Obwody OPAmp napięcia / prądu przetwornika

Obserwacja i pomiary napięć w przetworniku wartości szczytowej (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Obwody OPAmp napięcia / prądu przetwornika

Analogowe układy scalone


Pytanie 1

Nie siedź tam! Zbuduj coś !!

Nauka matematycznego analizowania obwodów wymaga dużo nauki i praktyki. Zazwyczaj uczniowie ćwiczą poprzez pracę z wieloma problemami i sprawdzanie swoich odpowiedzi w porównaniu z tymi dostarczonymi przez podręcznik lub instruktora. Chociaż jest to dobre, istnieje o wiele lepszy sposób.

Dowiesz się o wiele więcej, budując i analizując rzeczywiste obwody, pozwalając swojemu sprzętowi testowemu dostarczać "odpowiedzi" zamiast książki lub innej osoby. Aby odnieść sukces w budowaniu obwodów, wykonaj następujące kroki:

  1. Dokładnie zmierz i zapisz wszystkie wartości składników przed budową obwodu.
  2. Narysuj schemat obwodu, który będzie analizowany.
  3. Ostrożnie zbuduj ten obwód na płytce protezowej lub innym dogodnym podłożu.
  4. Sprawdź dokładność konstrukcji obwodu, po każdym przewodzie do każdego punktu połączenia i sprawdzaj te elementy jeden po drugim na schemacie.
  5. Matematycznie przeanalizuj obwód, rozwiązując wszystkie wartości napięcia i prądu.
  6. Dokładnie zmierz wszystkie napięcia i prądy, aby zweryfikować dokładność analizy.
  7. Jeśli wystąpią jakiekolwiek istotne błędy (większe niż kilka procent), dokładnie sprawdź konstrukcję obwodu względem diagramu, a następnie dokładnie oblicz ponownie wartości i ponownie zmierz pomiar.

Unikaj używania modelu 741 op-amp, chyba że chcesz rzucić wyzwanie swoim umiejętnościom projektowania obwodów. Dostępne są bardziej uniwersalne modele wzmacniacza operacyjnego powszechnie dostępne dla początkujących. Polecam LM324 dla DC i obwodów prądu przemiennego niskiej częstotliwości, a TL082 dla projektów AC z dźwiękiem lub wyższymi częstotliwościami.

Jak zwykle należy unikać bardzo wysokich i bardzo niskich wartości rezystora, aby uniknąć błędów pomiarowych spowodowanych przez "ładowanie" miernika. Zalecam wartości rezystorów od 1 kΩ do 100 kΩ.

Jednym ze sposobów zaoszczędzenia czasu i zmniejszenia prawdopodobieństwa błędu jest rozpoczęcie od bardzo prostego obwodu i stopniowe dodawanie składników w celu zwiększenia jego złożoności po każdej analizie, zamiast budowania zupełnie nowego obwodu dla każdego problemu praktycznego. Inną techniką oszczędzającą czas jest ponowne użycie tych samych komponentów w różnych konfiguracjach obwodów. W ten sposób nie będziesz musiał zmierzyć wartości żadnego składnika więcej niż jeden raz.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pozwól, by elektrony same udzieliły odpowiedzi na twoje własne "problemy praktyczne"!

Uwagi:

Z mojego doświadczenia wynika, że ​​studenci potrzebują wielu ćwiczeń z analizą obwodów, aby stać się biegły. W tym celu instruktorzy zwykle zapewniają swoim uczniom wiele problemów związanych z praktyką i udzielają odpowiedzi uczniom, którzy mogą sprawdzić swoją pracę. Takie podejście sprawia, że ​​uczniowie biegle posługują się teorią obwodów, ale nie potrafią ich w pełni wykształcić.

Uczniowie nie potrzebują jedynie praktyki matematycznej. Potrzebują także prawdziwych, praktycznych ćwiczeń w budowaniu obwodów i korzystaniu z urządzeń testowych. Sugeruję następujące alternatywne podejście: uczniowie powinni budować własne "problemy praktyczne" z rzeczywistymi komponentami i próbować matematycznie przewidywać różne wartości napięcia i prądu. W ten sposób teoria matematyczna "ożywa", a uczniowie zyskują praktyczną biegłość, której nie zyskaliby jedynie przez rozwiązywanie równań.

Innym powodem zastosowania tej metody jest nauczenie studentów metody naukowej : proces testowania hipotezy (w tym przypadku matematycznych przewidywań) poprzez przeprowadzenie prawdziwego eksperymentu. Uczniowie będą również rozwijać prawdziwe umiejętności rozwiązywania problemów, ponieważ czasami popełniają błędy konstrukcyjne obwodu.

Spędź kilka chwil ze swoją klasą, aby zapoznać się z niektórymi "zasadami" budowania obwodów przed ich rozpoczęciem. Porozmawiaj o tych problemach ze swoimi uczniami w taki sam sposób, w jaki zwykle omawiasz pytania z arkusza roboczego, zamiast po prostu mówić im, czego powinni i czego nie powinni robić. Nigdy nie przestaje mnie dziwić, jak słabo studenci chwytają instrukcje, gdy są prezentowane w typowym wykładzie (monolog instruktorski)!

Uwaga dla instruktorów, którzy mogą narzekać na "zmarnowany" czas wymagany do tego, aby uczniowie zbudowali rzeczywiste obwody zamiast tylko matematycznej analizy obwodów teoretycznych:

Jaki jest cel studentów, którzy biorą udział w kursie "itemsheetpanel panel-default" itemscope>

pytanie 2

Obliczyć prąd przez rezystor R 2 w tym obwodzie opamp dla kilku różnych wartości R2:


R 2I R 2


1 kΩ


2 kΩ


3 kΩ


4 kΩ


5 kΩ


6 kΩ


Dla każdej wartości R2, co to jest, że ustanawia ilość prądu przez nią "# 2"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź


R 2I R 2


1 kΩ3 mA


2 kΩ3 mA


3 kΩ3 mA


4 kΩ3 mA


5 kΩ3 mA


6 kΩ3 mA


Obwód ten działa jak lustro bieżące, z wyjątkiem znacznie bardziej precyzyjnego.

Pytanie uzupełniające: jaki czynnik (-y) ogranicza najwyższą wartość rezystancji R 2, przez którą wzmacniacz operacyjny może wytrzymać 3 miliampery prądu?

Uwagi:

Poza analizą celu obecnego obwodu zwierciadlanego, to pytanie zwraca uwagę studentów na możliwości regulowania prądu wzmacniacza operacyjnego, analizując je tak, jakby był po prostu nieodwracającym obwodem wzmacniacza napięcia.

pytanie 3

Wyjaśnij, jak wzmacniacz operacyjny utrzymuje stały prąd przez obciążenie:

Napisz rozwiązanie równania dla regulowanego prądu obciążenia, biorąc pod uwagę wszelkie istotne zmienne pokazane na schemacie (R 1, V Z, V zasilanie, A V (OL), itp.).

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Wczytuję = V Z


R 2

Pytanie uzupełniające: czy tranzystor pobiera prąd do obciążenia, czy też ton prądu z niego "zauważa ukryte"> Uwagi:

Jest to dobry przykład tego, jak wzmacniacze operacyjne mogą znacznie usprawnić funkcje układów dyskretnych komponentów. W tym przypadku opamp pełni funkcję bieżącego obwodu lustrzanego, a czyni to z większą precyzją i niezawodnością niż kiedykolwiek mogłoby to być zwykłe lustro bieżące.

Należy zauważyć, że równanie przedstawione w odpowiedzi nie przewiduje bezpośrednio prądu przez obciążenie, a raczej przewiduje prąd przez rezystor R2. Jest to równe prądowi obciążenia tylko wtedy, gdy prąd bazowy tranzystora wynosi zero, co oczywiście nie może być. Prawdziwe równanie do przewidywania prądu obciążenia będzie nieco bardziej złożone niż to, co podano w odpowiedzi, a ja zostawiam to uczniom do wyprowadzenia.

Pytanie 4

Wyjaśnij, jak wzmacniacz operacyjny utrzymuje stały prąd przez obciążenie:

Napisz rozwiązanie równania dla regulowanego prądu obciążenia, biorąc pod uwagę wszelkie istotne zmienne pokazane na schemacie (R 1, V Z, V zasilanie, A V (OL), itp.). Opisz również, co musiałoby zostać zmienione w tym obwodzie, aby ustawić regulowany prąd na inną wartość.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Wczytuję = V Z


R 1

Pytanie uzupełniające: czy tranzystor pobiera prąd do obciążenia, czy też ton prądu z niego "zauważa ukryte"> Uwagi:

Jest to dobry przykład tego, jak wzmacniacze operacyjne mogą znacznie usprawnić funkcje układów dyskretnych komponentów. W tym przypadku opamp pełni funkcję bieżącego obwodu lustrzanego, a czyni to z większą precyzją i niezawodnością niż kiedykolwiek mogłoby to być zwykłe lustro bieżące.

Należy zauważyć, że równanie przedstawione w odpowiedzi nie przewiduje bezpośrednio prądu przez obciążenie, a raczej przewiduje prąd przez rezystor R2. Jest to równe prądowi obciążenia tylko wtedy, gdy prąd bazowy tranzystora wynosi zero, co oczywiście nie może być. Prawdziwe równanie do przewidywania prądu obciążenia będzie nieco bardziej złożone niż to, co podano w odpowiedzi, a ja zostawiam to uczniom do wyprowadzenia.

Pytanie 5

Na pierwszy rzut oka sprzężenie zwrotne wydaje się błędne w obwodzie regulującym prąd. Zwróć uwagę, jak sygnał sprzężenia zwrotnego dociera do nieodwracającego sygnału wejściowego wzmacniacza operacyjnego (+), a nie do wejścia odwracającego, tak jak normalnie oczekiwano w przypadku ujemnego sprzężenia zwrotnego:

Wyjaśnij, w jaki sposób ten wzmacniacz operacyjny rzeczywiście zapewnia ujemne sprzężenie zwrotne, co oczywiście jest niezbędne do stabilnej regulacji prądowej, ponieważ pozytywne sprzężenie zwrotne byłoby całkowicie niestabilne.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Jeśli prąd wzrośnie, napięcie sprzężenia zwrotnego (mierzone w odniesieniu do ziemi) zmniejszy się, napędzając moc wyjściową wzmacniacza operacyjnego w kierunku ujemnym. Ma to tendencję do wyłączania tranzystora, prawidłowo korygując nadmierny prąd.

Uwagi:

Celem tego pytania jest przekonanie uczniów, że negatywna informacja zwrotna nie musi koniecznie wchodzić w inwersję. To, co sprawia, że ​​sprzężenie zwrotne jest "ujemne", to jego samokorygujący charakter: moc wyjściowa wzmacniacza operacyjnego prowadzi w kierunku przeciwnym do zakłócenia mierzonego sygnału, aby osiągnąć stabilność w punkcie kontrolnym.

Pytanie 6

Przewidzieć, w jaki sposób działanie tego obwodu regulatora prądu zostanie zakłócone w wyniku następujących błędów. Rozważ każdą awarię niezależnie (tj. Pojedynczo, bez wielu błędów):

Rezystor R1 nie działa poprawnie:
Dioda Zenera D 1 nie jest zwarta:
Rezystor R2 nie działa poprawnie:
Dioda Zenera D 1 nie działa poprawnie:
Obciążenie nie jest zwarte:
Przewód między wyjściem opamp a podstawą tranzystora ulega rozwarciu:

W przypadku każdego z tych warunków należy wyjaśnić, dlaczego wystąpią takie skutki.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Rezystor R1 nie powiódł się: prąd obciążenia spada do zera.
Dioda Zenera D 1 nie jest zwarta: prąd obciążenia spada do zera.
Rezystor R2 nie działa poprawnie: prąd obciążenia spada do zera.
Dioda Zenera D 1 nie działa poprawnie: wzrasta prąd obciążenia.
Obciążenie nie jest zwarte: Prąd obciążenia pozostaje taki sam.
Przewód między wyjściem opamp a podstawą tranzystora ulega rozwarciu: prąd obciążenia spada do zera.

Pytanie uzupełniające: który z dwóch terminali zasilania opamp ( zasilanie V lub uziemienie) niesie więcej prądu podczas normalnej pracy i dlaczego "notatki ukryte"> Uwagi:

Celem tego pytania jest podejść do dziedziny rozwiązywania problemów z obwodami z perspektywy wiedzy o tym, czym jest usterka, a nie tylko wiedzieć, jakie są objawy. Chociaż nie jest to koniecznie realistyczna perspektywa, pomaga uczniom zbudować podstawową wiedzę niezbędną do zdiagnozowania błędnego obwodu z danych empirycznych. Na takie pytania należy odpowiedzieć (ewentualnie) innymi pytaniami, w których prosi się uczniów o zidentyfikowanie prawdopodobnych usterek na podstawie pomiarów.

Pytanie 7

Przewidzieć, w jaki sposób działanie tego obwodu regulatora prądu zostanie zakłócone w wyniku następujących błędów. Rozważ każdą awarię niezależnie (tj. Pojedynczo, bez wielu błędów):

Rezystor R1 nie działa poprawnie:
Rezystor R2 nie działa poprawnie:
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 2 :
Dioda Zenera D 1 nie jest zwarta:
Dioda Zenera D 1 nie działa poprawnie:
Obciążenie nie jest zwarte:
Przewód między wyjściem opamp a podstawą tranzystora ulega rozwarciu:

W przypadku każdego z tych warunków należy wyjaśnić, dlaczego wystąpią takie skutki.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Rezystor R1 nie powiódł się: prąd obciążenia spada do zera.
Rezystor R2 nie działa poprawnie: prąd obciążenia spada do zera.
Mostek lutowniczy (krótki) na rezystorze R 2 : wzrasta prąd obciążenia.
Dioda Zenera D 1 nie jest zwarta: prąd obciążenia spada do zera.
Dioda Zenera D 1 nie działa poprawnie: wzrasta prąd obciążenia.
Obciążenie nie jest zwarte: Prąd obciążenia pozostaje taki sam.
Przewód między wyjściem opamp a podstawą tranzystora ulega rozwarciu: prąd obciążenia spada do zera.

