Aplikacje wzmacniaczy operacyjnych cz2.pdf

PŁYTKI WIELOFUNKCYJNE

APLIKACJE

WZMACNIACZY

OPERACYJNYCH

część 2

W pierwszym numerze naszego

czasopisma zaproponowaliśmy prak−

tyczne zapoznanie się z jednym z “ko−

ni pociągowych” elektroniki − wzmac−

niaczem operacyjnym. Zaprezentowa−

liśmy dwa pożyteczne urządzenia:

przełącznik sterowany dowolnym pilo−

tem i tester podzespołów. Dziś opisu−

jemy kolejne: programowany przed−

wzmacniacz mikrofonowy i dwa miga−

cze dużej mocy.

Wszystkie przedstawione układy

można zmontować na płytce wielofun−

kcyjnej PW−01. Jak zwykle, nie wszys−

tkie zaznaczone na płytce elementy

będą montowane. Dla ułatwienia mon−

tażu zamieszczamy schematy i rysun−

ki zawierające tylko niezbędne ele−

menty i dlatego ich numeracja nie jest

ciągła. Pełny rysunek płytki drukowa−

nej i schemat zawierający wszystkie

możliwe elementy można znaleźć

w EdW1/96 na str. 9.

Uniwersalny przedwzmacniacz audio współpracujący

z dowolnym źródłem sygnału

Właściwości:

małe szumy i dobre parametry dynamiczne dzięki zastosowaniu nowoczesnego układu NE5532

duże wzmocnienie i szerokie pasmo dzięki zastosowaniu dwóch stopni wzmocnienia

szeroki zakres napięcia zasilającego

Najważniejsze parametry:

Wzmocnienie: programowane zworami

10x...10000x

Pasmo przenoszenia: 20Hz...20kHz

Rezystancja wejściowa: 40k W

Zasilanie: 5...24V

3. Programowany

przedwzmacniacz mikrofonowy

Wzmocnienie Zwory w miejscu:

10x

C6, C7, C12

100x

C7, C12

1000x

C12

10000x

bez zwór

Schemat ideowy wzmacniacza jest poka−

zany na rysunku 1 , a montażowy na rysun−

ku 2 . Układ może współpracować z dowol−

nym mikrofonem, lub innym źródłem sygnału

małej częstotliwości. Rezystor R2 potrzebny

jest tylko wtedy, gdy używany jest dwukoń−

cówkowy mikrofon elektretowy; w pozosta−

łych zastosowaniach nie należy go monto−

wać.

Zmienny sygnał wejściowy podawany jest

przez kondensator C4 na nóżkę 3 wzmacnia−

cza operacyjnego U1A, który pracuje w kon−

figuracji wzmacniacza nieodwracającego.

Rezystory R4 i R5 ustalają napięcie stałe na

tej końcówce (napięcie stałe na nóżkach

1 i 2 jest takie same). Wzmocniony sygnał

zmienny przechodzi do drugiego stopnia −

wzmacniacza odwracającego z układem

U1B. Rezystory R12 i R13 ustalają napięcia

stałe na nóżkach 5, 6 i 7 równe połowie na−

pięcia zasilającego. Celowo zastosowano re−

zystor R5 o wartości mniejszej niż R4, aby

napięcie na wyjściu układu U1A było mniej−

sze niż napięcie na nóżce 6 U1B. Wtedy kon−

densator elektrolityczny C8 jest zawsze spo−

laryzowany napięciem stałym o właściwej

biegunowości.

Wzmocnienie ustalane jest przez rezysto−

ry R8, R9 i R15, R16. Przewidziano możli−

wość zmiany wzmocnienia w szerokich gra−

nicach przez wykonanie lub usunięcie zwór

w miejscach oznaczonych na płytce C6, C7,

C11, C12. Oczywiście, rezystory R8, R9, R15

i R16 można według potrzeby zmieniać, byle

ich wartość zawierała się w granicach

1...100k W .

Oprócz standardowych kondensatorów

odsprzęgających zasilanie (C1, C2) w ukła−

dzie celowo zastosowano dodatkową filtrację

napięcia polaryzującego obwody wejściowe

pierwszego stopnia (R1C3), aby uniknąć sa−

mowzbudzenia układu przy wartościach

wzmocnienia rzędu tysięcy. Podobną rolę dla

drugiego stopnia pełni kondensator C18.

