помощи операционных усилителей (ОУ). При этом диоды включаются в цепи обратной связи. При правильном выборе схемы и комплектующих, все перечисленные недостатки пассивных выпрямителей компенсируются операционным усилителем.

Существует достаточно схем активных выпрямителей. Представленная схема была выбрана по причине того, что она встречается в книгах “Искусство схемотехники” — П. Хоровиц, У.Хилл (стр172) а также “Операционные усилители” — И.Достал (стр203). Солидные издания, которые на сегодняшний день являются классикой схемотехники.

Как и ожидалось схема не требует никакой наладки и при правильной сборке заработает сразу.

Содержание статьи

1. Активныйвыпрямитель (двухполупериодный)
2. [ или схема выделения модуля переменного сигнала]
3. Активный выпрямитель — описание работы схемы
4. Буферные каскады
5. Осциллограммы

Активный выпрямитель (двухполупериодный)

[ или схема выделения модуля переменного сигнала]

Активный выпрямитель — описание работы схемы

Схема выделяет модуль входного напряжения и тем самым работает как двухполупериодный выпрямитель. Она состоит из диодного ограничителя, реализованного на ОУ₁ и двухвходового суммирующего усилителя на ОУ₂.

Когда входное напряжение Uвх имеет отрицательную полярность, верхний диод находится в непроводящем состоянии. Последовательно включенные сопротивления R и R/2 не работают, поскольку они включены между потенциально заземленными входами усилителей ОУ₁ и ОУ₂ . Выходной суммирующий усилитель действует как инвертор с единичным усилением, и:

Uвых = − Uвх при Uвх < 0

Входное напряжение положительной полярности Uвх преобразуется ограничителем в напряжение отрицательной полярности U=−Uвх , и затем оба напряжения складываются так, что на выходе суммирующего усилителя появляется напряжение:

Uвых = − Uвх − 2U = + Uвх при Uвх > 0

Оба случая можно формально объединить, записав как:

Uвых = |Uвх|

Поэтому такой выпрямитель и называется также схемой выделения модуля переменного сигнала

Графически зависимость выпрямленного выходного напряжения от переменного входного можно изобразить в следующем виде:

Данная схема очень пригодилась, когда появилась необходимость выпрямлять переменное напряжение частотой 150кГц с последующей отправкой на АЦП микроконтроллера для передачи на ПК. Выпрямитель стал частью установки по изучению релаксационных свойств МДП структур 🙂

Выбор дета

Характеристики данной схемы определяются применяемыми деталями.

В качестве ОУ была выбрана микросхема LM833, позволяющая работать на частотах вплоть до 15МГц. Такой запас по частотной полосе может показаться даже излишним, однако он гарантирует минимум фазовых искажений до нескольких МГц. Использовалось напряжение питания ±15В, которое было стабилизированно посредством L7815 и L7915.

В качестве диодов использовались быстродействующие Диоды Шоттки (4148).

Величина R была выбрана 14.51 кОм, ввиду наличия данного номинала, однако никто не мешает выбрать ее равной как 10кОм так и 20-30кОм.

Для исключения внесения дополнительной ошибки использовались прецизионные резисторы типа (С2-13). Данные резисторы имеют стеклянную изоляцию покрытую дополнительным слоем керамики, что обеспечивает значительную температурную стабильность при измерениях. Ошибка номиналов резисторов +-0.5%.

Буферные каскады

В ходе измерений возникла необходимость зрительного контроля переменного сигнала на осциллографе. Однако подключение осциллографа непосредственно в цепь сигнала перед выпрямителем приводило к искажению сигнала. Для согласования по сопротивлениям перед активным выпрямителем были добавлены буферные каскады.

Установленные буферные каскады позволили разделять сигнал на два канала без изменения характеристик сигнала. Каскады выполнен на аналогичном скоростном операционном усилителе (LM833), с одного выхода которого сигнал поступал на активный выпрямитель, а с другого на осциллограф

Осциллограммы

Осциллограмма переменного напряжения подаваемого на вход выпрямителя в процессе проверки собранной схемы:

И осциллограмма выходного напряжения активного выпрямителя:

Как видно из осциллограмм, собранный активный выпрямитель на ура справляется с выпрямлением 150-ти кГц переменного синусоидального сигнала

P. S Для защиты выпрямителя от возможных КЗ не лишним будет добавить на выход последовательно включенный резистор, а для сглаживания выпрямленного сигнала после резистора желателен включенный на землю конденсатор. Резистор с конденсатором образуют интегрирующую RC цепочку, подбор временной составляющей которой позволит сгладить выпрямленный сигнал.

Величина R была выбрана равной 2кОм, а величина C — 0.01 мкФ. .

Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители 18

7 мая 2019

телекоммуникациисистемы безопасностиучёт ресурсовпотребительская электроникаавтоматизациялабораторные приборыинтернет вещейTexas Instrumentsстатьяинтегральные микросхемысредства разработки и материалы

Тим Грин, Пит Семиг, Колин Веллс (Texas Instruments)

Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компании Texas Instruments (TI). Поваренная книга – сборник рецептов, а данный цикл статей – сборник стандартных схем с операционными усилителями. Каждой схеме посвящена отдельная статья, содержащая пример типового расчета с указанием формул и последовательности действий. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования. Расчеты выполнены для конкретных усилителей из производственной линейки

TI. Разработчик может использовать и другие изделия, широкий выбор которых представлен на страницах каталога компании КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы операционных усилителей. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.

Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно – дважды в месяц.

Подписаться на получение уведомлений о публикации новых глав

Низковольтный выпрямитель с однополярным питанием

Исходные данные к расчету представлены в таблице 53.

Таблица 53. Исходные данные к расчету

Вход		Выход		Питание
ViMin	ViMax	VoMin	VoMax	Vcc	Vee	Vref
5 мВ (размах)	400 мВ (размах)	2,5 мВ (размах)	200 мВ (размах)	5 В	-0,23 В	0 В

Описание схемы

Данная схема используется для прецизионного выпрямления низковольтных двуполярных переменных сигналов (рисунок 61). Она обеспечивает высокую линейность при работе на частотах до 50 кГц со входными сигналами амплитудой от 5 мВ. Для минимизации искажений вблизи 0 В используется источник отрицательного напряжения (например, LM7705).

Рис. 61. Низковольтный выпрямитель с однополярным питанием

Рекомендуем обратить внимание:

• при выборе ОУ следует учитывать уровень смещения и скорость нарастания;
• резистор R₃ необходимо выбирать таким образом, чтобы ток утечки диода D₁ при поступлении положительной полуволны входного сигнала не создавал значительной ошибки на входе усилителя U1B. Кроме того, выход ОУ не должен перегружать выход усилителя U1A;
• для получения минимальных искажений следует использовать быстрый диод D₁;
• отказ от входного буфера (U1A) позволит работать со входными сигналами, амплитуда которых будет в два раза больше напряжения питания, однако расплатой за это станет уменьшение входного импеданса и увеличение ошибки усиления;
• для снижения погрешности усиления следует выбирать прецизионные резисторы.

Порядок расчета

 

• Анализ схемы для положительной полуволны входного сигнала (формула 1) изображен на рисунке 62.

Рис. 62. Эквивалентная схема для положительной полуволны входного сигнала

$$V_{o}=V_{i};\:\frac{V_{o}}{V_{i}}=-\frac{R_{2}}{R_{1}}+\left(1+\frac{R_{2}}{R_{1}} \right)=1\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

• Расчет схемы для отрицательной полуволны входного сигнала (формула 2) показан на рисунке 63.

Рис. 63. Эквивалентная схема для отрицательной полуволны входного сигнала

$$V_{o}=V_{i};\:\frac{V_{o}}{V_{i}}=-\frac{R_{2}}{R_{1}}=-1\frac{В}{В}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

• Выбираем резисторы с учетом коэффициента усиления, рассчитываемым по формуле 3:

$$\frac{V_{o}}{V_{i}}=-\frac{R_{2}}{R_{1}}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$
Если V_o = -V_i, то R₁ = R₂. Выбираем R₁ = R₂ = R₂ = 1 кОм.

Моделирование схемы

Осциллограммы переходных процессов представлены на рисунках 64 и 65.

Рис. 64. Осциллограммы переходных процессов при подаче входного переменного сигнала с амплитудой 5 мВ и частотой 1 кГц

Рис. 65. Осциллограммы переходных процессов при подаче входного переменного сигнала с амплитудой 400 мВ и частотой 1 кГц

Рекомендации

Параметры ОУ, используемого в расчете, приведены в таблице 54.

Таблица 54. Параметры ОУ, используемого в расчете

OPA350
Vcc	2,7…5,5 В
VinCM	Rail-to-rail
Vout	Rail-to-rail
Vos	150 мкВ
Iq	5,2 мА/канал
Ib	0,5 пА
UGBW	38 МГц
SR	22 В/мкс
Число каналов	1, 2, 4

В качестве альтернативы может использоваться ОУ, параметры которого представлены в таблице 55.

Таблица 55. Параметры альтернативного ОУ

OPA353
Vcc	2,7…5,5 В
VinCM	Rail-to-rail
Vout	Rail-to-rail
Vos	3 мВ
Iq	5,2 мА
Ib	0,5 пА
UGBW	44 МГц
SR	22 В/мкс
Число каналов	1, 2,4

Оригинал статьи

Список ранее опубликованных глав

1. Поваренная книга разработчика аналоговых схем: Операционные усилители
2. Инвертирующий усилитель
3. Неинвертирующий усилитель
4. Инвертирующий сумматор
5. Дифференциальный усилитель
6. Интегратор
7. Дифференциатор
8. Трансимпедансный усилитель
9. Однополярная схема измерения тока
10. Биполярная схема измерения тока
11. Однополярная схема измерения тока с широким рабочим диапазоном (3 декады)
12. ШИМ-генератор на ОУ
13. Инвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
14. Неинвертирующий усилитель переменного напряжения (активный фильтр высоких частот)
15. Активный полосовой фильтр
16. Однополупериодный инвертирующий выпрямитель
17. Выпрямитель на ОУ

Перевел Вячеслав Гавриков по заказу АО КОМПЭЛ

•••

Товары

org/Product” data-pid=”vEBp”> org/Product” data-pid=”wD5A”> org/Product” data-pid=”EEz5M”>

Наименование
LM7705MME/NOPB (TI)
LM7705MMEVAL (TI)
OPA350 (TI)
OPA350EA/250G4 (TI)
OPA353 (TI)
OPA353NA/3K (TI)
OPA322AIDBVT (TI)
OPA322AQDBVRQ1 (TI)
OPA2325IDGKT (TI)
OPA2325IDR (TI)
OPA4187IDR (TI)
OPA4187IRUMT (TI)
OPA828IDR (TI)
OPA828ID (TI)
OPA2210IDR (TI)
OPA2210ID (TI)
OPA1671IDBVT (TI)
OPA1671IDCKR (TI)
OPA2156IDR (TI)
OPA2156ID (TI)

Прецизионные выпрямители

, схемы абсолютного значения, для ADALM1000 [Analog Devices Wiki]

Эта версия (3 ноября 2021 г. , 20:30) была одобрена Дугом Мерсером. Доступна ранее утвержденная версия (3 января 2021 г., 22:12).

Содержание

• Деятельность: прецизионные выпрямители, схемы абсолютного значения, для ADALM1000

  • Цель:

  • Примечания:

  • Фон:

    • Материалы:

    • Проезд:

    • Настройка оборудования:

    • Процедура:

    • Вопросы:

    • Двухполупериодный выпрямитель:

    • Проезд:

    • Настройка оборудования:

    • Процедура:

    • Вопросы:

Цель:

Целью этой лабораторной работы является исследование прецизионных выпрямителей или цепей абсолютного значения. Выпрямители или схемы «абсолютного значения» часто используются в качестве детекторов для преобразования амплитуд сигналов переменного тока в значения постоянного тока, чтобы их было легче измерить. Для этого типа схемы сигнал переменного тока сначала фильтруется высокими частотами для удаления любой составляющей постоянного тока, а затем выпрямляется и, возможно, фильтруется низкими частотами.

Примечания:

Как и во всех лабораторных работах ALM, мы используем следующую терминологию при описании подключений к разъему ALM1000 и настройке оборудования. Заштрихованные зеленым прямоугольники обозначают подключения к разъему аналогового ввода-вывода M1000. Выводы канала аналогового ввода/вывода обозначаются как CA и CB. При настройке на форсирование напряжения/измерения тока добавляется –V, как в CA-

V , или при настройке на форсирование тока/измерения напряжения –I добавляется, как в CA-I. Когда канал сконфигурирован в режиме высокого импеданса только для измерения напряжения –H добавляется как CA-H.

Следы осциллографа аналогичным образом обозначаются по каналу и напряжению/току. Например, CA- V , CB- V для сигналов напряжения и CA-I, CB-I для сигналов тока.

ALM1000 генерирует и измеряет однополярные или несимметричные сигналы в диапазоне от 0 до 5 В . Чтобы упростить и лучше понять принципы этой лабораторной работы, мы предпочли бы представить сигналы как биполярные, колеблющиеся как в положительном, так и в отрицательном направлении по обе стороны от общего узла. С ALM1000 мы можем использовать фиксированный 2,5

В в качестве общего узла, а затем рассмотрим допустимый диапазон сигнала от -2,5 В до +2,5 В .

В настольном программном обеспечении ALICE мы можем сделать следующие настройки. Как показано на рисунке 1, в правой части экрана прицела введите 2,5 для настройки смещения CA- V и CB- V . Это связано с тем, что в этой лабораторной работе мы привязываем все измерения к общей шине +2,5 В . Также введите 0 для настроек вертикального положения каналов CH-A и CH-B (внизу экрана осциллографа). Теперь вертикальная шкала должна быть сосредоточена на 0 и изменяться от -2,5 до +2,5.

Рис. 1. Регулировка смещения опорного сигнала 2,5 V

Фон:

Как мы видели в простых схемах выпрямителя, построенных на диодах, схема плохо реагирует на сигналы с амплитудой меньше, чем падение напряжения на диоде (0,7 В для кремниевых диодов). Это ограничивает их использование в конструкциях, где необходимо измерять малые амплитуды. Для конструкций, в которых требуется высокая степень точности, операционные усилители могут использоваться в сочетании с диодами для создания прецизионных выпрямителей.

Материалы:

Аппаратный модуль ADALM1000
1 – Четырёхканальный операционный усилитель OP484
5 – Резисторы 10 кОм
2 – Малые сигнальные диоды (1N914 или аналогичные)

Адрес:

Схема инвертирующего операционного усилителя может быть преобразована в «идеальный» (с линейной точностью) однополупериодный выпрямитель путем добавления двух диодов, как показано на рис. 2. Для отрицательной половины входного диода D ₁ смещен в обратном направлении, а диод D ₂ смещен в прямом направлении, и схема работает как обычный инвертор с коэффициентом усиления -1. Для положительной половины входа диод Д ₁ смещен в прямом направлении, замыкая обратную связь вокруг усилителя. Диод D ₂ имеет обратное смещение, отключающее выход от усилителя. Выход будет иметь потенциал виртуального заземления (-входная клемма) через резистор 10 кОм.

Рисунок 2 Схема подключения прецизионного однополупериодного выпрямителя

Настройка оборудования:

Настройте AWG CHA в режиме SVMI с синусоидальной формой 300 Гц и с минимальным значением, установленным на 1,0, и максимальным значением, установленным на 4,0 (3 9).0077 V п-р с центром на 2,5 V ). Канал B устанавливается в режим Hi-Z и используется для измерения напряжения на выпрямленном выходе. Оба канала осциллографа должны быть установлены на 0,5 В на деление.

Процедура:

В раскрывающемся меню кривых выберите CA- V и CB- V для отображения. Используя раскрывающиеся меню Meas, выберите Max и Avg для CV-A. Выберите Max и Avg для CB- V , чтобы отобразить пиковое и среднее напряжение на выходе.

Пик выпрямленного выхода теперь должен равняться пиковому значению входа. Существует также резкий переход, когда вход пересекает ноль. Экспериментатор должен исследовать формы сигналов в разных точках цепи, чтобы объяснить, почему эта схема работает лучше, чем простой диодный однополупериодный выпрямитель.

Для выполнения этого лабораторного задания необходимо:

а) Изучите схему и определите, как она работает. Существует очень фундаментальная концепция, которая должна помочь понять, как работает эта схема. Учитывая операционный усилитель, настроенный с отрицательной обратной связью, инвертирующие и неинвертирующие входные клеммы будут пытаться достичь одного и того же уровня напряжения, часто называемого «виртуальной землей».
b) Запланируйте несколько тестов, чтобы убедиться, что эта цепь действительно является выпрямляющей. Выполните эти тесты, полностью задокументировав все тесты и результаты в своем лабораторном отчете.
c) Тщательно измерьте и запишите напряжения во всех узлах цепи.

Вопросы:

Что произойдет, если направление диодов изменить на противоположное? Повторите эксперимент с обратным направлением обоих диодов.

Двухполупериодный выпрямитель:

Целью этой части лабораторной работы является модификация однополупериодного выпрямителя для создания двухполупериодного выпрямителя или схемы с абсолютным значением.

Схема проезда:

Схема, показанная на рисунке 3, является схемой абсолютного значения, которую часто называют прецизионным двухполупериодным выпрямителем. Он должен работать как двухполупериодный выпрямитель, построенный на идеальных диодах (напряжение на диоде при прямой проводимости равно 0 вольт). Фактические диоды, используемые в схеме, будут иметь прямое напряжение около 0,7 В .

Рис. 3 Схема подключения для цепи абсолютного значения

Настройка оборудования:

Генератор сигналов AWG CH-A должен быть настроен для синусоидального сигнала частотой 300 Гц с минимальным значением 1,0 В и максимальным значением 4,0 В (3 В пик-пик относительно 2,5 В ). Канал B устанавливается в режим Hi-Z и используется для измерения напряжения на выпрямленном выходе. Оба канала осциллографа должны быть установлены на 0,5 В на деление.

Процедура:

В раскрывающемся меню кривых выберите CA- V и CB- V для отображения. Используя раскрывающееся меню Meas, выберите Max и Avg для CV-A, чтобы отобразить пиковое и среднее напряжение для канала A. Выберите Max и Avg для CB-9.0077 В для отображения пикового и среднего напряжения для канала B.

Тщательно измерьте и запишите напряжения во всех узлах цепи.

Вопросы:

Что произойдет, если направление диодов изменить на противоположное? Повторите эксперимент с обратным направлением обоих диодов.

Что произойдет, если направление одного диода противоположно другому? Повторите эксперимент с обратным направлением одного диода (D ₁ ).

Ресурсов:

• Файлы LTSpice: precision_rect_abs_val_ckts_ltspice

• Фритцирующие файлы: precision_rect_abs_val_ckts_bb

Для дальнейшего чтения:

Полупериодный выпрямитель
Двухполупериодный выпрямитель

Вернуться к оглавлению лабораторной работы ALM

университет/курсы/alm1k/circuits1/alm-cir-precision-rectifier.txt · Последнее изменение: 03 нояб. 2021 г., 20:30, Doug Mercer

Операционный усилитель — Понимание прецизионного выпрямителя

спросил 2 года, 1 месяц назад

Изменено 1 год, 1 месяц назад

Просмотрено 185 раз

\$\начало группы\$

В частности, я пытался понять поведение этого прецизионного выпрямителя при входной волне \$V_{in}=V_{o}sin(\omega t)\$. Насколько я понимаю, схема сводится к тому, что мы имеем слева для \$V_{in}>0\$ (первая полуволна) и всякий раз, когда \$V_{in}<0\$ полярность напряжения на диоде становится положительный, и мы движемся к тому, что у нас есть в правильном.

Итак, теперь мы находимся во второй половине волны \$V_{in}<0\$ и останемся там до тех пор, пока полярность напряжения на диоде будет положительной. Я в замешательстве, потому что, учитывая два уравнения, которые у меня есть, полярность диода будет положительной, несмотря ни на что; \$V_{out} > V_{Y}\$ всегда выполняется из-за второго уравнения, потому что \$V_{ON}\$ должно быть постоянным. Между тем, я думаю, что у нас должен быть способ снова перейти к тому, что у нас есть слева, когда \$V_{in}>0\$, так что я упускаю?

Редактировать: На рисунке \$V_{y}-V_{on}\$ действительно должно быть \$V_{y}+V_{on}\$

• операционный усилитель
• диоды
• pn-переход
• точность -выпрямитель

\$\конечная группа\$

14

\$\начало группы\$

На правой диаграмме катод диода (приблизительно) заземлен резистором. Когда Vy становится положительным, ток не может течь на землю через диод и резистор. Если бы это было так, то потребовалось бы, чтобы ток протекал через диод от анода к катоду – а этого не может произойти, если диод не смещен в обратном направлении – и не может быть тока через диод с обратным смещением.

Другими словами, фон не постоянен. Это применимо только тогда, когда диод смещен в прямом направлении. «Vout>VY всегда верно из-за второго уравнения, потому что VON должно быть постоянным».

Давайте посмотрим, что произойдет, если Vin будет равен, скажем, 5 вольтам. Должно быть понятно, что вне зависимости от состояния диода Vout будет меньше Vin. Если диод смещен в обратном направлении, ток не может течь к резистору, поэтому его напряжение (и Vout) должно быть равно нулю. Если диод смещен в прямом направлении, Vout должно быть Von меньше, чем Vy. Если Vout больше, чем Vin (скажем, 6 вольт, просто для иллюстрации), выход операционного усилителя должен быть A (Vin – V-), или A (5 – 6), или -A.