Pytanie uzupełniające: który z dwóch terminali zasilania opamp ( zasilanie V lub uziemienie) niesie więcej prądu podczas normalnej pracy i dlaczego "notatki ukryte"> Uwagi:

Celem tego pytania jest podejść do dziedziny rozwiązywania problemów z obwodami z perspektywy wiedzy o tym, czym jest usterka, a nie tylko wiedzieć, jakie są objawy. Chociaż nie jest to koniecznie realistyczna perspektywa, pomaga uczniom zbudować podstawową wiedzę niezbędną do zdiagnozowania błędnego obwodu z danych empirycznych. Na takie pytania należy odpowiedzieć (ewentualnie) innymi pytaniami, w których prosi się uczniów o zidentyfikowanie prawdopodobnych usterek na podstawie pomiarów.

Pytanie 8

Najprostszym urządzeniem elektronicznym zdolnym do przekształcania sygnału prądu w sygnał napięciowy jest rezystor:

Precyzyjne rezystory zwykle działają bardzo dobrze w tym celu, zwłaszcza gdy niewielka ilość napięcia spadnie na nie. Z tego powodu rezystory bocznikowe są często wykorzystywane w obwodach mocy do pomiaru prądu, czyli rezystancji "opróżniającej" rezystancji o niskiej rezystancji w precyzyjnym stosunku do przepływającego przez nią prądu.

Jeśli jednak nie możemy sobie pozwolić na spadek napięcia na oporze w obwodzie, ta technika konwersji prądu na napięcie nie będzie zbyt praktyczna. Rozważmy następujący aparat naukowy, służący do pomiaru efektu fotoelektrycznego (elektrony emitowane z litej powierzchni w wyniku uderzenia światłem):

Prąd wyjściowy takiej fototubezy jest bardzo mały, a napięcie wyjściowe przez nią jest jeszcze mniejsze. Jeśli mamy mierzyć prąd za pomocą tego urządzenia, będziemy musieli znaleźć inny sposób niż rezystor bocznikowy, aby to zrobić.

Wejdź do wzmacniacza operacyjnego, na ratunek! Wyjaśnij, w jaki sposób następujący obwód wzmacniacza jest w stanie przekształcić sygnał słabego prądu lampy w silny sygnał napięciowy, bez narzucania znaczącego oporu w obwodzie fotopowodu:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Konstrukcja tego obwodu jest skomplikowana przez istnienie prądów polaryzacji na wejściach opamp. Pomocne może okazać się przeanalizowanie uproszczonej wersji tego samego obwodu. Należy pamiętać, że ten uproszczony obwód działałby tylko wtedy, gdyby opamp nie miał absolutnie żadnych prądów polaryzacji wejściowej:

Uwagi:

Uwaga dla studentów, że jest to jedna z tych aplikacji, w których nawet "małe" prądy wejściowe mogą wpływać na wyniki. W tym konkretnym przypadku, fototube wyprowadza w najlepszym przypadku najmniejszy prąd, więc musimy zrekompensować istnienie prądów polaryzacji opamp.

Pytanie 9

Pokazany tutaj jest prosty obwód do budowy skrajnie wysokiej woltomierza impedancyjnego wejściowego na bezprzewodowej płytce protezowej, wykorzystujący jedną połówkę podwójnego wzmacniacza operacyjnego TL082:

Narysuj schemat tego obwodu, obliczyć wartość rezystora niezbędną do nadania miernikowi zakresu pomiaru napięcia od 0 do 5 woltów.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

R = 5 kΩ

Pytanie uzupełniające: określ przybliżoną impedancję wejściową tego woltomierza, a także maksymalne napięcie, które jest w stanie zmierzyć z dowolnym rezystorem wielkości w obwodzie.

Uwagi:

Jest to bardzo praktyczny tor dla twoich uczniów, który może je zbudować, i może się okazać, że przewyższa on swoje własne (zakupione) woltomierze w parametrze impedancji wejściowej! Należy zapytać ich, gdzie znaleźli informacje o impedancji wejściowej dla wzmacniacza operacyjnego TL082 i jak mogli określić maksymalne napięcie wejściowe dla takiego obwodu.

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →