- Was ist eine Präzisionsgleichrichterschaltung?
- Arbeitsweise des Präzisionsgleichrichters
- Die modifizierte Präzisionsgleichrichterschaltung
- Präzisions-Vollweggleichrichter mit Operationsverstärker
- Erforderliche Komponenten
- Schematische Darstellung
- Weitere Verbesserung
Ein Gleichrichter ist eine Schaltung, die Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umwandelt. Ein Wechselstrom ändert im Laufe der Zeit immer seine Richtung, aber der Gleichstrom fließt kontinuierlich in eine Richtung. In einer typischen Gleichrichterschaltung verwenden wir Dioden, um Wechselstrom zu Gleichstrom zu gleichrichten. Dieses Gleichrichtungsverfahren kann jedoch nur verwendet werden, wenn die Eingangsspannung der Schaltung größer ist als die Durchlassspannung der Diode, die typischerweise 0,7 V beträgt. Wir haben zuvor diodenbasierte Halbwellengleichrichter und Vollweggleichrichterschaltungen erläutert.
Um dieses Problem zu lösen, wurde die Präzisionsgleichrichterschaltung eingeführt. Der Präzisionsgleichrichter ist ein weiterer Gleichrichter, der Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. In einem Präzisionsgleichrichter verwenden wir jedoch einen Operationsverstärker, um den Spannungsabfall über der Diode zu kompensieren. Deshalb verlieren wir nicht den Spannungsabfall von 0,6 V oder 0,7 V über der Diode Diode kann auch die Schaltung so aufgebaut sein, dass sie auch am Ausgang des Verstärkers eine gewisse Verstärkung aufweist.
In diesem Tutorial werde ich Ihnen zeigen, wie Sie eine Präzisionsgleichrichterschaltung mit einem Operationsverstärker erstellen, testen, anwenden und debuggen können. Daneben werde ich auch einige Vor- und Nachteile dieser Schaltung diskutieren. Also, ohne weiteres, fangen wir an.
Was ist eine Präzisionsgleichrichterschaltung?
Bevor wir uns mit der Präzisionsgleichrichterschaltung befassen, wollen wir die Grundlagen der Gleichrichterschaltung erläutern.
Die obige Abbildung zeigt die Eigenschaften einer idealen Gleichrichterschaltung mit ihren Übertragungseigenschaften. Dies bedeutet, wenn das Eingangssignal negativ ist, der Ausgang Null Volt beträgt und wenn das Eingangssignal positiv ist, folgt der Ausgang dem Eingangssignal.
Die obige Abbildung zeigt eine praktische Gleichrichterschaltung mit ihren Übertragungseigenschaften. In einer praktischen Gleichrichterschaltung ist die Ausgangswellenform 0,7 Volt niedriger als die angelegte Eingangsspannung, und die Übertragungscharakteristik sieht wie in der Abbildung gezeigt aus. Zu diesem Zeitpunkt leitet die Diode nur, wenn das angelegte Eingangssignal geringfügig größer als die Durchlassspannung der Diode ist.
Nachdem wir die Grundlagen aus dem Weg geräumt haben, wenden wir uns wieder der Präzisionsgleichrichterschaltung zu.
Arbeitsweise des Präzisionsgleichrichters
Die obige Schaltung zeigt eine grundlegende Halbwellen-Präzisionsgleichrichterschaltung mit einem LM358-Operationsverstärker und einer 1n4148-Diode. Um zu erfahren, wie ein Operationsverstärker funktioniert, können Sie dieser Operationsverstärkerschaltung folgen.
Die obige Schaltung zeigt Ihnen auch die Eingangs- und Ausgangswellenform der Präzisionsgleichrichterschaltung, die genau gleich dem Eingang ist. Das liegt daran, dass wir die Rückkopplung vom Ausgang der Diode nehmen und der Operationsverstärker jeden Spannungsabfall über der Diode kompensiert. Die Diode verhält sich also wie eine ideale Diode.
Im obigen Bild können Sie nun deutlich sehen, was passiert, wenn am Eingangsanschluss des Operationsverstärkers eine positive und eine negative Halbwelle des Eingangssignals angelegt werden. Die Schaltung zeigt auch die Übertragungseigenschaften der Schaltung.
In einer praktischen Schaltung erhalten Sie jedoch nicht die in der obigen Abbildung gezeigte Ausgabe. Lassen Sie mich Ihnen sagen, warum?
In meinem Oszilloskop ist das gelbe Signal im Eingang und das grüne Signal der Ausgang. Anstatt eine Halbwellengleichrichtung zu erhalten, erhalten wir eine Art Vollwellengleichrichtung.
Das obige Bild zeigt Ihnen, wenn die Diode ausgeschaltet ist, die negative Halbwelle des Signals ist, das durch den Widerstand zum Ausgang fließt, und deshalb erhalten wir die Vollweggleichrichtung wie den Ausgang, aber dies ist nicht die tatsächliche Fall.
Mal sehen, was passiert, wenn wir eine 1K-Last anschließen.
Die Schaltung sieht aus wie im obigen Bild.
Die Ausgabe sieht wie im obigen Bild aus.
Der Ausgang sieht so aus, weil wir praktisch eine Spannungsteilerschaltung mit zwei 9,1K- und einem 1K-Widerstand gebildet haben. Deshalb wurde die positive Eingangshälfte des Signals gerade gedämpft.
Das obige Bild zeigt Ihnen erneut, was passiert, wenn ich den Lastwiderstandswert von 1K auf 220R ändere.
Dies ist nicht das geringste Problem, das diese Schaltung hat.
Das obige Bild zeigt einen Unterschwingungszustand, bei dem der Ausgang der Schaltung unter Null Volt fällt und nach einer bestimmten Spitze ansteigt.
Das obige Bild zeigt Ihnen einen Unterschwingungszustand für beide oben genannten Schaltkreise mit und ohne Last. Dies liegt daran, dass der Operationsverstärker immer dann, wenn das Eingangssignal unter Null fällt, in den negativen Sättigungsbereich geht und das Ergebnis das gezeigte Bild ist.
Ein weiterer Grund, warum wir sagen können, dass es einige Zeit dauert, bis die Rückkopplung der Operationsverstärker ins Spiel kommt und den Ausgang stabilisiert, wenn die Eingangsspannung von positiv nach negativ wechselt. Deshalb werden die Spitzen unter Null Volt an der Spannung Ausgabe.
Dies geschieht, weil ich einen Jelly Bean LM358-Operationsverstärker mit einer niedrigen Anstiegsgeschwindigkeit verwende. Sie können dieses Problem lösen, indem Sie einen Operationsverstärker mit einer höheren Anstiegsgeschwindigkeit einsetzen. Beachten Sie jedoch, dass dies auch im höheren Frequenzbereich der Schaltung geschieht.
Die modifizierte Präzisionsgleichrichterschaltung
Die obige Abbildung zeigt eine modifizierte Präzisionsgleichrichterschaltung, mit der wir alle oben genannten Mängel und Nachteile reduzieren können. Lassen Sie uns die Schaltung studieren und herausfinden, wie es funktioniert.
In der obigen Schaltung können Sie nun sehen, dass die Diode D2 leitet, wenn die positive Hälfte des sinusförmigen Signals als Eingang angelegt wird. Jetzt ist der oben gezeigte Pfad (mit der gelben Linie) abgeschlossen und der Operationsverstärker fungiert als invertierender Verstärker. Wenn wir uns Punkt P1 ansehen, beträgt die Spannung 0 V, da an diesem Punkt eine virtuelle Masse gebildet wird, sodass kein Strom gebildet werden kann durch den Widerstand R19 fließen, und im Ausgangspunkt P2 ist die Spannung negativ 0,7 V, da der Operationsverstärker den Diodenabfall kompensiert, so dass kein Strom zum Punkt P3 fließen kann. Auf diese Weise haben wir einen 0-V-Ausgang erreicht, wenn eine positive Halbwelle des Signals an den Eingang des Operationsverstärkers angelegt wird.
Nehmen wir nun an, wir haben die negative Hälfte des sinusförmigen Wechselstromsignals an den Eingang des Operationsverstärkers angelegt. Das heißt, das angelegte Eingangssignal ist kleiner als 0V.
Zu diesem Zeitpunkt befindet sich die Diode D2 im Sperrzustand, was bedeutet, dass es sich um einen offenen Stromkreis handelt. Das Bild oben sagt Ihnen genau das.
Da sich die Diode D2 im Sperrzustand befindet, fließt der Strom durch den Widerstand R22 und bildet am Punkt P1 eine virtuelle Masse. Wenn nun die negative Hälfte des Eingangssignals angelegt wird, erhalten wir ein positives Signal im Ausgang als invertierenden Verstärker. Und die Diode leitet und wir erhalten den kompensierten Ausgang am Punkt P3.
Jetzt ist die Ausgangsspannung -Vin / R2 = Vout / R1
Die Ausgangsspannung wird also zu Vout = -R2 / R1 * Vin
Betrachten wir nun den Ausgang der Schaltung im Oszilloskop.
Die praktische Ausgabe der Schaltung ohne Last ist in der obigen Abbildung dargestellt.
Wenn es um die Analyse der Schaltung geht, ist eine Halbwellengleichrichterschaltung gut genug, aber wenn es um eine praktische Schaltung geht, macht der Halbwellengleichrichter einfach keinen praktischen Sinn.
Aus diesem Grund wurde eine Vollweggleichrichterschaltung eingeführt. Um einen Vollwellenpräzisionsgleichrichter zu erhalten, muss ich nur einen Summierverstärker herstellen, und das war's auch schon.
Präzisions-Vollweggleichrichter mit Operationsverstärker
Um eine Vollwellen-Präzisionsgleichrichterschaltung herzustellen , habe ich gerade einen Summierverstärker zum Ausgang der zuvor erwähnten Halbwellengleichrichterschaltung hinzugefügt. Vom Punkt P1 bis zum Punkt P2 ist die grundlegende Präzisionsgleichrichterschaltung und die Diode ist so konfiguriert, dass wir am Ausgang eine negative Spannung erhalten.
Vom Punkt P2 bis zum Punkt P3 ist der Summierverstärker, der Ausgang des Präzisionsgleichrichters wird über den Widerstand R3 dem Summierverstärker zugeführt. Der Wert des Widerstands R3 ist die Hälfte von R5 oder man kann sagen, es ist R5 / 2, so stellen wir eine 2-fache Verstärkung aus dem Operationsverstärker ein.
Der Eingang vom Punkt P1 wird ebenfalls mit Hilfe des Widerstands R4 dem Summierverstärker zugeführt, die Widerstände R4 und R5 sind dafür verantwortlich, die Verstärkung des Operationsverstärkers auf 1X einzustellen.
Da der Ausgang vom Punkt P2 mit einer Verstärkung von 2X direkt dem Summierverstärker zugeführt wird, bedeutet dies, dass die Ausgangsspannung das Zweifache der Eingangsspannung beträgt. Nehmen wir an, die Eingangsspannung beträgt 2 V Spitze, sodass wir am Ausgang eine 4 V Spitze erhalten. Gleichzeitig speisen wir den Eingang direkt mit einer Verstärkung von 1X in den Summierverstärker ein.
Wenn nun die Summierungsoperation stattfindet, erhalten wir eine summierte Spannung am Ausgang, die (-4 V) + (+ 2 V) = -2 V beträgt, und als Operationsverstärker am Ausgang. Da der Operationsverstärker als invertierender Verstärker konfiguriert ist, erhalten wir + 2 V am Ausgang, der der Punkt P3 ist.
Das gleiche passiert, wenn die negative Spitze des Eingangssignals angelegt wird.
Das obige Bild zeigt den endgültigen Ausgang der Schaltung, die Wellenform in Blau ist der Eingang und die Wellenform in Gelb ist der Ausgang der Halbwellengleichrichterschaltung, und die Wellenform in Grün ist der Ausgang der Vollwellengleichrichterschaltung.
Erforderliche Komponenten
- Operationsverstärker-IC LM358 - 2
- 6,8 K, 1% Widerstand - 8
- 1K Widerstand - 2
- 1N4148 Diode - 4
- Brotbrett - 1
- Überbrückungsdrähte - 10
- Stromversorgung (± 10 V) - 1
Schematische Darstellung
Das Schaltbild für einen Halbwellen- und Vollwellen-Präzisionsgleichrichter mit Operationsverstärker ist nachstehend aufgeführt:
Für diese Demonstration wird die Schaltung mit Hilfe des Schaltplans in einem lötfreien Steckbrett aufgebaut; Um die parasitäre Induktivität und Kapazität zu reduzieren, habe ich die Komponenten so eng wie möglich verbunden.
Weitere Verbesserung
Die Schaltung kann weiter modifiziert werden, um ihre Leistung zu verbessern, da wir einen zusätzlichen Filter hinzufügen können, um hochfrequente Geräusche zu unterdrücken.
Diese Schaltung dient nur zu Demonstrationszwecken. Wenn Sie diese Schaltung in einer praktischen Anwendung verwenden möchten, müssen Sie einen Chopper-Operationsverstärker und einen hochpräzisen 0,1-Ohm-Widerstand verwenden, um absolute Stabilität zu erzielen.
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