Aplikacje wzmacniaczy operacyjnych cz4.pdf

Płytki wielofunkcyjne

Aplikacje wzmacniaczy

operacyjnych

część 4

W pierwszym numerze EdW

zaproponowaliśmy praktyczne

zapoznanie się ze wzmacniaczem

operacyjnym − jedną z lokomotyw

elektroniki. Do tego celu służy płytka

wielofunkcyjna PW−01, na której

można zmontować kilkadziesiąt

pożytecznych układów. W tym

numerze przedstawiamy

podsłuchiwacz szeptów.

Podsłuchiwacz szeptów

Układ ten umożliwia:

· podsłuchiwanie dźwięków przyrody,

· podsłuchiwanie różnych odgłosów domowych,

· badanie przewodnictwa dźwiękowego ciał stałych: ścian, rur

instalacyjnych, itp.

Do tej pory zaprezentowaliśmy nastę−

pujące urządzenia: przełącznik sterowa−

ny dowolnym pilotem i uniwersalny tes−

ter podzespołów (EdW 1/96), programo−

wany przedwzmacniacz mikrofonowy

i dwa migacze dużej mocy (EdW 3/96)

oraz regulator temperatury (EdW 5/96).

W tym cyklu staramy się łączyć prak−

tykę i niezbędną teorię. Dlatego obok in−

strukcji montażu podajemy dodatkowe

informacje, potrzebne osobom, które

chcą samodzielnie opracowywać urzą−

dzenia elektroniczne. Niezbędną teorię,

subtelności i szczegóły dotyczące anali−

zy układu umieszczamy i ramkach, któ−

rych lektura nie jest konieczna do wyko−

nania i uruchomienia układu.

Ponieważ płytka PW−01 przeznaczo−

na jest do zmontowania wielu różnych

układów, więc przewidziano na niej miej−

sce dla licznych elementów, z których

tylko niektóre są montowane w danym

przypadku. Fotografie, rysunki i sche−

maty w artykule przedstawiają tylko te

podzespoły, które mają być zamontowa−

ne. Z tego powodu numeracja uży−

tych elementów nie jest ciągła. Pełny

rysunek płytki drukowanej i schemat

zawierający wszystkie możliwe elementy

zamieszczono w EdW 1/96 na str. 9.

Podsłuchiwacz szeptów

Schemat ideowy układu pokazany

jest na rysunku 1 . Mikrofon elektretowy

dwukońcówkowy M1 jest zasilany przez

rezystor R3. Sygnał mikrofonu podawa−

ny jest przez kondensator C4 na wzmac−

niacz operacyjny U1A pracujący w kon−

figuracji nieodwracającej. Wzmocnienie

tego stopnia dla sygnałów zmiennych

jest ustalone stosunkiem rezystancji

R8+9 oraz R7 i wynosi około 34.

Wzmocnienie = 1 + (R8+9)/R7

Wzmocniony sygnał podawany jest

na następny wzmacniacz U1B pracujący

w konfiguracji odwracającej. Wzmoc−

nienie tego stopnia wyznaczone jest sto−

sunkiem rezystancji potencjometru P1

i rezystora R10, może być więc zmie−

niane w zakresie 0...22.

Wzmacniacz operacyjny ma stosun−

kowo niewielką wydajność prądową wy−

jścia, więc dla zwiększenia mocy wy−

jściowej przewidziano użycie dodatko−

wych tranzystorów. Tranzystory te pra−

cują w klasie C, to znaczy w spoczyn−

ku nie przewodzą. Przy małych sygna−

łach, do obciążenia dostarczany jest

prąd z wyjścia wzmacnacza operacyj−

nego U1B przez rezystor R25. Gdy chwi−

lowe napięcie na rezystorze R25 prze−

kroczy napięcie progowe tranzystora

(około 0,6V), wtedy zaczyna przewodzić

jeden z tranzystorów T2 lub T3, i do

obciążenia dostarczony jest prąd płyną−

cy przez ten tranzystor. Takie rozwiąza−

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/96

Płytki wielofunkcyjne

Rys. 1. Schemat ideowy układu.

nie jest optymalne dla układu zasilanego

z baterii, pozwala bowiem zachować

niewielki poziom zniekształceń, mały po−

bór prądu w spoczynku, a jednocześ−

nie może dostarczyć dużego prądu

w szczycie wysterowania.

W wersji modelowej jako T2 i T3

zamontowano popularne tranzystory

BC548/BC558. Sprawdzono także dzia−

łanie układu bez tych tranzystorów

i przy zwarciu rezystora R25. Do współ−

pracy z typowymi stereofonicznymi słu−

chawkami od Walkmana o rezystancji

2x24 W ...2x32 W absolutnie nie ma po−

trzeby montowania tych tranzystorów.

Dlatego też w zestawie AVT−407 nie

przewidziano ani tranzystorów, ani re−

zystora R25, a na schemacie ideowym

połączenia tranzystorów narysowano li−

nią przerywaną.

Należy też zwrócić uwagę na nietypo−

wy sposób dołączenia stereofonicznego

gniazda słuchawkowego G1. Obwód

masy gniazda G1 nie jest podłączony,

dzięki czemu obie słuchawki są połączo−

ne szeregowo. Co prawda pracują one

w przeciwfazie, ale dla opisywanego

zastosowania nie ma to żadnego zna−

czenia. Zaletą szeregowego połączenia

słuchawek jest mniejszy pobór prądu

z baterii.

Sumaryczne wzmocnienie całego

układu jest bardzo duże, sięga kilku ty−

sięcy, co przy dużej czułości mikrofonu

elektretowego pozwala podsłuchiwać

nawet najcichsze szepty. Układ jest tak

czuły, że przy największym wzmocnieniu

ma skłonności samowzbudzenia na dro−

dze słuchawki − mikrofon, nawet wtedy,

gdy są one oddalone od siebie o ponad

metr.

Oczywiście, przy tak dużym wzmoc−

nieniu dają też o sobie znać szumy

własne układu. W modelu zastosowano

popularny niskoszumny wzmacniacz

z wejściami FET, o oznaczeniu TL072.

Dzięki temu pobór prądu w spoczynku

jest naprawdę mały i wynosi około

3,6mA. Można też zastosować jeszcze

mniej szumiący wzmacniacz NE5532,

czy LM833, ale wtedy należy liczyć się

z poborem prądu około 7...8mA, co

przy zasilaniu z baterii 9V może być is−

totne.

Do zastosowań eksperymentalnych

wystarczy całkowicie kostka TL072.

Aby umożliwić różne eksperymenty,

w egzemplarzu modelowym zamonto−

wano mikrofon nie w obudowie, lecz na

końcu kilkudziesięciocentymetrowego

kabla. Daje to sposobność przeprowa−

dzenia szeregu eksperymentów spraw−

dzających przewodzenie dźwięku przez

ciała stałe: betonowe ściany, rury wodo−

ciągowe, gazowe, c.o. itp.

Montaż i uruchomienie

Pomocą w montażu elementów bę−

dzie fotografia i rysunek 2 , przedsta−

wiający płytkę drukowaną z użytymi

elementami. Jak widać, płytkę można

obciąć według zaznaczonej linii, wtedy

zmieści się bez problemów w typowej

obudowie KM−33B.

W pierwszej kolejności należy wyko−

nać zworę między punktami Y − Y, oraz

zworę zamiast rezystora R25, a następ−

nie w dowolnej kolejności zamontować

podstawkę pod układ scalony i elemen−

ty bierne. Należy zwrócić szczególną

uwagę na kondensatory C5, C8 i C18.

W naszym układzie są to kondensatory

elektrolityczne i przy ich montażu trze−

ba zachować właściwą biegunowość.

W kondensatorach elektroda ujemna

jest oznaczona na obudowie, a jej wy−

prowadzenie jest krótsze. Dla ułatwienia,

na rysunku 2 zaznaczono otwory,

w które mają być wlutowane końcówki

dodatnie (dłuższe) kondensatorów elek−

trolitycznych. Zaznaczone na schemacie

ideowym elementy T2, T3 i R25 nie

wchodzą w skład zestawu AVT−407 −

nie są one potrzebne do współpracy

z typowymi słuchawkami.

Po zmontowaniu elementów na płyt−

ce, należy włożyć w podstawkę układ

scalony U1 zgodnie z zaznaczonym wy−

cięciem, oraz dołączyć złączkę baterii,

mikrofon M1, potencjometr P1 i gniazdo

Rys. 2. Płytka drukowana.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/96

Płytki wielofunkcyjne

Zwiększanie obciążalności wyjścia wzmacniacza operacyjnego

Praktycznie wszystkie wzmacnia−

cze operacyjne mają wbudowane

obwody zabezpieczające stopień

wyjściowy przed uszkodzeniem.

Dzięki temu trudno uszkodzić

wzmacniacz, nawet gdy jego wyjście

jest zwarte do masy, czy szyn zasi−

lających. Zabezpieczenia ograni−

czają maksymalny prąd wyjściowy

(zwarciowy) do wartości co najwyżej

kilkudziesięciu miliamperów.

Niekiedy w praktycznych ukła−

dach potrzeba dostarczyć do obcią−

żenia prąd o większej wartości. Na−

leży wtedy dołączyć do wzmacnia−

cza stopień wyjściowy o większej

wydajności prądowej. Zazwyczaj

jest to układ dwóch komplementar−

nych tranzystorów mocy. Rysunki

a...e pokazują spotykane konfigu−

racje. Każda z nich ma swoje wady

i zalety.

Wersja a jest najprostsza, ale

charakteryzuje się niedopuszczalnie

dużymi zniekształceniami nielinio−

wymi (skrośnymi), bowiem dodatko−

wy stopień nie jest objęty pętlą

sprzężenia zwrotnego. Takiego

układu nie stosuje się w praktyce.

Wersja b jest lepsza, bo sprzężenie

zwrotne obejmuje także dodatkowe

tranzystory, dzięki czemu znie−

kształcenia skrośne, dzięki dużemu

zapasowi wzmocnienia i dużej

szybkości wzmacniacza operacyjne−

go, są utrzymywane na nieznacz−

nym poziomie, poniżej 1%. Czym

szybszy wzmacniacz operacyjny

i czym ma większe wzmocnienie, tym mniejsze są wypadkowe zniekształcenia.

W układzie z rysunku c zastosowano dodatkowo rezystor R3.

W wersji d dodano układy polaryzacji tranzystorów zapewniające przepływ jakiegoś prądu spoczynkowego (o wartości

zależnej od R4 i R5), czyli pracę w klasie AB. Wersja d ma więc jeszcze mniejsze zniekształcenia nieliniowe. Najbardziej

rozbudowana wersja e także zapewnia pracę tranzystorów w klasie AB, a dodatkowo ma obwody zabezpieczenia przed

zwarciem.

Na rysunkach nie pokazano szczegółowo obwodów zasilania, bowiem przedstawione układy można stosować zarówno

przy napięciu symetrycznym, jak i pojedynczym. Oczywiście przedstawione rozwiązania można też stosować w konfigura−

cji wzmacniacza odwracającego.

W praktyce stosuje się zwykle wersję c, w której przy małych sygnałach prąd dostarczany jest przez wzmacniacz opera−

cyjny i rezystor R5, a przy sygnałach większych − przez tranzystory T1 i T2. Rezystor powinien być tak dobrany, żeby przy

maksymalnym użytecznym prądzie wyjściowym (zazwyczaj około 20mA), spadek napięcia na rezystorze R5 wynosił około

1V. Takie rozwiązanie zastosowano w układzie modelowym.

Zwykle nie warto stosować wersji d i e, ponieważ gdy wymagane są naprawdę małe zniekształcenia i pożądane jest za−

bezpieczenie wyjścia, wtedy lepiej jest zastosować dobry scalony wzmacniacz mocy, a nie wzmacniacz operacyjny i tran−

zystory.

Rys. a.

Rys. d.

Rys. b.

Rys. c.

Rys. e.

słuchawkowe G1, zgodnie z rysunkiem

rie alkaliczne lub akumulatorki CdNi.

Uwagi końcowe

Układ o tak dużym wzmocnieniu jest

znakomitym obiektem do praktycznego

zapoznania się z problemem odsprzęga−

nia zasilania. Problem ten wspomniany

jest w ”Listach od Piotra” z EdW 5/96.

Nie wchodząc w szczegóły powiedz−

my tylko, że prąd pobierany z baterii

zmienia się w takt przetwarzanych syg−

nałów. Każde źródło zasilające ma jakąś

oporność, więc przepływ zmieniającego

się prądu wywoła spadek napięcia na tej

oporności i w konsekwencji na szynach

zasilających wystąpią jakieś sygnały

zmienne. Wielkość tych szkodliwych

przebiegów jest wprost proporcjonalna

do oporności (ściślej biorąc: impedancji)

źródła zasilającego. Te szkodliwe syg−

Na koniec trzeba dokładnie sprawdzić

zgodność montażu z rysunkami 1 i 2.

Układ zmontowany ze sprawnych ele−

mentów nie wymaga uruchomiania i od

razu pracuje poprawnie.

Ze względu na dużą czułość układu,

do zasilania zaleca się używać baterii o

małej rezystancji wewnętrznej, tzn. bate−

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/96

Płytki wielofunkcyjne

WYKAZ ELEMENTÓW

Rezystory

R1: 510 W

R3: 4,7k W

R4: 220k W

R5, R12, R13: 330k W

R7, R10: 1k W

R25: zwora (47 W w wersji z T2,

T3)

R8+9: 33k W

P1: 22k W B z wyłącznikiem

Kondensatory

C1: 470µF/10V

C2: 100nF ceramiczny

C3: 220µF/10V

C4: 220nF

C5, C8, C18: 10µF/10V

C16: 100µF/10V

Półprzewodniki

U1: TL072

Różne

M1: mikrofon elektretowy

G1: gniazdo minijack stereo

podstawka pod układ scalony

DIP8

złączka baterii 9V

płytka wielofunkcyjna PW−01

pokrętło potencjometru

przewody łączeniowe

obudowa KM−33B kpl.

słuchawki (nie wchodzą w skład

kitu AVT−407)

rezystorów R12 i R13 wystarczy tu po−

jemność 10µF. Nie bez znaczenia jest

też nietypowy sposób włączenia mikro−

fonu. Kondensatory znakomicie od−

sprzęgają zasilanie w zakresie częstotli−

wości ponad 100Hz. Jednak dla częstot−

liwości najmniejszych, rzędu kilku her−

ców (i mniej) decydujące znaczenie i tak

ma rezystancja baterii. Układ zasilany z

baterii o znacznej rezystancji (częściowo

wyczerpana najtańsza bateria węglowa)

będzie więc miał tendencję do wzbudza−

nia się na częstotliwości rzędu kilku, kilku−

nastu herców. Z tego względu do zasilania

zaleca się baterie alkaliczne lub akumu−

latorki, bowiem ich mała rezystancja we−

wnętrzna zapobiega samowzbudzeniu.

Proponujemy wszystkim Czytelnikom

przeprowadzenie prostego eksperymen−

tu pokazującego praktycznie problem

odsprzęgania zasilania. Dla zwiększenia

rezystancji źródła należy wylutować kon−

densatory C1 i C3 oraz włączyć szerego−

wo z baterią amperomierz lub rezystor

o wartości 10...47 W . Aby wyeliminować

sprzężenie akustyczne, mikrofon należy

zewrzeć lub rozewrzeć (oba przypadki

dają nieco inne warunki pracy układu).

Okaże się, iż przy zwiększaniu wzmoc−

nienia układ będzie się wzbudzał na nis−

kiej częstotliwości − objawi się to terko−

tem lub miarowym stukaniem w słuchaw−

kach. Następnie dla bliższego poznania

zjawiska można przeprowadzić próby

montując jako C1 i C3 elektrolity o war−

tościach z zakresu 10...2200µF, a na−

stępnie sprawdzić, przy jakim ustawieniu

potencjometru P1 układ zacznie się

wzbudzać na niskich częstotliwościach.

Piotr Górecki

nały przedostają się z powrotem do toru

sygnałowego i są wzmacniane − tworzy

się więc sprzężenie zwrotne i przy dużej

wartości wzmocnienia układu na pewno

wystąpi samowzbudzenie.

Trzeba tu jednak odróżnić samo−

wzbudzenie powstające na drodze akus−

tycznej, wywołane sprzężeniem między

słuchawkami a mikrofonem. Objawi się

ono piskiem o częstotliwości ponad

1kHz. Teraz jednak mówimy o innej po−

tencjalnej przyczynie samowzbudzenia −

sprzężeniu przez obwody zasilania.

Skłonność do takiego samowzbudze−

nia zależy od kilku czynników: m. in. od

katalogowego parametru wzmacniaczy

operacyjnych PSR (Power Supply Re−

jection − tłumienie tętnień zasilania).

W naszym przypadku zależy bardziej

od konfiguracji układowej − układ zasila−

ny pojedynczym napięciem ma zwykle

właściwości pod tym względem znacznie

gorsze, niż układ zasilany napięciem sy−

metrycznym.

Skłonność do samowzbudzenia nasze−

go układu wynika jednak przede wszyst−

kim z istnienia oporności źródła zasila−

nia. Dla zmniejszenia wrażliwości na

zmiany oporności źródła, powszechnie

stosuje się kondensatory odsprzęgające

włączone równolegle ze źródłem zasila−

nia. Zmniejszają one impedancję źródła

i zapobiegają wzbudzeniu. Godnym po−

lecenia sposobem jest użycie stabiliza−

tora scalonego, choćby rodziny 78XX.

W naszym prostym układzie nie zdecy−

dowaliśmy się na stabilizator, konieczne

więc było zastosowanie kondensatorów

odsprzęgających o znacznej pojemnoś−

ci: C1 − 470µF i C3 − 220µF. Istotną rolę

odgrywa też kondensator C18, jednak

przy dużej wartości współpracujących

Cd. ze str. 11

Ten sam Czytelnik z pewnością za−

uważył też jakiś dziwny punkt na płytce

programatora, oznaczony literą “X”

i miejsce na wlutowanie dwóch pinów.

Z pewnością wielu Kolegów jest nieco

zawiedzionych proponowanym progra−

matorem, uważając że osiem linii da−

nych to stanowczo za mało dla ich roz−

budowanej konstrukcji, np. makiety kole−

jowej. Rozwiązanie problemu jest pros−

te: przecież nasze moduły programato−

rów możemy łączyć ze sobą równolegle

praktycznie w dowolnej ilości! Wszyst−

kie wejścia sterujące i zasilanie mogą

być wspólne, a osobno należy wypro−

wadzić wejścia/wyjścia danych. Problem

powstałby jedynie z zegarem sterują−

cym, ponieważ zapewnienie idealnej

synchronizacji systemu byłoby praktycz−

nie niemożliwe. Jeżeli więc mamy za−

miar korzystać z kilku programatorów

jednocześnie, to jeden z nich musimy

Tab. 2.

Pin Opis wyprowadzenia

1 GND

2 We/wy danych D0

3 We/wy danych D1

4 We/wy danych D7

5 We/wy danych D6

6 We/wy danych D5

7 We/wy danych D4

8 We/wy danych D3

9 We/wy danych D2

10 Wejście RECORD

11 Wejście RESET

12 Wejście REPLAY

13 Logiczny stan wysoki przy

odtwarzaniu

14 UCC (+5VDC)

Następnie punkty X podporządkowa−

nych programatorów łączymy ze sobą

i z takim samym punktem za płytce

programatora głównego. Elementów R2

i C4 na płytkach podporządkowanych

programatorów w zasadzie nie musimy

w takim układzie montować. Ponieważ

jednak nasze urządzenie powinno być

w pełni uniwersalne, lepiej jednak za−

montować te elementy. Rozwiązanie ta−

kie umożliwi po ewentualnym rozłącze−

niu programatorów na używanie ich jako

osobnych urządzeń (po założeniu jum−

pera w punkcie X).

Na zakończenie autor pozwala sobie

zwrócić się z prośbą do Czytelników.

Jak już wspomniano opisane wyżej urzą−

dzenie traktowane jest jako wstęp do ca−

łej serii układów z dziedziny “robotyki”.

Drodzy Koledzy, bardzo prosimy o nad−

syłanie uwag i ewentualnych sugestii.

Co chcecie sobie zbudować?

Zbigniew Raabe

potraktować jako nadrzędny i nic na je−

go płytce nie zmieniać. Natomiast na

płytce drugiego (lub wielu innych) pro−

gramatora należy przeciąć ścieżkę tuż

obok punktu X, w miejscu zaznaczo−

nym wyraźnie przewężeniem ścieżki.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 7/96

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: