Niektoré aplikácie operačných zosilňovačov :)

Vytvorené: 05. 07. 2022 Tlačiť

Prúdovo napäťový prevodník

Zapojenie podľa obrázku 7 prevádza vstupný prúd na výstupné napätie.

Obrázok 7 – Prúdovo napäťový prevodník

Poznámka:

Zenerova dióda nakreslená čiarkovane vo vstupe nesúvisí s princípom činnosti obvodu. Slúži ako príklad jeho použitia v prípade, že sa pomocou obvodu budú merať voltampérové charakteristiky (funkcia i f(u)) Zenerovej diódy.

Operačné rovnice:

Pre ideálny zosilňovač z I. Kirchhoffovho zákona bude:

a)

Pre napätie na vstupe a na výstupe (z Ohmovho zákona) platí:

a z toho:

Po dosadení do (a):

Po úprave dostaneme operačnú rovnicu v tvare:

Z operačnej rovnice vyplýva, že výstupné napätie U₀ je priamo úmerné vstupnému prúdu I₁, konštantou úmernosti je odpor R_z.

Čím väčšia bude hodnota odporu R_z, tým väčšie bude zosilnenie a tým menší môže byť vstupný prúd.

Vstupný aj výstupný odpor tejto siete je nulový.

Týmto obvodom sa môžu ľahko merať aj veľmi malé prúdy.

Sumátor

Pri zapojení podľa obrázku 8.8 tečie do invertujúceho vstupu súčet prúdov z jednotlivých vstupov 1 až n.

Obrázok 8 – Sumátor

Operačná rovnica

Pre virtuálnu zem platí:

a po úprave:

a)

Napätie na jednotlivých vstupoch a na výstupe:

po dosadení do (a):

a po úprave dostaneme operačnú rovnicu v tvare:

Z operačnej rovnice vyplýva, že výstupné napätie U₀ tvorí záporný súčet vstupných napätí vynásobený príslušnými váhami, danými pomerom spätnoväzbového odporu a príslušného odporu vstupného.

Odpory R₁ až R₂ sa nazývajú sčítacie.

Váhy jednotlivých odporov udávajú, ako sa jednotlivé vstupné napätia podieľajú na výstupnom napätí.

Obrázok 8a – Váhy jednotlivých vstupných napätí

Napríklad pre zapojenie na obrázku 8.8a budú jednotlivé váhy takéto:

Ak napríklad bude platiť

potom po dosadení do operačnej rovnice dostaneme pre výstupné napätie U₀

Neinvertujúci zosilňovač

Ako vyplýva z obrázku 9, záporná spätná väzba je uzavretá cez odporový delič tvorený rezistormi R₁ a R₂. Vstupný signál je privedený na neinvertujúci vstup. Ak predpokladáme nulové diferenčné napätie, musí byť na obidvoch vstupoch rovnaký signál. Keďže je vstupný prúd ideálneho zosilňovača nulový, spätnoväzbový odporový delič je nezaťažený.


	a)
Obrázok 9 – Neinvertujúci napäťový zosilovač

Operačná rovnica:

Na obrázku 9a je odporový delič s príslušnými napätiami.

Riešenie odporového deliča (riešime ho ako nezaťažený) vyplýva z Ohmovho zákona:

Ak sa rovnajú ľavé strany rovnice, rovnajú sa aj ich strany pravé, teda:

a úpravou získame takýto tvar operačnej rovnice:

Vlastnosti neinvertujúceho operačného zosilňovača:

vstupný odpor je (ideálne) nekonečný, výstupný odpor je nulový,
zosilňovač neobracia znamienko,
nemožno dosiahnuť zosilnenie menšie než 1,
pre zhodné odpory R₁ = R₂ = R platí:

to znamená, že zosilnenie je 2 (na rozdiel od invertujúceho zosilňovača, ktorý má v tomto prípade prenos -1).

Neinvertujúci zosilňovač sa používa pre svoj vysoký vstupný odpor predovšetkým na meracie účely, pretože minimálne zaťažuje meraný signál.

Impedančný prevodník

Ide o špeciálny prípad neinvertujúceho zosilňovača, obrázok 10), kde je hodnota spätnoväzbového odporu nulová.

Obrázok 10 – Impedančný prevodník

Operačná rovnica:

V prípade, že platí R₂ = 0 , bude mať operačná rovnica tvar:

a pre R₂ = 0 bude:

Z rovnice vyplýva, že výstupné napätie sa rovná vstupnému, a preto sa toto zapojenie nazýva tiež napäťový sledovač.

Používa sa predovšetkým ako oddeľovací stupeň.

Poznámka:

V tomto ani v ďalších druhoch zapojenia operačných zosilňovačov už nebudeme uvádzať odvodenie operačnej rovnice, keďže by sme museli použiť matematický aparát, ktorý sa v tomto type škôl obvykle nepreberá (derivácia, integrácia a podobne).

Nelineárne operačné siete

Súčasťou operačnej siete môžu byť okrem ohmických odporov aj nelineárne prvky, napríklad diódy alebo tranzistory. Týmto spôsobom možno vytvárať rôzne meniče, obmedzovače, násobičky, deličky a podobne. Uvádzame dva jednoduché príklady.

1. Jednosmerný obmedzovač napätia so Zenerovou diódou

Na obrázku 11a je zapojenie obmedzovača so Zenerovou diódou. Dióda je zapojená v spätnej väzbe vzhľadom na výstup v závernom smere.


a)	b)
Obrázok 11 – Obmedzovač so Zenerovou diódou

Na obrázku 11b je prevodná charakteristika, ktorá v tomto prípade udáva závislosť medzi napätím na výstupe U₀ a napätím na vstupe U₁.

Z tejto charakteristiky vyplýva:

pri kladnom vstupnom napätí (+U₁), sa výstup vybudí do zápornej polarity (-U₀), dióda bude zapojená v priepustnom smere a výstupné napätie sa bude rovnať úbytku napätia na dióde (prahové napätie asi 0,6 V). Napätie bude teda obmedzené na hodnotu (-U_D),
pri zápornom vstupnom napätí (-U₁) sa výstup vybudí do kladnej polarity (+U₀), dióda bude zapojená v závernom smere a výstupné napätie sa bude rovnať úbytku napätia na dióde v závernom smere U_Z. Napätie bude teda obmedzené na hodnotu (+U_Z).

2. Obojsmerný obmedzovač napätia s dvoma Zenerovými diódami

Na obrázku 8.12a je schéma obojsmerného obmedzovača, ktorá je takmer zhodná s predchádzajúcim. Len v spätnej väzbe sú zapojené dve Zenerove diódy proti sebe.


a)	b)
Obrázok 12 – Obmedzovač s dvomi Zenerovými diódami

Na obrázku 12b je prevodná charakteristika, z ktorej vyplýva:

ak bude vstupné napätie (+U₁) kladné, bude výstup vybudený záporne (-U₀). V tomto prípade bude dióda VZ₁ zapojená v priepustnom smere a je na nej úbytok napätia U_D a dióda VZ₂ je zapojená v závernom smere a je na nej úbytok napätia U_Z.

Celkový úbytok napätia je daný súčtom U_D + U_Z a napätie bude teda obmedzené hodnotou [-(U_D+U_Z)],

v prípade záporného vstupného napätia (-U₁) bude situácia opačná a výstup bude obmedzený hodnotou napätia U_Z+U_D.

Komparátor bez hysterézie

Komparátory, obrázok 13a slúžia na porovnávanie vstupného napätia U₁ s porovnávacím (referenčným) napätím U_R. Ich výstup je iba dvojstavový, a to buď kladné, alebo záporné saturačné napätie. Keďže operačný zosilňovač nemá v tomto prípade zápornú spätnú väzbu, už nepatrný rozdiel medzi vstupnými napätiami spôsobí jeho limitáciu.


a)	b)
Obrázok 13 – Neinvertujúci komparátor

Tento komparátor je zapojený ako neinvertujúci, vstupné napätie je privedené na svorku (+) a referenčné na svorku (-).

Ako vyplýva z prevodnej charakteristiky na obrázku 13b, platí:

ak bude vstupné napätie U₁ kladné a ak bude platiť U₁=U_R, prejde výstup do kladnej saturácie (+U_S),
ak bude vstupné napätie U₁ záporné a ak bude platiť (-U₁)=U_R, prejde výstup do zápornej saturácie (-U_S).

Komparátor možno zapojiť tiež ako invertujúci, obrázok 14a, a to tak, že vstupné napätie U₁ je privedené na svorku (-) a referenčné napätie U_R na svorku (+).

Činnosť úplne jasne vyplýva z prevodnej charakteristiky na obrázku 14b.


a)	b)
Obrázok 14 – Invertujúci komparátor

Schmittov preklápací obvod

V konštrukcii s operačným zosilňovačom ide o komparátor so zavedenou hysteréziou, obrázok 15a. Vstupné napätie U₁ je privedené na svorku (-). Referenčné napätie U_R nie je na svorku (+) privedené priamo, ale prostredníctvom odporového deliča tvoreného rezistormi R₁ a R₂.


a)	b)
Obrázok 15 – Schmittov preklápací obvod

Z prevodnej charakteristiky na obrázku 15b vyplýva:

Schmittov preklápací obvod má dve preklápacie úrovne,
ak presiahne vstupné napätie úroveň U_P+, výstup sa preklopí (v tomto prípade) smerom k zápornému saturačnému napätiu (-U_S),
pri poklese napätia pod hodnotu U_P+ obvod nereaguje až do času, kým napätie nepoklesne pod hodnotu U_P-, keď sa preklopí naspäť ku kladnému saturačnému napätiu (+U_S).

Rozdiel medzi preklápacími napätiami U_P+ a U_P- určuje veľkosť hysterézie H.

Poznámka:

Slovo hysterézia má viac významov. Napríklad vo fyzike je to označenie skutočnosti, že zmeny v danom fyzikálnom jave sú vratné, alebo označenie závislosti momentálneho fyzikálneho stavu od predchádzajúcich stavov. Graf priebehu fyzikálnych zmien pri cyklickom opakovaní podmienok sa nazýva hysterézna krivka.

Operačný zosilňovač jednoducho, Schmittov preklápací obvod