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/96

PŁYTKI WIELOFUNKCYJNE

Rys.1

Mikrofon elektretowy

Obecnie najpopularniejszy i najtanszy

mikrofon o dookólnej charakterystyce

skuteczności i szerokim pasmie jest

rodzajem mikrofonu pojemnościowe−

go. Ponieważ element czynny ma

właściwości kondensatora i charakte−

ryzuje się bardzo dużą rezystancją

wewnętrzną, więc każdy mikrofon

elektretowy zawiera tranzystor polowy

umożliwiający współpracę z typowymi

dla układów audio impedancjami rzę−

du setek omów...dziesiątek kiloomów.

Najpopularniejsze są mikrofony dwu−

końcówkowe, ale spotyka się często

trzykońcówkowe. Mikrofony dwukoń−

cówkowe muszą być polaryzowane

przez rezystor, pełniący też rolę ob−

ciążenia. Wartość tego rezystora nie

jest krytyczna, zwykle jest rzędu

1...10k W . Czym większa jest ta rezys−

tancja, tym większy sygnał wyjściowy,

ale i większa podatność na zewnętr−

zne zakłócenia. Zakres napięć zasila−

nia mikrofonów trzykońcówkowych

wynosi zwykle 3...15V. W przypadku

mikrofonów dwukońcówkowych wy−

starczy, żeby napięcie na mikrofonie

nie było mniejsze niż 1V.

Należy zwrócić uwagę, że napięcie

zasilające mikrofonu dwukońcówko−

wego musi być dobrze filtrowane, po−

nieważ sygnał użyteczny występuje

na rezystorze obciążenia, który naj−

częściej jest dołączony do plusa zasi−

lania, a nie do masy.

W praktyce łatwo ustalić biegunowość

mikrofonu, bowiem metalowa obudo−

wa połączona jest z końcówką ujem−

ną. W trzykońcówkowych wyjściem

sygnału jest zwykle końcówka środko−

wa.

Dzięki obecności kondensatora C16, na

wyjściu (punkt A) nie występuje napięcie sta−

łe z nóżki 7 układu U1B.

du scalonego.

W modelu zwory programujące wzmocnienie

(w miejscu C6, C7, C15, C16) wykonano z ob−

ciętych koncówek wcześniej wlutowanych

elementów. Właściwe dołączenie mikrofonu

elektretowego w miejsce rezystora R3 ułatwi

rysunek w ramce.

Po zmontowaniu należy starannie spraw−

dzić poprawność montażu według rysunków

1i2.

Układ zmontowany ze sprawnych ele−

mentów nie wymaga uruchamiania − od razu

pracuje poprawnie.

Gdyby układ nie chciał pracować, należy

najpierw sprawdzić napięcia stałe na nóżce

7 (połowa Uzas) i nóżce 1 (trochę mniej niż

połowa Uzas). Jeśli te napięcia są inne, nale−

ży odszukać

uszkodzony lub

błędnie wluto−

wany element,

np. zamienione

rezystory lub

odwrotnie wluto−

wany kondensa−

tor elektrolitycz−

ny.

Model pokazany

na fotografii

przy zasilaniu

12V pobiera

7mA prądu, przy

24V − 9mA.

Egzemplarz mo−

delowy pracuje

bez zarzutu przy

wszystkich war−

tościach

wzmocnienia,

jednak przy

Montaż i uruchomienie

Ponieważ w układzie nie wykorzystuje się

wszystkich elementów, część płytki można

odciąć według zaznaczonej linii, tak jak uczy−

niono to w modelu.

Montaż należy rozpocząć od wykonania

dwóch zwór: między punktami Y,Y oraz

w miejscu rezystora R25.

Wszystkie elementy można zmontować

w dowolnej kolejności, zwracając szczególną

uwagę na biegunowość kondensatorów elek−

trolitycznych oraz położenie podstawki i ukła−

Rys.2

wzmocnieniu rzędu tysięcy należy zapewnić

dobrą filtrację napięcia zasilającego, szcze−

gólnie gdyby przedwzmacniacz miał współ−

pracować ze wzmacniaczem mocy. W takim

przypadku aby uniknąć samowzbudzenia na−

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/96

PŁYTKI WIELOFUNKCYJNE

Wzmacniacz odwracający

Praktyczne układy pracy pokazano na rysunkach.

Wzmocnienie dla sygnałów zmiennych wynosi:

G = R1/R2. Pewną wadą wzmacniacza odwracają

cego jest stosunkowo mała rezystancja wejściowa

równa wartości R2 (rezystancja R1 nie powinna być

większa niż kilkaset kiloomów). Orientacyjna dolna

częstotliwość graniczna: fd = 0,16/(R2 . C1) , górna −

podobnie jak we wzmacniaczu nieodwracającym.

leży też właściwie poprowadzić obwód masy.

Omówienie tego tematu wykracza jednak po−

za ramy niniejszego artykułu.

Wzmacniacz nieodwracający

Typowy układ wzmacniacza nieodwracającego pokazany jest na rysunkach. W przy−

padku zasilania układu pojedynczym napięciem konieczny jest obwód polaryzujący

wejście napięciem stałym, równym zwykle połowie napięcia zasilającego, oraz kon−

densator separujący włączony w szereg z rezystorem R2 (rys b, c). Należy dobrze

filtrować napięcie zasilania obwodu polaryzującego wejście, bowiem wszelkie “śmie−

ci” pojawiające się na dodatniej szynie zasilającej mogą przedostawać się do wejścia

i być wzmacniane, co w skrajnym przypadku może nawet spowodować samowzbu−

dzenie − dlatego lepszy jest układ z rysunku c. Na wyjściu układów bi c występuje

napięcie stałe wyznaczone przez rezystory Rp.

Wzmocnienie dla sygnałów zmiennych jest równe: G = 1 + R1/R2

Ważna zaletą jest duża rezystancja wejściowa wzmacniacza;

− w układzie z rysunku a jest ona rzędu megaomów,

− wg rysunku b: Rp/2

− wg rysunku c: R3.

Dolna częstotliwość graniczna zależy od pojemności sprzęgających C1 i C2. Orientacyjnie: fd

= 0,32/(Rp . C1) = 0,16/(R2 . C2) = 0,16/(R3*C1)

Górna częstotliwość graniczna wynika z właściwości wzmacniacza operacyjnego

i zależy od wzmocnienia: większe wzmocnienie − węższe pasmo. Kostka NE5532

przy wzmocnieniu 100 ma pasmo ponad 100kHz.

WYKAZ ELEMENTÓW:

Rezystory

R1,R7,R10: 1k W

R2: 4,7k W

R4,R12,R13: 100k W

R5: 68k W

R8: 9,1k W

R9,R16: 91k W

R15: 10k W

Kondensatory

C1,C3: 47µF/25V

C2: 100nF ceramiczny

C4: 1µF stały

C5,C8,C16,C18: 10µF/25V

Inne

U1: TL082

M1: mikrofon elektretowy

* płytka drukowana PW−01

4. Impulsator − migacz dużej mocy

W urządzeniach sygnalizacyjnych, alar−

mowych, do sterowania reklam często po−

trzebny okazuje się impulsator, inaczej mó−

wiąc przerywacz lub migacz, który w ustalo−

nym rytmie włącza i wyłącza obciążenie, naj−

częściej żarówki.

Proponujemy dwie wersje takiego urzą−

dzenia. Pierwsza przeznaczona jest do stero−

wania żarówek samochodowych, druga − od−

biorników zasilanych z sieci 220V.

Schematy ideowy i montażowy wersji

pierwszej pokazane są na rysunkach 3 i 4 .

Podstawą jest wzmacniacz operacyjny pra−

cujący w roli generatora. Zasadę działania ta−

kiego generatora opisano w EdW1/96 na

str. 14. Częstotliwość przebiegu wy−

Uniwersalny impulsator do

sterowania lampami dużej

mocy

Prosta konstrukcja, niewielka ilość ele−

mentów, łatwy montaż,

łatwy dobór częstotliwości pracy

Szeroki zakres zastosowań: domowe,

motoryzacyjne, przemysłowe.

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/96

PŁYTKI WIELOFUNKCYJNE

Tranzystor polowy z izolowa−

ną bramką i kanałem N

Rys. 3

Podstawową zaletą takiego tranzystora jest

fakt, że obwód bramki praktycznie nie po−

biera prądu − otwieranie tranzystora odby−

wa się pod wpływem napięcia. Gdy napię−

cie UGS między bramką G (gate) a źród−

łem S (source) jest równe zeru, tranzystor

jest zatkany i w obwodzie dren D − źródło

S nie płynie żaden prąd. Przy wzroście na−

pięcia UGS po przekroczeniu pewnego na−

pięcia tranzystor zaczyna się stopniowo ot−

wierać, zmniejsza się jego rezystancja

i w obwodzie dren−źródło może płynąć

prąd. Rezystancja między drenem a źród−

łem zmniejsza się ze wzrostem UGS, ale

nie do zera, tylko do pewnej minimalnej

wartości, w katalogach zwanej RDSon.

Tranzystory na niższe napięcie pracy UDS

mają generalnie mniejszą minimalną rezys−

tancję RDSon. Dla różnych tranzystorów

rezystancje te wynoszą:

BUZ10 (50V) − 0,07 W

BUZ11A (50V) − 0,055 W

BUZ71A (50V) − 0,12 W

BUZ72A (100V) − 0,25 W

BUZ73 (200V) − 0,4 W

BUZ74 (500V) − 3,0 W

BUZ91A (600V) − 0,9 W

BUZ92 (600V) − 3,0 W

BUZ80 (800V) − 4,0 W

W nawiasach podano maksymalne napięcie pra−

cy UDS.

Straty mocy w przewodącym tranzystorze są pro−

porcjonalne do płynącego prądu:

Rys. 4

jściowego wynika z wartości elementów

R11, C9 i można ją zmieniać w bardzo

szerokim zakresie od około 1MHz do

drobnych ułamków herca. W układzie

zawierającym żarówki częstotliwość nie

może być mniejsza niż około 1Hz, po−

nieważ świecące włókno nie zdąży

ostygnąć i efekt migotania będzie słaby.

W naszym układzie wzmacniacz ope−

racyjny U1A nie jest wykorzystany.

W wersji pierwszej elementem wyko−

nawczym jest tranzystor polowy typu

MOSFET. W stanie otwarcia ma on re−

zystancję rzędu ułamka oma (zależnie

od typu), wobec czego nie jest koniecz−

ne stosowanie radiatora nawet jeśli ob−

ciążeniem jest duża żarówka samocho−

dowa o mocy 50W. Przy takiej mocy ża−

Pstr = I 2 . RDSon

Rys. 5

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/96

PŁYTKI WIELOFUNKCYJNE

Rys. 7

rówki celowe będzie wzmocnienie ście−

żek przewodzących tak duży prąd dru−

tem lub srebrzanką przylutowaną do

punktów lutowniczych i ścieżek.

Różne możliwości podłączenia poka−

zuje rysunek 5. Wersja z rysunku 5b mo−

że okazać się interesująca, bowiem po−

bór prądu przez układ sterujący zawie−

rający “oszczędną” kostkę TL062 wyno−

si tylko 0,38mA (z układem TL082 około

5mA).

Inna wersja impulsatora pokazana jest na

rysunkach 6 i 7. Elementem wykonawczym

jest przekaźnik o obciążalności styków

8...16A, co umożliwia sterowanie dowolnym

obciążeniem, także urządzeniami zasilanymi

z sieci energetycznej. Dioda D4 likwiduje

przepięcia powstające podczas wyłączania

przekaźnika, które mogłyby uszkodzić tran−

zystor. Dzielnik napięcia R21 i R23 jest ko−

nieczny, ponieważ “w stanie niskim” napięcie

na wyjściu układu U1B wynosi prawie 1,5V.

Przy braku R23 powodowałoby to ciągłe

przewodzenie tranzystora T1.

W wersji z przekaźnikiem zaleca się sto−

sować mniejszą częstotliwość przełączania

z uwagi na ograniczoną trwałość styków

przekaźnika − należy zwiększyć pojemność

C9 i ewentualnie także wartość R15 do

1...4,7M W .

Przykładowo przy napięciu sieci 220V

i obciążeniu rezystancyjnym 400W oczekiwa−

na trwałość styków krajowego przekaźnika

RM81 wyniesie około 1mln zadziałań, a przy

200W − dwukrotnie więcej.

Do wersji z tranzystorem MOSFET płytkę

można obciąć wzdłuż zaznaczonej linii. Nale−

ży też wlutować zworę między punktami Y,

Y i w miejscu kondensatora C16. UWAGA!

Wyprowadzenia drenu i źródła tranzystora T3

trzeba zamienić miejscami − to znaczy odpo−

wiednio wykrępować przed wlutowaniem

w płytkę. W niektórych egzemplarzach płytki

drukowanej PW−01 zdarzają się przerwy mię−

dzy ścieżką masy, a srodkowym punktem lu−

towniczym tranzystora T3 − w razie potrzeby

należy w tym miejscu zeskrobać lakier ze

ścieżki masy i kroplą cyny poprawić połącze−

nie.

W wersji z przekaźnikiem należy dodatko−

wo wlutować zworę w miejsce diody D5, aby

połączyć rezystor R23 do masy.

Montaż i uruchomienie

W obu wersjach należy wykonać zworę

w miejscu rezystora R14 i wlutować elemen−

ty (w dowolnej, wygodnej kolejności). Poje−

dynczy rezystor oznaczony na schematach

R15+R16 należy wlutować “na leżąco” w ot−

wory przewodziane pod rezystory R15 i R16.

Piotr Górecki

WYKAZ ELEMENTÓW:

Rezystory

R11,R12,R13,R15+R16: 100k W

Kondensatory

C1: 47µF/25V

C2: 100nF ceramiczny

C9: 10µF/25V

Tranzystory

T3: BUZ10

Inne

U1: TL062

* płytka drukowana PW−01

* przewód dwużyłowy

Rys. 6

ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/96

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: