Poznámka k usměrňovačům

15. srpna 2017 v 5:39 | Petr |  Elektro
Čím usměrníme 220V ze zásuvky ? Graetzem ! Čím usměrníme 20mV z nějakého robotického čidla ? Taky Graetzovým můstkem který má ubytek napětí 2x úbytek na diodě neboli u konvenčních usměrňovacích diod 1,4V ? Asi ne, asi by to chtělo nějakou "superdiodu" která se chová tak jak se na průmyslovce učí, že se dioda má chovat - v jednom směru dokonale propustná v druhém směru absolutně nepropustná.
Kupodivu takové zapojení existuje a dokonce mu bratři anglosassové říkají "Superdiode". Zdá se to být jasné - dioda je zapojená do zpětné vazby operačního zesilovače, takže ať je úbytek na této diodě jak chce veliký zpětná vazba jej kompenzuje. Celé zapojení má celkem 5 problémečků
  1. Zapojení je jednocestné - na rozdíl od "Graetze" usměrňuje jenom jednu půlvlnu signálu.
  2. Při druhé půlvlně signálu je dioda zavřená, zpětná vazba je přerušená a operační zesilovač je buď úplně v krajním záporném napětí, nebo nějak šíleně kmitá, což nedělá dobře situaci, kdy se má "vzpamatovat" a začít znou spořádaně usměrňovat tu "propustnou" půlvlnu.
  3. Z bodu 2. vyplývá, že maximální frekvence signálu, kterou toto zapojení zpracuje je překvapivě nízká - u operačních zeslilovaču s šírkou pásma do 1 MHZ ( třeba TL072 ) počítejte tak s 1/100 této frekvence - tedy 10 kHz max.
  4. Ani "superdioda" není tak úplně super - pro zcela miniaturní napětí ( asi tak pod 5 mV ) se začne projevovat parazitní proud diody, která pak "jako by tam nebyla" a zapojení přestává tak malé napětí usměrňovat.
  5. Běda vám jestli vynecháte odpor RL který by měl být 1K nebo max 10K. Pokud si budete myslet že místo tohoto odporu vystačí třeba vstupní odpor AD převodníku - jste vedle jak ta jedle. Vstupní odpor operačního zesilovače je obrovský i malý zpětný parazitní proud diody způsobí špatné chování dle bodu 4. u daleko vyšších napětí než 5mV.
Jasné ?

Takže takdy máme zlepšenou super-diodu. Záporné půlvlny vycházejí z tohoto zapojení jako kladné ( zapojení je invertující ) a zesílené v poměru -R2/R1. Kladné půlvlny projdou přes diodu D2 beze škod do země a na výstupu se neprojeví. ( projeví se jenom jako nepatrný rozdíl úbytků napětí na diodách D1 a D2 ). Toto zapojení má oproti prvnímu zásadní výhodu, která spočívá v tom, že operační zesilovač má "nějakou" zpětnou vazbu pro obě půlvlny signálu takže divoce nekmitá, ale situace ani tak není ideální - existuje totiž oblast -0,7 až +0,7 V kdy ani jedna z diod pořádně nevede a tuto oblast musí operační zesilovač ukrutně rychle překmitnout. Takže u běžného zesilovače se šířkou pásma 1MHz počítejte s maximální frekvencí tak 100 KHz ale lépe méně. ( pro robotické ultrazvuky na 40kHz to stačí ). Poznámka o mizerném usměrňování signálů pod 5mV platí i tady.
Teď takový příkládek - pokud usmerňujeme signál z robotického ultrazvuku ( protože nejsme ubožáci, co kupují špatně navržené čínské moduly na Aliexspress ) má takový signál 40 kHz střídavých. Pokud ho usměrníme jednocestně, bude základní frekvence takového signálu pořád 40 KHz a budeme muset vymýšlet velmi složité a strmé analogové filtry, které nám z takového signálu vyfiltrují "amplitudovou obálku" a zároveň nám do signálu nevnesou veliké zpoždění - což u ultrazvuku znamená nepřesnost měření vzdálenosti. Fundamentální frekvence dvoucestně usměrněného 40khZ signálu je 80kHz takže dvoucestým usměrnením jsme si vlastně v této úloze dosti pomohli, protože jsme "vynásobili frekvenci" a tím zvýšili nutnou "frekvenční vzdálenost" mezi filtrovaným signálem a propustným pásmem filtru.
Ergo by nebylo špatné umět zapojení, které usměrňuje dvoucestně. A hned si předvedeme jedno "učebnicové zapojení" které jsem, na rozdíl od autorů učebnic, opravdu zkoušel a mé doporučení je UTÍKEJTĚ OD NĚJ JAK MŮŽETE. Rozebereme si proč : První operační zesilovač je jasný - na jeho výstupu jsou jednocestně usměrněné půlvlny. Druhý operační zesilovač sčítá jednocestně usměrněné záporné půlvlny přes odpor R3 s nezměněným vstupním signálem přes odpor R4 a navíc záporné půlvlny přes R3 zesiluje 2x zatímco vstupní signál k tomu přičítá bez zesílení - výsledkem je dvoucestně usměrněný signál - tedy usměrněné kladné i záporné půlvlny.
Tušíte proč se tomuto zapojení vyhnout ? Sčítá se totiž původní NEZPOŽDĚNÝ signál se signálem ZPOŽDĚNÝM prvním operačním zesilovačem - tudíž čím větší frekvenci zpracováváte tím větší fázový rozdíl mezi těmito dvěma signály je a asi tak od 2KHz nahoru ( !!! ) bez ohledu na vlastnosti operačního zesilovače začnou z tohoto zapojení lézt nesmysly jako polo usměrněné do záporné polarity překmitávající "velbloudí hrby" atd. Prostě v učebnicích to je, u zkoušky na VUT to namalujte a pak ZAPOMEŇTE.
Další zapojení bylo mé oblíbené a pro signály nad 5mV a pod 100 kHz je zcela bezproblémové. Obvykle se o něm píše, že R1 a R4 musí být stejné hodnoty kvůli "symetrii diod". Opravdu je nutné aby D1 i D2 byly stejné diody ( to je snad jasné !! ) a zatíženy pokud možno stejnými proudy. Proto je třeba aby R2 a R4 byly stejné R1 si udělejte jak chcete.
Zapojení na posledním obrázku původně nebylo mé oblíbené, protože má o jeden odpor více, a to mi jako lakomému elektro - vidlákovi připadal jako neodůvodněné plýtvání součástkami, ale nyní je to moje nejoblíbenější zapojení "precizního dvoucestného usměrňovače". Proč ? Jednak má vlastnosti jako předchozí - to jest pracovní frekvence něco málo pod 1/10 šířky pásma operačních zesilovačů, ale hlavně odpor R1 se může lišit ( být menší ) než ostatní a tak je toto jediný zesilující dvoucestný usměrňovač. Zesílení se s výhodou využije aby se kompenzovala ztráta na výstupním filtru.

Takže nejoblíběnější zapojení je tu, zbývají jenom poslení poznámečky :
Výstupní filtr ? I Graetz. který usměrňuje 220V někde ve spínaném zdroji tak činí tím způsobem, že nabíjí filtrační kondenzátor, který dělá z "tepavého napětí" to pravé DC. POkud byste chtěli usměrňovat 40 KHz ultrazvuk doporučil bych na výstup operačního zesilovače odpor 1K jako "ochranný odpor" pro AD převodník někde v arduínu, a jako filtraci na stranu toho odporu směrem k Arduínu připojit keramický kondenzátor 10nF na zem - tím vznikne RC filtr s dělící frekvecní 16 KHz která vám 80 kHz docela pěkně vyfiltruje.

A poslední poznámečka, kterou v učebnicích nenajdete - měl jsem opravdu všechny zde uvedené obvody zapojené a mám je důkkladně osahané. Mezi předposledním a posledním zapojením je jeden malý, ale důležitý rozdíl. Předposlední zapojení funguje nejlépe když pracuje s diodami, které mají malý úbytek napětí v propustném směru, vhodné jsou tedy Schottky diody třeba má oblíbená BAT48. Poslední zapojení naopak nejlépe funguje s diodami které mají malý ( skoro nulový ) parazitní zpětný proud - třeba 1N4148, i proto je poslední zapojení mé oblíbené, protože mám doma tisíce komunistických ekvivalentů této diody ze zrušené Tesly Rožnov - známé pod jménem KA261.

Jasné ?
 

4 lidé ohodnotili tento článek.

Aktuální články

Reklama