5. Műveleti erősítők alkalmazása a méréstechnikában

Átírás

1 5. Műveleti erősítők alkalmazása a méréstechnikában A műveleti erősítőket emelkedő tlajdonságaik miatt az elektroniks mérőműszerek alapvető alkatrészei közé tartoznak. Felhasználásk nagyon gyakori a különböző méréstechnikai alkalmazásokban. Általában egy elektroniks mérőműszer a következő részegységekből épül fel: 5. Precíziós mérőerősítők bemeneti mérőátalakító: a mért mennyiséget elektromos jellé alakítja elektroniks áramkör: a mérőátalakító által szolgáltatott elektromos jelet feldolgozza: erősíti, szűri, bizonyos összefüggések szerint átalakítja és illeszti a fokozatokat egymás között menet: a mért mennyiséget megjeleníti, továbbítja, tárolja Nagy pontosságú mérések esetén, ahol szükség van mérőhídak, hőmérséklet érzékelők, vagy más átalakítók által szolgáltatott nagyon s jelszinttel rendelkező (0V-mV) villamos jelek erősítésére - nagy közös módsú feszültségelnyomási tényező mellett - különleges erősítő áramkörök alkalmazása indokolt. A precíziós mérőerősítők olyan differenciálerősítő kapcsolások, amelyek A v erősítése nagyon pontosan beállítható, nagy bemeneti ellenállással és nagy értékű közös módsú feszültségelnyomási tényezővel rendelkeznek. Paramétereik kíválló jellemzőkkel rendelkeznek az erősítés széles tartományában: A v =-0 4, ofszet feszültségdrift 0,5V/C o, CMM=00-0 db, nonlinearítás 0,0% alatt, nagyon nagy közös módsú bemeneti ellenállás: Mohm. A 3.4 ábrán bemtatott differenciaerősítő legnagyobb hibája, hogy bemeneti ellenállása (főleg az invertáló bemeneten) nagyon csi. Ezt a hibát igyekszik csökkenteni az 5. ábrán látható kapcsolás. 5. ábra Javított bemeneti ellenállású differenciaerősítő A kapcsolásban szereplő ellenállások M nagyságrendűek, miközben és ennél két nagyságrenddel sebbek. Ebből következően az ellenállásokon folyó áramok elhanyagolhatóan csik az és az elenállásokon átfolyó áramokhoz képest. Ezért: 0 A műveleti erősítő feltételezett végtelen nagy bemeneti ellenállása miatt a bemeneteken befolyó áramok elhanyagolásával írhatjk, hogy: Losonczi Lajos - Analóg áramkörök krzs - Sapientia Tdományegyetem Marosvásárhely 5-

2 és 0 Az idealizált erősítő végtelen nagy feszültségerősítése miatt a műveleti erősítő bemenetei azonos potenciálon lesznek, tehát: 0 A kapcsolás a javított vitel ellenére sem rendelkezik azonban a precíz mérésekhez szükséges nagy bemeneti ellenállással és továbbra is érzékeny az ellenállások értékszórására. Az előző hiányosságok három műveleti erősítő alkalmazásával jelentősen csökkenthetők. Az 5. ábra három műveleti erősítővel vitelezett erősítő kapcsolási rajzát szemlélteti, amely precíziós célokra is hatékonyan felhasználható. 5. ábra Három műveleti erősítős precíziós mérőerősítő A kapcsolás bemeneti ellenállása gyakorlatilag megegyezik a felhasznált műveleti erősítők közös módsú bemeneti ellenállásával. Ebben az elrendezésben az áramkör azonos fázisú elnyomása nagyon jó, így szimmetriks és aszimmetriks vezérléssel egyaránt jól működik. A két bemeneti erősítő meneti jeleinek a különbsége vezérli a második fokozatot, ezért a driftek különbsége és a különbségi zavarójelek okoznak hibát. A felhasznált műveleti erősítők összeválogtásával ezek hatását lecsökkenthetjük. Az erősítő gyakorlatilag a 0-00 KHz frekvenciatartományban használható. Az áramkör előnyös tlajdonságainak használása érdekében a következő szempontokat kell betartani: a két bemeneti erősítőt lehetőleg azonos és állandó hőmérsékleten kell tartani a bemeneti ofszet feszültséget és ofszet áramot elhanyagolható értékűre kell beállítani Losonczi Lajos - Analóg áramkörök krzs - Sapientia Tdományegyetem Marosvásárhely 5-

3 nagyon s jelek erősítése esetén fontos a közös módsú feszültségelnyomás megfelelő beállítása, amit az,, 3 ellenálláspárok pontos összeválogatásával érünk el a hatásos közös módsú feszültségelnyomás és a jó jel-zaj viszony érdekében a szükséges erősítés nagy részét a bemeneti fokozatok kell hogy adják a jelforrást az erősítő két bemenetével összekötő kábel külön statiks árnyékolást igényel A kapcsolás meneti feszültsége a két fokozat erősítésének a szorzata. Az első műveleti erősítő menetén a feszültség értéke: k be be Hasonóan, a második műveleti erősítő menetén: k k be be k A harmadik, különbségképző műveleti erősítő menetén a feszültség: 3 k k A fenti egyenletekből következik: k k be be k k Következik: k k be be 4 be be 3 és Megálapítható, hogy közös jelekre az első fokozat erősítése egységnyi, míg a második fokozaté (ideális esetben) nlla. A véges közösjel-elnyomási tényező miatt azonban a közös komponensek nem tűnnek el teljesen. Az ebből eredő hiba csökkenthető, ha a második fokozat erősítését alacsonyabbra (példál egységnyire), az első fokozat erősítését pedig nagyra választjk. A műszererősítő alakításához használt három műveleti erősítő gyakran gyanazon technológiai lépésben egyetlen chipre integrálva készül, és egy integrált áramköri tokozásban kerül szerelésre. Az erősítés változtatása az ellenállás változtatásával érhető el, mig a kapcsolás többi jellemzője változatlan marad. Hasonlóan jó mérőparamétereket lehet elérni az 5.3 ábrán bemtatott, két műveleti erősítővel felépített, precíziós mérőerősítővel. Látható, hogy ebben az esetben is a kapcsolás bemeneti ellenállása gyakorlatilag megegyezik a felhasznált műveleti erősítők közös módsú bemeneti ellenállásával. Losonczi Lajos - Analóg áramkörök krzs - Sapientia Tdományegyetem Marosvásárhely 5-3

4 5.3 ábra Két műveleti erősítős precíziós mérőerősítő Az első műveleti erősítő menetén a feszültség értéke: A második műveleti erősítő menetén: k be k 4 4 be be 3 3 Abban az esetben, ha 3, a meneti feszültség értéke: 4 be be 5. Feszültségmérő áramkörök A feszültségek és áramok mérése különböző felépítésű műszerekkel lehetséges, amelyeket voltmérőknek és ampermérőknek nevezünk. Kis értékű villamos jelek mérése esetén, ezek a műszerek nagy mérési pontatlanságot eredményeznek, ha a feszültségmérők belső ellenállása nem megfelelően nagy, illetve az árammérők belső ellenállása nem megfelelően csi. Egy erősítőt beiktatva a mérendő mennyiség és a mérőműszer közé, a mérés érzékenysége és pontossága növelhető. Az 5.4 ábrán látható voltmérő nagy bemeneti impedanciával rendelkezik az alkalmazott műveleti erősítős feszültségkövető kapcsolásnak köszönhetően. be Abban az esetben, amikor a kapcsolás érzékenységét növelni szeretnénk, a műveleti erősítőt erősítőként használjk. Az 5.5 ábra ezt a lehetőséget mtatja be. A meneti feszültség értékét ebben az esetben a következő összefüggés adja meg: be A kapcsolás 0-0 mv közötti feszültségek mérését teszi lehetővé. Losonczi Lajos - Analóg áramkörök krzs - Sapientia Tdományegyetem Marosvásárhely 5-4

5 5.4 ábra Feszültségmérés műveleti erősítős feszültségkövetővel 5.5 ábra Feszültségmérés nem invertáló műveleti erősítővel Váltakozó feszültségek mérése egyenáramú elektromechaniks műszerekkel csak úgy lehetséges, ha előzőleg a mérendő feszültséget egyenirányítjk. Az 5.6 ábra kéttas, átlagérték egyenirányító kapcsolást mtat be. A műveleti erősítő visszacsatoló ágában Graetz kapcsolású diódanégyest helyezünk el, ennek a keresztágába kötjük az árammérő műszert. A műszeren az egyenirányított meneti áram folyik át, amelynek értéke: be I Az egyenirányító diódák feszültségigényét a műveleti erősítő fedezi. 5.6 ábra Precíziós egyenirányító kapcsolás Mivel a kapcsolásban a diódák nyitóirányú ellenállása, valamint a mérőműszer belső ellenállása a visszacsatoló ágban van, értékük nem befolyásolja az I áram értékét, tehát a skála nagyon líneáris. A műveleti erősítő sávszélessége és a meneti feszültség maximális változási sebessége korlátoza a mérendő jel maximális frekvenciáját (jellemzően 0 khz). Losonczi Lajos - Analóg áramkörök krzs - Sapientia Tdományegyetem Marosvásárhely 5-5

6 5.3 Árammérő áramkörök Az áramok mérése elektromechaniks műszerek segítségével, csak viszonylag nagy értékű áramok esetén ad elégítő eredményt. Az elektroniks erősítők alkalmazása növeli a mérések érzékenységét és megfelelő impedanciaillesztést biztosít a mérendő jelforrás és a mérőműszer között. Gyakran alkalmaznk műveleti erősítős áram-feszültség átalakítókat (5.7 ábra), vagy a mérendő árammal egyenesen arányos feszültségek erősítése elvén működő kapcsolásokat (5.8 ábra). Az első esetben: I a második esetben pedig: M I 5.7 ábra Árammérés áramerősítő kapcsolással 5.8 ábra Árammérés feszültségerősítő kapcsolással Nagyon s értékű áramok mérésére alkalmas az 5.9 ábrán látható kapcsolás, amely biztosítja a méréstartomány függetlenségét a mérőműszer belső ellenállásától. A műszeren folyó áram erőssége: I A I I x I I I x x I be I - + A B I A I X X 5.9 ábra Kis értékű áramok mérése Losonczi Lajos - Analóg áramkörök krzs - Sapientia Tdományegyetem Marosvásárhely 5-6

7 5.4 Ellenállásmérő áramkörök A mérés és szabályozástechnikában nagyon gyakran a mérőátalakítók meneti mennyisége egy villamos ellenállás: hőellenéllás, fotóellenállás, termisztor, nyúlásmérő bélyeg, potencióméter, stb. Néha ezek egyszerű kapcsolásban használhatók (5.0.a ábra), és az x ellenállás értékének változása, közvetlen módon mérhető feszültség- vagy áramváltozásra vezethető vissza. Ha a meneti feszültség értéke: 0, x x a mért mennyiség és x =f(x), akkor a meneti feszültség változása a mért mennyiség függvényében 0 x x 0, ha x, x x x x ami egy elektroniks feszültségmérővel mérhető. A kapcsolás nem előnyös a mért mennyiség s értékű változásai esetén és olyan esetekben amikor a mért ellenállás nagy távolságban található. Ilyenkor a differenciális erősítő kapcsolások alkalmazhatók eredményesen. 5.0 ábra Ellenállásváltozás átalakítása feszültségváltozássá Az 5.0.b ábrán látható megoldás alkalmazása esetén a meneti feszültség egyenesen arányos az x ellenállással: be x Ez a kapcsolás nagyobb érzékenységet biztosít szélesebb értéktartományban mint az előző megoldás. Nagy érzékenységű és pontosságú mérések esetén hídkapcsolásokat használnk. A legegyszerűbb elrendezés az 5. ábrán bemtatott Wheastone mérőhíd. 5. ábra Wheastone mérőhíd A mérőhíd akkor tenthető egyenlítettnek, ha oldalainak ellenállása egymással arányosak: Losonczi Lajos - Analóg áramkörök krzs - Sapientia Tdományegyetem Marosvásárhely 5-7

8 4 3 Ebben az esetben a meneti feszültség értéke =0, függetlenül az T tápfeszültség értékétől. A meneti feszültség nllától különböző értéke a híd egyenlítettségi fokát mtatja. Ilyenkor az ellenállásokra vonatkozó fenti összefüggés nem teljesül. A mérőhíd tlajdonságai megmaradnak váltakozó áram esetén is és ekkor a híd elemei különböző, L, C elemek lehetnek. 5. ábra Kiegyenlített Wheastone mérőhíd Amikor a névleges ellenállással rendelkező x mérőátalakító a híd egyik elemét alkotja (az 5. ábrán látható módon), az r változások a névleges érték körül egy meneti feszültséget hoznak létre. Ebben az esetben: T x T T T x x x mivel és x, következik: x T r, ha r 4 Az összefüggés linearítása csak nagyon s értékű r, illetve ennek megfelelő változások esetén marad érvényes. Ezért kell a mérőhíd egyenlítettségi feszültségét egy műveleti erősítős differenciálerősítővel erősíteni, amely a bemenetek földfüggetlen csatlakozását teszi lehetővé és megfelelően nagy érzékenységet biztosít. Az 5.3 ábrán látható nagy érzékenységű aktív mérőhídkapcsolás meneti feszültsége: T, ha Ez az áramkör az adott célra egyszerű megoldásnak tenthető, de nagy pontosságú ellenállások használata szükséges. Ha az erősítés változtatására van szükség, az ellenállások pontos beállítást igényelnek. 5.3 ábra Hídáram erősítő Losonczi Lajos - Analóg áramkörök krzs - Sapientia Tdományegyetem Marosvásárhely 5-8

9 Kapacitások, indktivitások, vagy indktív és kapacitív mérőátalakítók paramétereinek mérésére különböző váltakozó feszültségű mérőhídakat alkalmaznk (5.4 ábra). Amikor a Z és Z impedanciák kondenzátorokat képviselnek, a mérőhíd egyensúlyi feltétele: C C Abban az esetben, ha Z és Z tekercsek impedanciáját képviselik, a híd egyenlítettnek tenthető, ha: L L 5.4 ábra Váltakozó feszültségű mérőhíd Megállapítható, hogy hasonlóan az előző esetekhez, ezekben az esetekben is a mérőhíd egyenlítetlensége líneáris összefüggésben van a mérőhíd valamelyik elemének a változásával. 5.5 Precíziós egyenirányítók Az 5.5 ábra egy olyan kapcsolást mtat amely a bemeneti jel pozitív, vagy negatív félperiódsát egyenirányítja. 5.5 ábra Invertáló félhllámú egyenirányító kapcsolás Amig a műveleti erősítő meneti jele nem éri el a diódák egyikének a nyitófeszültségét D 0 0, 6V, addig az erősítő nyílthrkú feszültségerősítéssel dolgozik, ezért a menetete nagyon meredeken követi a bemeneti jel változását. Ha az erősítő menete már meghaladta a +/- D0 -t, akkor a visszacsatolásnak megfelelően D0 feszültségkülönbséggel és egységnyi meredekséggel követi a bemeneti jel invertáltját. Pozitív bemeneti jeleknél az erősítő menete negatív és az A oldal diódája zárt és az A pont feszültsége nlla. Negatív bemeneti jeleknél az A oldali dióda nyit, mert az erősítő menete pozitív. Ekkor az A pont feszültsége az erősítő meneti feszültsége alatt marad, D0 értékkel. Tehát pozitív bemeneti jelekre az A pont feszültsége nlla, negatív bemeneti jelekre pedig a bemeneti jelt invertálja, azaz pozitív lesz. A B pont feszültsége, hasonló meggondolásokból pozitív bemeneti jelekre invertálja azokat és negatív lesz, míg negatív bemeneti jelekre nllát ad (5.6 ábra). Losonczi Lajos - Analóg áramkörök krzs - Sapientia Tdományegyetem Marosvásárhely 5-9

10 5.6 ábra Félhllámú egyenirányító feszültségdiagramjai Az invertáló félhllámú egyenirányító kapcsolás csekély egészítésével nagypontosságú kéttas egyenirányítót, azaz abszolútérték-képző áramkört hozhatnk létre. Felépítését az 5.7 ábra mtatja. 5.7 ábra Precíziós abszolútérték-képző kapcsolás A kapcsolás első műveleti erősítője egy félhllámú egyenirányító kapcsolás, mely a pozitív bemeneti jelekre nem reagál, míg negatív bemeneti jel esetén a menetén előállítja annak invertáltját. A második műveleti erősítő súlyozott összegzőként viselkedik. Invertáló bemenetén az i 3 árammal ellensúlyozza i és i összegét. Az i áram értéke mindegyik félperiódsban i be Az i áram a pozitív bemeneti jelekre 0, míg a negatív fél-periódsban be be i 0 A két áram összege csak pozitív félperiódsokból áll, ezért a meneti feszültségjelet csak negatív félperiódsok alkotják, ahogy azt a 5.8 ábra szemlélteti. Losonczi Lajos - Analóg áramkörök krzs - Sapientia Tdományegyetem Marosvásárhely 5-0

11 5.6 Precíziós csúcsértékmérők 5.8 ábra Abszoltérték képző kapcsolás feszültségdiagramja Az 5.9 ábrán egy diódával egészített követő erősítőt látnk, melynek meneti jele negatív bemenet esetén nlla, pozitív bemeneti jelre pedig nagy linearitással megegyezik azzal. 5.9 ábra Diódás követő erősítő Pozitív bemeneti feszültségek esetén a kapcsolás valóban követő erősítőként viselkedik. Negatív bemeneti jelek mellett azonban a műveleti erősítő meneti feszültsége a lehető legalacsonyabb értékét veszi fel, azaz a negatív tápfeszültség felé közelít. Ekkor a dióda lezárt állapotba kerül. A kapcsolás meneti feszültsége nlla lesz. A dióda lezárt állapotában a visszacsatolás megszűnik, ezért a műveleti erősítő a nyílthrkú feszültségerősítésnek megfelelően nagyon meredeken követi a bemeneti jelet. Amikor a bemeneti jel negatívról pozitívra vált a dióda nem nyit azonnal. Csak amikor már a műveleti erősítő meneti jele elérte a dióda nyitófeszültségét, akkor kezd a kapcsolás meneti feszültsége emelkedni. Ez D0 /A o nagyságú bemeneti jelnél következik be, mely mikrovolt nagyságrendű. Ekkora lesz az így előállt kapcsolás nyitófeszültsége. A dióda r D differenciális ellenállása is kb. A 0 részére csökken. A kapcsolás egyik hátránya, hogy a nyitótartományban a meneti feszültség Losonczi Lajos - Analóg áramkörök krzs - Sapientia Tdományegyetem Marosvásárhely 5-

12 nem emelkedik meredekebben, ahogy azt ideális esetben egy kapcsolótól várnánk. Az 5.0 ábrán látható megoldással az áramkör visszacsatolt állapotában tetszőlegesen beállítható emelkedést érhetünk el. 5.0 ábra Az ideális dióda közelítése műveleti erősítővel D0 /A o -nál nagyobb bemeneti feszültségek esetén az be kapcsolatot az A v visszacsatolt erősítés határozza meg, melyet az és ellenállásokkal változtathatnk. A v Az így megvalósított kapcsolás az alacsonyfrekvenciás tartományban jól közelíti az ideális dióda karakterisztikáját. Ezek a kapcsolások további áramköri megoldások alapja lehet. Az 5. ábrán egy, a bemeneti jel csúcsértékét mérő kapcsolást láthatnk. 5. ábra Csúcsértékmérő A kapcsolás meneti kondenzátorán a bemeneti jel csúcsértéke jelenik meg. Ideális esetben ezt a feszültséget a kondenzátor meg is őrzi, mert a lezárt dióda, illetve a műveleti erősítő invertáló bemenete felé nem folyik áram. Valódi áramkörök esetén ezek nem hanyagolhatók el és nem szabad figyelmen kívül hagyni a következő fokozat bemeneti ellenállását és a kondenzátor önsülését sem. Korlátozást jelent még a műveleti erősítő véges maximális meneti árama, mely főleg rövid implzsok esetén nem képes kellő sebességgel tölteni a kondenzátort. A fenti nehézségeket egy újabb műveleti erősítő beiktatásával csökkenteni lehet. Ezt szemlélteti az 5. ábra. Losonczi Lajos - Analóg áramkörök krzs - Sapientia Tdományegyetem Marosvásárhely 5-

13 5. ábra Gyors működésű csúcsértékmérő kapcsolás Ennél a megoldásnál a C kondenzátort a következő fokozat felé egy követő kapcsolás illeszti, ezért sebb értékű lehet, ezáltal a kondenzátor töltődése és a kapcsolás működése felgyorsl. Végül, a bemeneti jel negatív csúcsfeszültségének érzékelésére alkalmas megoldást láthatnk az 5.3 ábrán. 5.3 ábra Mérőkapcsolás negatív csúcsfeszültségek érzékelésére Pozitív bemeneti jelek esetén a műveleti erősítő menete a negatív tápfeszültség közelébe kerül és a dióda lezár. Negatív bemeneti jelek mellett a műveleti erősítő menete pozitívra vált és a visszacsatolásnak megfelelően a meneten előállított jel: be, ha be 0 Ennek a csúcsértékét őrzi meg a kondenzátor, ami tehát a bemeneti jel minimális értékének szerese lesz. A kapcsolás hiányossága a műveleti erősítő nem ideális tlajdonságain túl, hogy az -es ellenálláson keresztül el nem hanyagolható áram folyhat, mely a kondenzátor feszültségét módosítja. Feltételezve egy, a kondenzátoron már alaklt C feszültséget, ennél nagyobb pozitív bemeneti jelek esetén tölti a kondenzátort, sebb pozitív és negatív jelek esetén süti azt. A kondenzátor töltődése a műveleti erősítő által csak az újabb negatív bemeneti csúcsoknál következik be. Losonczi Lajos - Analóg áramkörök krzs - Sapientia Tdományegyetem Marosvásárhely 5-3