Переходы сети через ноль на операционных усилителях – Детектор перехода через ноль — Электроника

Фазное регулирование нагрузки переменного тока с помощью FLProg / FLProg corporate blog / Habr

Выдался свободный денёк и я решил наконец то опробовать блок скоростного счетчика в режиме линии задержки. Этот режим создавался в основном для реализации фазного регулирования нагрузки, но до сих пор я не успевал его обкатать в реальном применении. Думаю уже пора.
Обвязку блока я сделал по этой схеме:


На оптопаре PC814 собран детектор нуля. Поскольку блок работает на прерываниях, то входом детектора нуля могут служить только входы контроллера к которым привязываются аппаратные прерывания. В случае UNO это входы D2 и D3.
На оптосимисторе MOC3023 собран блок управления симистором. Для управления этим блоком можно выбрать любой свободный цифровой выход контроллера.
Схема проекта

Res — Аналоговый вход. На входе стоит переменный резистор.
Блок SCT2 — Блок скоростного счетчика. (Библиотека элементов -> Счетчики -> SpeedCounter)

Настройки блока:
Поскольку все оптопары отличаются — необходимо произвести настройку блока Scalе. Для этого на время модернизируем проект.

Теперь значение задержки раз в секунду будет выводится в Ком-порт. Для чего это нужно? Поскольку передний фронт импульса с детектора нуля приходит немного раньше истинного момента перехода синусоиды через 0 (в момент потухания светодиода оптопары), то нам необходимо определить это время для задания его в качестве 100% значения мощности на нагрузке. Вот настроечные параметры для блока Scale.

Зальем программу в контроллер и запустим монитор компорта. При вращении переменного резистора лампа будет либо гореть либо мерцать.Вот как это выглядит.

Добиваемся равномерного максимального горения. Значение полученное через компорт записываем. Это значение будем заносить в поле «Нижний предел выходного значения» Scale. Теперь отстроим вторую границу. Опять поменяем значения в блоке Scale

Длительность полупериода сетевого напряжения составляет 10000 микросекунд. Но у нас импульс сдвинут 1102 микросекунды раньше. Соответственно что бы установить полный ноль мощности необходимо максимальную задержку увеличить на столько-же. Можно конечно просто выставить 11102, но лучше проверить. Зальем программу в контроллер и запустим монитор компорта. Добиваемся момента перехода с мерцающего горения в полное потухание. Значение из компорта записываем. Вот как это выглядит.

Ну и тетерь можно использовать полученные значения. Заполняем блок Scale

Ну вот что получилось

Теперь можно убирать блоки генератора и передачи данных компорта, а на вход Scale подавать необходимое Вам регулирующее значение. Обратите внимание в поле «Верхний предел входного значения» блока Scale необходимо занести значение регулирующей величины соответствующее 0 мощности на нагрузке, а в поле «Нижний предел входного значения» значение соответствующее 100% мощности.

habr.com

Детектор перехода через ноль

радиоликбез

Некоторые радиоэлектронные устройства требуют для своей работы синхронизации с сетевым напряжением. Большинство подобных устройств обеспечивают синхронизацию напряжения в момент перехода сетевого напряжения через ноль и требуют для своей работы уменьшения напряжения, например, с помощью сетевого трансформатора.

 

Приведенная ниже простая схема не требует применения трансформатора и имеет полную гальваническую развязку от сети переменного тока. Она обеспечивает на выходе короткий отрицательный импульс в момент, когда напряжение фазы становится положительным (рис.1).

Рис.1

Принципиальная схема устройства показана на рис.2. При отрицательной полуволне фазного напряжения, конденсатор С1 заряжается до напряжения стабилизации стабилитрона VD2 через резистор R1 и диоды VD1, VD3. В момент, когда напряжение фазы переходит через ноль и становится положительным, транзистор VT1 открывается и через светодиод в оптопаре IC1 протекает ток. В то же время, открытие транзистора VT1 приводит к разрядке конденсатора С1, поэтому транзистор открывается на очень короткое время, что обеспечивает получение короткого отрицательного импульса на выходе устройства. Длительность импульса зависит от емкости конденсаторе С1, поэтому при необходимости ее можно изменять, варьируя емкостью конденсатора. При емкости конденсатора, указанной на рис. 2, длительность выходного импульса будет около 1 мс.

Рис. 2 детектор нуля, схема

В схеме можно использовать конденсатор и резисторы любых типов. Транзистор можно заменить КТ3102А, ВС547 и им подобными. В качестве оптопары IC 1 можно использовать РС817. Диоды VD1, VD3 могут быть любые выпрямительные на напряжение более 400 В.

И.А Коротков

 

radiopolyus.ru

схемное устройство для распознавания сетевых переходов через нуль — патент РФ 2447570

Изобретение относится к схемному устройству для распознавания переходов через нуль сетевого напряжения (U_NETZ) сети переменного напряжения, причем вызванный сетевым напряжением (U_NETZ) измерительный ток (i, i_R, i _F, i_FP, i_FN) подается на детектор (31, 32) переходов через нуль для формирования сигнала перехода через нуль и причем между проводником (L) и нулевым проводником (N) сети переменного напряжения расположен потребитель (1, 1a, 1b, 11, 12) тока, посредством которого устанавливается ход изменения значения тока для измерительного тока (i, i

R, i _F, i_FP, i_FN), вызванного сетевым напряжением (U_NETZ). Тем самым возможно получить технический результат — при помехах надежно распознавать сетевые переходы через нуль и поддерживать мощность помех незначительной. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к схемному устройству для распознавания сетевых переходов через нуль сетевого напряжения сети переменного напряжения, причем вызванный сетевым напряжением измерительный ток подается на детектор переходов через нуль для формирования сигнала сетевого перехода через нуль.

Устройства для распознавания сетевых переходов через нуль сетевого напряжения сети переменного напряжения используются повсюду там, где необходим сигнал, синхронный с переменным напряжением.

Областью использования является корректное по фазе управление мощными компонентами преобразователя переменного тока или инвертора (преобразователя постоянного тока в переменный) в зависимости от сетевых переходов через нуль сетевого напряжения.

При этом преобразователь переменного тока или инвертор служит, например, для подготовки электрической энергии в форме переменного тока, который пригоден для ввода в сеть переменного напряжения. Областью применения для этого является присоединение альтернативных источников тока к обычной сети переменного напряжения общего пользования. Подобные источники тока могут представлять собой панели солнечных батарей, топливные элементы, генераторы ветровой энергии или иные источники тока, такие как аккумуляторы.

Согласно уровню техники известно множество схем преобразователей постоянного тока в переменный с различными возможностями применения. При этом применяются различные основные типы электронных преобразователей, как, например, задатчики высокой установки, задатчики низкой установки или задатчики высокой-низкой установки для выработки тока полуволновой формы в комбинации с полным или половинным мостом для инвертирования каждой второй полуволны для получения в результате однофазного или многофазного переменного тока.

В частности, в фотогальванических энергетических установках необходимо выполнять различные нормы сетевых операторов и административных органов, например, подпитку синусоидальным током. Синусоидальная форма выводится при этом, как правило, из сетевого напряжения.

Существенным критерием для синхронной с сетью подпитки является точное распознавание сетевых переходов через нуль для точного по фазе управления мощными элементами. Сетевые переходы через нуль в сетевом напряжении определяют, для управления преобразователем постоянного тока в переменный, моменты времени для переключения с положительной на отрицательную полуволну и наоборот.

Однако точное по фазе управление мощными элементами преобразователя постоянного тока в переменный также существенно для надежности прибора. Некорректное переключение с положительной на отрицательную полуволну и обратно приводит, без соответствующих мер безопасности, к сетевому короткому замыканию в мощном элементе преобразователя постоянного тока в переменный, что может привести к повреждению или разрушению мощных компонентов.

Известное схемное устройство для распознавания переходов через нуль состоит из делителя напряжения и компаратора или операционного усилителя (см. фиг.1 и 2). При этом на выходе компаратора или операционного усилителя приложен прямоугольный сигнал, причем, например, его низкое значение указывает отрицательную полуволну, а его высокое значение — положительную полуволну сетевого напряжения. Значение сигнала изменяется, таким образом, с каждым переходом через нуль сетевого напряжения. Сопротивления делителя напряжения при этом являются высокоомными, чтобы поддерживать мощность потерь низкой.

Подобные схемы, ввиду высокоомных входов компаратора или операционного усилителя, подвержены ошибочным определениям сетевых переходов через нуль. Источником подобных ошибочных определений могут быть электромагнитные помехи или помехи в сети. При этом может произойти, что на входе компаратора или операционного усилителя возникает значение тока, знак которого не соответствует текущему номинальному фазовому положению сетевого напряжения, из-за чего регистрируется ошибочный сетевой переход через нуль.

В основе изобретения лежит задача предложить схемное устройство вышеназванного типа, которое обеспечивает возможность помехоустойчивого определения сетевых переходов через нуль.

В соответствии с изобретением эта задача решается схемным устройством для определения сетевых переходов через нуль сетевого напряжения сети переменного напряжения, причем вызванный сетевым напряжением измерительный ток подается на детектор перехода через нуль для формирования сигнала сетевого перехода через нуль и причем между проводником и нулевым проводником сети переменного напряжения расположен потребитель тока, посредством которого устанавливается ход изменения значения тока для измерительного тока, вызванного сетевым напряжением.

Использование потребителя тока гарантирует, что вклад значения измерительного тока и при низких значениях сетевого напряжения в области сетевых переходов через нуль достаточно высок, чтобы и при помехах, воздействующих на измерительный ток, поддерживать корректный по фазе знак измерительного тока. Если, например, во время положительной сетевой полуволны электромагнитная помеха на входе детектора перехода через нуль вызывает понижение значения измерительного тока, последний, несмотря на это, остается положительным и не приводит к ошибочному определению перехода через нуль.

Таким образом, соответствующее изобретению устройство и в критической области вблизи переходов через нуль сетевого напряжения обеспечивает достаточно высокий измерительный ток, чтобы иметь возможность надежного определения переходов через нуль, не подвергаясь влиянию помех. С другой стороны, за счет соответствующего ограничения измерительного тока в области пиковых значений сетевого напряжения мощность потерь поддерживается низкой.

В предпочтительном выполнении изобретения потребитель тока выполнен как переменный потребитель тока, чтобы оптимизировать мощность потерь за счет изменяемого хода измерительного тока.

При этом, например, является предпочтительным, если обусловленный переменным потребителем тока ход значения тока является обратно пропорциональным ходу сетевого напряжения. Сигнал для управления потребителем тока и, тем самым, для установления хода значения измерительного тока может тогда выводиться непосредственно из хода сетевого напряжения.

Чтобы в области переходов через нуль обеспечить особенно выраженный подъем измерительного тока, является предпочтительным установить соответственно высокий коэффициент пропорциональности и при этом ограничить ход значения измерительного тока для высоких значений сетевого напряжения минимальным значением.

В предпочтительном выполнении схемного устройства потребитель тока включен последовательно с сопротивлением, а параллельно сопротивлению размещен детектор переходов через нуль, выполненный как компаратор или операционный усилитель. Такая схема может быть выполнена с использованием простых компонентов и выдает на выходе детектора переходов через нуль прямоугольный сигнал, высокое значение которого указывает положительную полуволну сетевого напряжения, а низкое значение — отрицательную полуволну сетевого напряжения.

При этом является предпочтительным, если выход компаратора или операционного усилителя соединен с элементом для гальванического разъединения, например, оптроном.

В другом схемном устройстве потребитель тока соединен последовательно с элементом для гальванического разъединения, например, оптроном. В таком устройстве на выходе оптрона приложен инвертированный прямоугольный сигнал. Низкое значение в соответствии с этим показывает положительную полуволну, а высокое значение — отрицательную полуволну сетевого напряжения. Это устройство вырабатывает с использованием малого количества компонентов гальванически разделенный сигнал сетевых переходов через нуль.

Потребитель тока сам выполнен как однонаправленный или двунаправленный потребитель тока, в зависимости от того, какой сигнал переходов через нуль является желательным. В схеме с однонаправленным потребителем тока измерительный ток остается так долго неравным нулю, пока сетевое напряжение больше, чем нуль, или, для формы выполнения с расположенным последовательно с потребителем тока оптроном, сетевое напряжение больше, чем напряжение пропускания оптронного диода.

Кроме того, изобретение относится к преобразователю постоянного тока в переменный, мощный элемент которого управляется в зависимости от сетевых переходов через нуль сетевого напряжения сети переменного напряжения. При этом предусмотрен преобразователь постоянного тока в переменный для подпитки электрической энергии в сеть переменного напряжения, в котором переходы через нуль сетевого напряжения определяются посредством соответствующего изобретению схемного устройства.

Прежде всего, в преобразователях постоянного тока в переменный для подключения альтернативных источников тока к сети переменного тока важно достичь высокого коэффициента полезного действия, чтобы гарантировать экономичность альтернативной генерации тока. Поэтому в мощных элементах подобных преобразователей постоянного тока в переменный используются компоненты с особенно низкими потерями.

Такие компоненты очень чувствительны к ошибочным переключениям фаз и обусловленным этим сетевым коротким замыканиям. Поэтому важно, чтобы сетевые переходы через нуль распознавались надежным образом.

Изобретение поясняется далее на примере со ссылкой на приложенные чертежи, на которых в схематичном представлении показано следующее:

фиг.1 — схемное устройство с делителем напряжения и компаратором (уровень техники),

фиг.2 — схемное устройство согласно фиг.1, дополненное оптроном (уровень техники),

фиг.3 — пример выполнения для соответствующего изобретению схемного устройства с компаратором,

фиг.4 — пример выполнения для соответствующего изобретению схемного устройства с оптроном,

фиг.5 — пример выполнения для соответствующего изобретению схемного устройства с двумя потребителями тока и двумя оптронами,

фиг.6 — управление однонаправленным потребителем тока, управляемым по напряжению или по току,

фиг.7 — графики сигналов при применении однонаправленного потребителя тока,

фиг.8 — управление двунаправленным потребителем тока, управляемым по напряжению или по току,

фиг.9 — графики сигналов при применении двунаправленного потребителя тока.

Фиг.1 показывает простое схемное устройство для определения сетевых переходов через нуль согласно уровню техники. При этом два сопротивления R1 и R2 образуют делитель напряжения между проводником L и нулевым проводником N сети переменного напряжения. Исходя от проводника L, сетевое напряжение U_NETZ формируется через первое сопротивление R1 и второе сопротивление R2, причем измерительный ток i протекает через сопротивления R1 и R2. Параллельно второму сопротивлению R2 включен компаратор или операционный усилитель в качестве детектора переходов через нуль, на выходе которого приложен сигнал переходов через нуль как прямоугольный сигнал. Высокое значение соответствует положительной полуволне сетевого напряжения U_NETZ, а низкое значение — отрицательной полуволне сетевого напряжения U_NETZ. Входы компаратора или операционного усилителя могут защищаться с помощью защитных диодов.

Чтобы получающуюся мощность потерь удерживать малой, оба сопротивления R1 и R2 выполнены, как правило, высокоомными (например, от 200 кОм до 300 кОм для первого сопротивления R1 и от 2 кОм до 5 кОм для второго сопротивления R2). При сети переменного напряжения 230 В отсюда получается максимальная общая мощность потерь порядка 0,26 Вт (без учета защитных диодов).

Для измерительного тока i получается тем самым при пиковом значении сетевого напряжения U_NETZ значение 1,61 мА (без учета защитных диодов), а в области перехода через нуль при сетевом напряжении U_NETZ, равном 1 В, значение 5 мкА (без учета защитных диодов).

На фиг.2 вновь представлена схема согласно уровню техники с делителем напряжения и компаратором или операционным усилителем, причем выход компаратора или операционного усилителя с оптроном ОРТО предусмотрен для гальванического разделения. Так как оптрон ОРТО обуславливает инвертирование сигнала, входы компаратора или операционного усилителя переставляются, так что в качестве сигнала перехода через нуль на выходе оптрона ОРТО приложен тот же сигнал, что и на выходе компаратора или операционного усилителя на фиг.1.

Показанные на фиг.1 и 2 схемы согласно уровню техники очень чувствительны к помехам, если сетевое напряжение U_NETZ приближается к переходу через нуль, и, тем самым, измерительный ток i в делителе напряжения становится очень малым. Тогда достаточны, например, незначительные электромагнитные помехи, которые проникают в высокоомные входные соединения компаратора или операционного усилителя, чтобы вызвать ошибочную оценку компаратора или операционного усилителя. Также даже незначительные помехи в сети могут привести к ошибке при распознавании перехода через нуль, так на основе незначительного измерительного тока i уже помехи незначительной мощности могут привести к смене знака на входе компаратора или операционного усилителя.

Соответствующее изобретению схемное устройство, представленное на фиг.3, не имеет этих недостатков. Это схемное устройство отличается от показанного на фиг.1 тем, что вместо первого сопротивления R1 предусмотрен потребитель 1 тока, т.е. электрическая нагрузка с регулируемым током или напряжением.

Потребитель 1 тока в простейшем случае установлен таким образом, что при сетевом напряжении U_NETZ, не равном нулю, протекает постоянный измерительный ток i_R. Потребитель 1 тока может при этом быть выполнен как однонаправленный или двунаправленный потребитель тока. В первом случае постоянный измерительный ток i_R протекает только при положительной (или только при отрицательной) полуволне сетевого напряжения U_NETZ . Начало или конец фазы нулевого значения измерительного тока i_R дает при однонаправленном потребителе 1 тока момент времени перехода через нуль сетевого напряжения U_NETZ . При двунаправленном потребителе 1 тока направление протекания измерительного тока i_R изменяется на обратное при каждом переходе через нуль сетевого напряжения U_NETZ . Тем самым, смена знака измерительного тока i_R показывает момент времени перехода через нуль сетевого напряжения U _NETZ.

Другое соответствующее изобретению схемное устройство представлено на фиг.4. При этом потребитель 1 тока включен последовательно с диодом D и оптроном OPTO в качестве детектора перехода через нуль между проводником L и нулевым проводником N сети переменного напряжения. Через это последовательное соединение в простейшем случае вновь протекает постоянный измерительный ток i_F, когда сетевое напряжение U_NETZ больше, чем сумма напряжения пропускания диода D и напряжения пропускания диода оптрона ОРТО. Начало или конец фазы нулевого значения измерительного тока i_F показывает при этом переход через нуль сетевого напряжения U_NETZ. Обусловленные напряжениями пропускания диодов неточности могут компенсироваться далее включенным аналоговым или цифровым блоком компенсации, так как известные напряжения пропускания диодов, как правило, подвержены лишь минимальным изменениям (например, при колебаниях температуры).

На отделенном гальванически от входа выходе оптрона ОРТО приложен в соответствии с этим инвертированный сигнал перехода через нуль прямоугольной формы. Высокое значение показывает отрицательную полуволну, а низкое значение — положительную полуволну сетевого напряжения U_NETZ. Чтобы повысить надежность детектирования сетевых переходов через нуль, для определения отрицательной полуволны и для определения положительной полуволны сетевого напряжения U_NETZ используется, соответственно, последовательное соединение из преобразователя 1а, 1b тока и оптрона ОРТО1, ОРТО2. Подобное схемное устройство показано на фиг.5. Во время положительной полуволны сетевого напряжения U _NETZ положительный измерительный ток i_FP протекает через первый оптрон ОРТО1 и первый потребитель 1а тока. Во время отрицательной полуволны сетевого напряжения U_NETZ отрицательный измерительный ток i_FN протекает через второй потребитель 1b тока и второй оптрон ОРТО2. Выходные сигналы обоих оптронов ОРТО1, ОРТО2 подаются на логическую схему 4, в которой оба сигнала обрабатываются, например, для получения одного определенного сигнала перехода через нуль.

Таким образом, преимущество соответствующего изобретению схемного устройства заключается в высоком усилении измерительного тока i_R или i_F в области переходов через нуль сетевого напряжения U_NETZ. Из-за высокого измерительного тока i_R или i_F в потребителе тока вплоть до непосредственной близости от сетевого перехода через нуль и мгновенного переключения измерительного тока i_R или i_F при смене полярности сетевого напряжения U_NETZ может быть получен существенно более однозначный сигнал перехода через нуль, чем с использованием делителя напряжения согласно уровню техники.

Прежде всего, для преобразователя постоянного тока в переменный является важным, и при подверженных сильным помехам сетях с верхними гармониками в сетевом напряжении U_NETZ надежно распознавать фактическую полярность (то есть полярность основного колебания) сетевого напряжения U_NETZ. В зависимости от мощного компонента преобразователя постоянного тока в переменный, уже одно неверное распознавание сетевого перехода через нуль при фактическом сетевом напряжении U_NETZ в несколько вольт может вызвать ток короткого замыкания, вызывающий повреждение силовых компонентов вследствие неверно включенных мощных транзисторов.

При этом распознавание сетевых переходов через нуль становится при возрастающем измерительном токе i_R или i_F все более надежным по отношению к сетевым помехам. При этом, однако, следует учитывать, что при возрастающем токе через потребитель 1 тока также увеличивается мощность потерь в потребителе 1 тока.

Поэтому в предпочтительном выполнении предусмотрено устанавливать измерительный ток i_R или i_F переменным таким образом, что он в области переходов через нуль является высоким, а в области пиковых значений сетевого напряжения U_NETZ — незначительным. Соответствующий пример для однонаправленного потребителя тока показан на фиг.6 и 7.

Фиг.6 показывает в упрощенном виде обработку сигнала в отдельных элементах соответствующего изобретению схемного устройства. Управляемый по напряжению или по току потребитель 11 тока включен последовательно с детектором 31 переходов через нуль между проводником L и нулевым проводником N сети переменного напряжения. К тому же сетевое напряжение U _NETZ подается на блок 21 управления потребителя тока. В блоке 21 управления для потребителя тока задается напряжение U_S потребителя тока как функция U_S=f(1/U _NETZ) сетевого напряжения U_NETZ. Эта функция определяет, например, для сетевого напряжения U_NETZ , равного нулю, максимальное значение для напряжения U_S потребителя тока. В дальнейшем процессе напряжение U_S потребителя тока спадает линейно с возрастанием сетевого напряжения U_NETZ, причем предусмотрено нижнее ограничение.

В потребителе 11 тока измерительный ток i задается потребителем 11 тока как произведение напряжения U_S потребителя тока и постоянного коэффициента К. Тем самым, измерительный ток также является результатом функции обратного значения сетевого напряжения U_NETZ (i=f(1/U_NETZ)).

Графики сигнала при различных функциях для измерительного тока i=f(1/U_NETZ) представлены на фиг.7. На диаграммах по абсциссе нанесено время t. Первая диаграмма показывает график сетевого напряжения U_NETZ во времени t, причем принимается однонаправленный источник тока с направлением пропускания при положительных полуволнах сетевого напряжения U_NETZ .

Пока сетевое напряжение U_NETZ отрицательно, значение измерительного тока i остается равным нулю. На второй диаграмме представлен график а для измерительного тока i по времени t, причем в основе этого графика а лежит линейная функция измерительного тока i сетевого напряжения U_NETZ. При переходе через нуль сетевого напряжения U_NETZ измерительный ток i скачкообразно переходит на заданное максимальное значение i _Max и затем проходит обратно пропорционально графику сетевого напряжения U_NETZ. К моменту времени достижения максимальной точки сетевого напряжения измерительный ток i достигает минимального значения i_Min.

На третьей диаграмме представлен график b с линейной функцией измерительного тока i от сетевого напряжения U_NETZ и с нижним значением i_Min ограничения измерительного тока i. Подобный график b, по сравнению с предыдущим графиком а, обеспечивает более крутое спадание измерительного тока i с возрастанием сетевого напряжения U_NETZ и, тем самым, снижение мощности потерь. Мощность потерь составляет, например, 0,39 Вт в случае сети переменного напряжения 230 В, если в качестве максимального значения i _Max измеренного напряжения задано 6 мА, а в качестве минимального значения i_Min измеренного напряжения задано 3 мА, и минимальное значение i_Min достигается при значении сетевого напряжения, равном 100 В. Тем самым достигается мощность потерь в диапазоне вышеуказанного примера для схемы согласно уровню техники, в то время как измерительный ток i вблизи сетевых переходов через нуль достигает 1200-кратного значения (6мА/5мкА) измерительного тока согласно уровню техники.

На следующей диаграмме представлен график с измерительного тока i по времени t с нелинейной функцией измерительного тока i от сетевого напряжения U_NETZ.

Обработка сигнала и график сигнала для двунаправленного потребителя тока представлены на фиг.8 и 9.

На фиг.8 управляемый по напряжению или по току потребитель 12 тока включен последовательно с детектором 32 переходов через нуль между проводником L и нулевым проводником N сети переменного напряжения. Сетевое напряжение U_NETZ подается на блок 22 управления потребителя 12 тока. В блоке 22 управления формируется напряжение U_S потребителя тока как функция обратного значения сетевого напряжения U_NETZ, причем здесь иначе, чем при однонаправленном потребителе тока для обеих полярностей сетевого напряжения U _NETZ задается функция. На фиг.8 как для отрицательного, так и для положительного значений сетевого напряжения представлены линейные функции с ограничением напряжения U_S потребителя тока.

Напряжение U_S потребителя тока подается на потребитель 12 тока, причем посредством умножения его на коэффициент К задается график измерительного тока i через потребитель 12 тока.

На фиг.9 вновь представлены три различных примера для графика а, b, c измерительного тока от времени t, обратно пропорционального сетевому напряжению U _NETZ. При этом график а, b, c, соответствующий конкретной функции f(1/U_NETZ), задается как для положительной, так и для отрицательной полуволны сетевого напряжения U_NETZ .

Первый график а соответствует линейной функции измерительного тока i от сетевого напряжения U_NETZ с заданным максимальным значением i_Max и минимальным значением i_Min. В основе второго графика b также лежит линейная функция, причем, однако, для положительной полуволны сетевого напряжения U_NETZ задано положительное значение с минимальным значением i_Min, а для отрицательной полуволны сетевого напряжения U_NETZ задано отрицательное значение с минимальным значением. В основе третьего приведенного для примера графика с измерительного тока i от времени t лежит нелинейная функция измерительного тока i от сетевого напряжения U_NETZ.

Как для однонаправленного, так и двунаправленного потребителей тока может быть выбрана любая другая функция. При этом следует только принимать во внимание задание высокого измерительного тока в области незначительного сетевого напряжения U_NETZ при одновременно незначительной мощности потерь через потребитель тока.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Схемное устройство для распознавания переходов через нуль сетевого напряжения (U_NETZ) сети переменного напряжения, причем вызванный сетевым напряжением (U_NETZ) измерительный ток (i, i_R, i_F, i_FP, i_FN ) подается на детектор (31, 32) переходов через нуль для формирования сигнала перехода через нуль,
отличающееся тем, что между проводником (L) и нулевым проводником (N) сети переменного напряжения расположен потребитель (1, 1a, 1b, 11, 12) тока, посредством которого устанавливается ход изменения значения тока для измерительного тока (i, i_R, i_F, i_FP, i _FN), вызванного сетевым напряжением (U_NETZ), причем потребитель (1, 1a, 1b, 11, 12) тока выполнен как переменный потребитель тока, и обусловленный переменным потребителем (1, 1a, 1b, 11, 12) тока ход изменения значения тока для измерительного тока (i, i_R, i_F, i_FP, i _FN) является обратно пропорциональным ходу изменения сетевого напряжения (U_NETZ).

2. Схемное устройство по п.1, отличающееся тем, что ход изменения значения тока, обусловленный переменным потребителем (1, 1a, 1b, 11, 12) тока, ограничен минимальным значением (i_Min).

3. Схемное устройство по п.1, отличающееся тем, что потребитель (1, 11, 12) тока включен последовательно с сопротивлением (R), а параллельно сопротивлению (R) размещен детектор переходов через нуль, выполненный как компаратор или операционный усилитель.

4. Схемное устройство по п.2, отличающееся тем, что потребитель (1, 11, 12) тока включен последовательно с сопротивлением (R), а параллельно сопротивлению (R) размещен детектор переходов через нуль, выполненный как компаратор или операционный усилитель.

5. Схемное устройство по п.3, отличающееся тем, что выход компаратора или операционного усилителя соединен с элементом (ОРТО) для гальванического разъединения.

6. Схемное устройство по п.4, отличающееся тем, что выход компаратора или операционного усилителя соединен с элементом (ОРТО) для гальванического разъединения.

7. Схемное устройство по п.1, отличающееся тем, что потребитель (1, 1a, 1b, 11, 12) тока соединен последовательно с элементом (ОРТО, ОРТО1, ОРТО2) для гальванического разъединения.

8. Схемное устройство по п.2, отличающееся тем, что потребитель (1, 1a, 1b, 11, 12) тока соединен последовательно с элементом (ОРТО, ОРТО1, ОРТО2) для гальванического разъединения.

9. Схемное устройство по любому из пп.5-8, отличающееся тем, что элемент для гальванического разделения выполнен как оптрон (ОРТО, ОРТО1, ОРТО2).

10. Схемное устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что потребитель (1, 1a, 1b, 11, 12) тока выполнен как однонаправленный или двунаправленный потребитель тока.

11. Преобразователь постоянного тока в переменный для подпитки электрической энергии в сеть переменного напряжения, отличающийся тем, что переходы через нуль сетевого напряжения (U_NETZ) определяются посредством схемного устройства по любому из пп.1-8.

www.freepatent.ru

Схема для обнаружения нуля в сети 220В

Это несложное устройство используется для обнаружения нуля в сети 220В, а именно точки, в которой амплитуда напряжения сети падает ниже 1,2 В. После обнаружения нуля система генерирует на своем выходе импульс напряжения, который подаётся например на микроконтроллер управления.

Устройство может оказаться полезным при построении фазовых регуляторов мощности, в которых необходимо определение точки нуля для правильного отсчета задержки включения симистора.

Система также будет нужна при изготовлении многоканальных регуляторов мощности. Выход схемы изолирован от опасного напряжения сети с помощью оптрона.

Схема детектора нуля

Схема электрическая детектора нуля сети

К разъему 220 В прилагается переменное напряжение от электросети. Выпрямляется оно диодным мостом Br1 (1A). Элементы R3 (100k), D1 (1N4007) и C1 (100uF),а также стабилитрон D2 (любой на 12 В) образуют простой блок питания для транзистора T2 (BC547) и оптотранзистора (CNY17). Резисторы R1 (100k) и R2 (100k) задают нужный потенциал базы транзистора Т1 (BC547).

Основную часть времени T1 открыт и запирает транзистор T2, светодиод оптрона не горит. Когда напряжение в сети падает ниже 1.2 В — транзистор Т1 будет закрыт, а T2 благодаря делителю на R4 (10k) и R5 (10k) откроется и загорится светодиод в оптроне. Такое состояние сохраняется до тех пор, пока напряжение в сети не превысит 1.2 В. Резистор R6 (1.2 k) ограничивает ток протекающий через оптопару. В результате на выходе схемы, то есть разъеме uC, будет появляться импульс при каждом переходе напряжения сети через ноль.

2shemi.ru

Операционный усилитель | Электроника для всех

Что то часто мне стали задавать вопросы по аналоговой электронике. Никак сессия студентов за яцы взяла? 😉 Ладно, давно пора двинуть небольшой ликбезик. В частности по работе операционных усилителей. Что это, с чем это едят и как это обсчитывать.

Что это
Операционный усилитель это усилок с двумя входами, невье… гхм… большим коэфициентом усиления сигнала и одним выходом. Т.е. у нас U_вых= K*U_вх а К в идеале равно бесконечности. На практике, конечно, там числа поскромней. Скажем 1000000. Но даже такие числа взрывают мозг при попытке их применить напрямую. Поэтому, как в детском саду, одна елочка, две, три, много елочек — у нас тут много усиления 😉 И баста.

А входа два. И один из них прямой, а другой инверсный.

Более того, входы высокоомные. Т.е. их входное сопротивление равно бесконечности в идеальном случае и ОЧЕНЬ много в реальном. Счет там идет на сотни МегаОм, а то и на гигаомы. Т.е. оно замеряет напряжение на входе, но на него влияет минимально. И можно считать, что ток в ОУ не течет.

Напряжение на выходе в таком случае обсчитывается как:

U_out=(U₂-U₁)*K

Очевидно, что если на прямом входе напряжение больше чем на инверсном, то на выходе плюс бесконечность. А в обратном случае будет минус бесконечность.

Разумеется в реальной схеме плюс и минус бесконечности не будет, а их замещать будет максимально высокое и максимально низкое напряжение питания усилителя. И у нас получится:

Компаратор
Устройство позволяющее сравнивать два аналоговых сигнала и выносить вердикт — какой из сигналов больше. Уже интересно. Применений ему можно придумать массу. Кстати, тот же компаратор встроен в большую часть микроконтроллеров и как им пользоваться я показывал на примере AVR в статьях про использование аналогового компаратора и про создание на его базе АЦП. Также компаратор замечательно используется для создания всяких ШИМ сигналов.

Но одним компаратором дело не ограничивается, ведь если ввести обратную связь, то из ОУ можно сделать очень многое.

Обратная связь
Если мы сигнал возьмем со выхода и отправим прямиком на вход, то возникнет обратная связь.

Положительная обратная связь
Возьмем и загоним в прямой вход сигнал сразу с выхода.

Что получим? А ничего интересного, процесс пойдет по следующей цепочке событий.

U_out = (0 — U₁)*К = — К*U₁
U_out’ = (-K*U₁ — U₁)*K₁ …

В общем, выход мгновенно свалится в бесконечные минуса, а в реале ляжет на шину отрицательного питания и усе. Поэтому такое включение применяется крайне редко. Например в триггере Шмитта для обеспечения гистерезиса.

Триггер Шмитта
Представим себе компаратор включенный по такой вот схеме и запитанный от +/- 15 вольт:

• Напряжение U1 больше нуля — на выходе -15 вольт
• Напряжение U1 меньше нуля — на выходе +15 вольт

А что будет если напряжение будет равно нулю? По идее на выходе должен быть ноль. Но в реальности напряжение НИКОГДА не будет равно нулю. Ведь даже если на один электрон заряд правого перевесит заряд левого, то уже этого достаточно, чтобы на бесконечном усилении вкатить потенциал на выход. И на выходе начнется форменный ад — скачки сигнала то туда, то сюда со скоростью случайных возмущений, наводящихся на входы компаратора.

Для решения этой проблемы вводят гистерезис. Т.е. своего рода зазор между переключениями из одного состояния в другое. Для этого вводят положительную обратную связь, вот так:

Считаем, что на инверсном входе в этот момент +10 вольт. На выходе с ОУ минус 15 вольт. На прямом входе уже не ноль, а небольшая часть выходного напряжения с делителя. Примерно -1.4 вольта Теперь, пока напряжение на инверсном входе не снизится ниже -1.4 вольта выход ОУ не сменит своего напряжения. А как только напряжение станет ниже -1.4, то выход ОУ резко перебросится в +15 и на прямом входе будет уже смещение в +1.4 вольта.

И для того, чтобы сменить напряжение на выходе компаратора сигналу U1 надо будет увеличиться на целых 2.8 вольта, чтобы добраться до верхней планки в +1.4.

Возникает своеобразный зазор где нет чувствительности, между 1.4 и -1.4 вольтами. Ширина зазора регулируется соотношениями резисторов в R1 и R2. Пороговое напряжение высчитывается как Uout/(R1+R2) * R1 Скажем 1 к 100 даст уже +/-0.14 вольт.

Но все же ОУ чаще используют в режиме с отрицательной обратной связью.

Отрицательная обратная связь
Окей, воткнем по другому:

В случае отрицательной обратной связи у ОУ появляется интересное свойство. Он всегда будет пытаться так подогнать свое выходное напряжение, чтобы напряжения на входах были равны, в результате давая нулевую разность.
Пока я в великой книге от товарищей Хоровица и Хилла это не прочитал никак не мог вьехать в работу ОУ. А оказалось все просто.

Повторитель
И получился у нас повторитель. Т.е. на входе U₁, на инверсном входе U_out = U₁. Ну и получается, что U_out = U₁.

Спрашивается нафига нам такое счастье? Можно же было напрямую кинуть провод и не нужен будет никакой ОУ!

Можно, но далеко не всегда. Представим себе такую ситуацию, есть датчик выполненный в виде резистивного делителя:

Нижнее сопротивление меняет свое значение, меняется расклад напряжений выхода с делителя. А нам надо снять с него показания вольтметром. Но у вольтметра есть свое внутреннее сопротивление, пусть большое, но оно будет менять показания с датчика. Более того, если мы не хотим вольтметр, а хотим чтобы лампочка меняла яркость? Лампочку то сюда никак не подключить уже! Поэтому выход буфферизируем операционным усилителем. Его то входное сопротивление огромно и влиять он будет минимально, а выход может обеспечить вполне ощутимый ток (десятки миллиампер, а то и сотни), чего вполне хватит для работы лампочки.
В общем, применений для повторителя найти можно. Особенно в прецезионных аналоговых схемах. Или там где схемотехника одного каскада может влиять на работу другого, чтобы разделить их.

Усилитель
А теперь сделаем финт ушами — возьмем нашу обратную связь и через делитель напряжения подсадим на землю:

Теперь на инверсный вход подается половина выходного напряжения. А усилителю то по прежнему надо уравнять напряжения на своих входах. Что ему придется сделать? Правильно — поднять напряжение на своем выходе вдвое выше прежнего, чтобы компенсировать возникший делитель.

Теперь будет U₁ на прямом. На инверсном U_out/2 = U₁ или U_out = 2*U₁.

Поставим делитель с другим соотношением — ситуация изменится в том же ключе. Чтобы тебе не вертеть в уме формулу делителя напряжения я ее сразу и дам:

U_out = U₁*(1+R₁/R₂)

Мнемонически запоминается что на что делится очень просто:

Таким образом, можно очень легко умножать аналоговые значения на числа больше 1. А как быть с числами меньше единицы?

Инвертирующий усилитель
Тут поможет только инверсный усилитель. Разница лишь в том, что мы берем и прямой вход коротим на землю.

При этом получается, что входной сигнал идет по цепи резисторов R₂, R₁ в U_out. При этом прямой вход усилителя засажен на нуль. Вспоминаем повадки ОУ — он постарается любыми правдами и неправдами сделать так, чтобы на его инверсном входе образовалось напряжение равное прямому входу. Т.е. нуль. Единственный вариант это сделать — опустить выходное напряжение ниже нуля настолько, чтобы в точке 1 возник нуль.

Итак. Представим, что U_out=0. Пока равно нулю. А напряжение на входе, например, 10 вольт относительно U_out. Делитель из R₁ и R₂ поделит его пополам. Таким образом, в точке 1 пять вольт.

Пять вольт не равно нулю и ОУ опускает свой выход до тех пор, пока в точке 1 не будет нуля. Для этого на выходе должно стать (-10) вольт. При этом относительно входа разность будет 20 вольт, а делитель обеспечит нам ровно 0 в точке 1. Получили инвертор.

Но можно же и другие резисторы подобрать, чтобы наш делитель выдавал другие коэффициенты!
В общем, формула коэффициента усиления для такого усилка будет следующей:

U_out = — U_in * R₁/R₂

Ну и мнемоническая картинка для быстрого запоминания ху из ху.

Вычитающая схема
Однако никто же не мешает подать на прямой вход не ноль, а любое другое напряжение. И тогда усилитель будет пытаться приравнять свой инверсный вход уже к нему. Получается вычитающая схема:

Допустим U₂ и U₁ будет по 10 вольт. Тогда на 2й точке будет 5 вольт. А выход должен будет стать таким, чтобы на 1й точке стало тоже 5 вольт. То есть нулем. Вот и получается, что 10 вольт минус 10 вольт равняется нуль. Все верно 🙂

Если U₁ станет 20 вольт, то выход должен будет опуститься до -10 вольт.
Сами посчитайте — разница между U₁ и U_out станет 30 вольт. Ток через резистор R4 будет при этом (U₁-U_out)/(R₃+R₄) = 30/20000 = 0.0015А, а падение напряжения на резисторе R₄ составит R₄*I₄ = 10000*0.0015 = 15 вольт. Вычтем падение в 15 вольт из входных 20 и получим 5 вольт.

Таким образом, наш ОУ прорешал арифметическую задачку из 10 вычел 20, получив -10 вольт.

Более того, в задачке есть коэффициенты, определяемые резисторами. Просто у меня, для простоты, резисторы выбраны одинакового номинала и поэтому все коэффициенты равны единице. А на самом деле, если взять произвольные резисторы, то зависимость выхода от входа будет такой:

U_out = U₂*K₂ — U₁*K₁

K₂ = ((R₃+R₄) * R₆ ) / (R₆+R₅)*R₄
K₁ = R₃/R₄

Мнемотехника для запоминания формулы расчета коэффициентов такова:
Прям по схеме. Числитель у дроби вверху поэтому складываем верхние резисторы в цепи протекания тока и множим на нижний. Знаменатель внизу, поэтому складываем нижние резисторы и множим на верхний.

Если же вводные резисторы (R₄ и R₅) равны друг другу. И резистор обратной связи и резистор на землю (R₃ и R₆) тоже равны друг другу. То формула упрощается до

U_out = R₃/R₄ (U₂ — U₁).

Таким образом, на одном усилке можно два сигнала сначала вычесть, а потом умножить на константу. Этим, кстати, я воспользовался в схеме реобаса, чтобы привести милливольтный сигнал с датчика температуры к вменяемому виду.

Раз можно вычитать, то можно и суммировать

Сумматор инвертирующий

Тут все просто. Т.к. точка 1 у нас постоянно приводится к 0, то можно считать, что втекающие в нее токи всегда равны U/R, а входящие в узел номер 1 токи суммируются. Соотношение входного резистора и резистора в обратной связи определяет вес входящего тока.

Ветвей может быть сколько угодно, я же нарисовал всего две.

U_out = -1(R₃*U₁/R₁ + R₃*U₂/R₂)

Резисторы на входе (R₁, R₂) определяют величину тока, а значит общий вес входящего сигнала. Если сделать все резисторы равными, как у меня, то вес будет одинаковым, а коэффициент умножения каждого слагаемого будет равен 1. И U_out = -1(U₁+U₂)

Сумматор неинвертирующий
Тут все чуток посложней, но похоже.

Uout = U₁*K₁ + U₂*K₂

K₁ = R₅/R₁
K₂ = R₅/R₂

Причем резисторы в обратной связи должны быть такими, чтобы соблюдалось уравнение R₃/R₄ = K₁+K₂

В общем, на операционных усилителях можно творить любую математку, складывать, умножать, делить, считать производные и интегралы. Причем практически мгновенно. На ОУ делают аналоговые вычислительные машины. Одну такую я даже видел на пятом этаже ЮУрГУ — дура размером в пол комнаты. Несколько металлических шкафов. Программа набирается соединением разных блоков проводочками 🙂

Продолжение следует, когда-нибудь 🙂

easyelectronics.ru

Метод измерения действующего значения напряжения с применением МК / Habr

    В данном посте речь пойдет об одном из вариантов измерения действующего значения напряжения и частоты сети на 8-ми битном микроконтроллере PIC18. При желании, можно метод перенести на любой другой МК, вплоть до всеми любимых ARDUINO (если они поддерживают реализацию прерываний по таймеру с частотой 5-10 кГц).
    Также, рассматриваемый метод позволяет измерять частоту сетевого напряжения без использования внешних дополнительных средств, таких как компараторы. Но, при этом приходится жертвовать либо временными ресурсами МК, либо точностью измерения частоты.
    Почему важно измерять действующее значение, а не какое либо другое, например, средневыпрямленное? Большинство “китайских” электронных вольтметров измеряют сетевое напряжение по средневыпрямленному значению. Методика измерения следующая: за период сетевого напряжения делается выборка из N значений амплитуды напряжения, результаты суммируются (без знака), делятся на N (усредняются), после чего полученный результат умножается на коэффициент

    Указанный коэффициент определяет зависимость действующего значения синусоидального (!) сигнала от средневыпрямленного.
    Такая методика измерения проста, не требует много ресурсов микроконтроллера (как временных, так и ресурсов памяти). Основным недостатком такой методики измерения является большая ошибка измерения на несинусоидальных сигналах.
    Как все знают, изменение сигнала сетевого напряжения подчиняется синусоидальному закону (вследствие применения синхронных генераторов на электростанции), с частотой изменения сигнала 50 Гц (60 Гц). Однако, на практике вследствие влияния сторонних факторов (в основном подключение к сети мощных нелинейных нагрузок), а также применения инверторов с квазисинусоидальным выходным напряжением (см. рисунок), синусоида напряжения либо значительно искажается, либо заменятся прямоугольными импульсами. В таких случаях указанный выше метод измерения даст очень большую погрешность (например, в квазисинусоидальных инверторах выходное напряжение, измеренное “китайским» вольтметром может быть равно 180-200В, в то время как действующее напряжение будет равно 220В ).

    Например, напряжение у меня дома

    Почему важно измерять именно действующее значение напряжения (тока)? Потому что именно действующие (еще называют его эффективными) значения напряжения и тока определяют работу электрической системы (грубо говоря, электронагреватель выделяет тепло в прямой зависимости от действующих значений напряжения и тока сети).
    Действующее значение измеряемой периодической величины рассчитывается по формуле

    Или после дискретизации получим

    Т.е. нам нужно делать выборку ряда значений за период сетевого напряжения, просуммировать значения квадратов точек выборки, поделить на количество точек за период (при определении количества точек выборки не забываем про теорему Котельникова-Шеннона), и взять квадратный корень из полученного результата.
    Вроде бы ничего сложного, если бы не но:
      1)  Каждый период точки выборки набираются заново, что увеличивает погрешность измерения;
      2)  В реальной сети, около нуля напряжения, могут встречаться как “нулевые полки”, так и повторные переходы через ноль напряжения, что значительно внесет погрешность в измерение.
    С первым пунктом будем бороться измерением измерением суммы квадратов точек выборки за каждый полупериод, после чего суммируя n-ую сумму квадратов с (n+1)-й и откидывая (n-1)-ую.
    Со вторым пунктом будем бороться введением зон нечувствительности по напряжению (введем границы напряжения перехода через ноль с положительной и отрицательной сторон) обычно 5-10 В в обе стороны, а также зон нечувствительности по частоте (ограничим допустимую частоту сигнала напряжения).

    Таким образом, мы получим рассчитанное значение действующего значения сетевого напряжения за период на каждом полупериоде сетевого напряжения.

    Частота напряжения вычисляется по формуле:

где Fд — частота дискретизации (для удобства и увеличения точности измерения частоты выбрана равной 10 кГц (период выборки — 100 мкс)).
    Теперь рассмотрим структурную схему измерительной части (в реальной схеме следует добавить фильтрующие и защитные элементы).

Внимание! В данном методе измерения не реализована гальваническая развязка микроконтроллера от сети.     Гальваноразвязка реализуется на стороне цифрового интерфейса передачи данных от микроконтроллера.
    На входе установлен дифференциальный операционный усилитель с делителем напряжения, опертым на половину опорного напряжения (2,048 В). Поскольку, для уменьшения размеров лучше применять маломощные резисторы, устанавливаем их минимум 3 шт. равными по сопротивлению — чтобы увеличить суммарное пробивное напряжения резисторов. При этом нужно подсчитать мощность потерь при максимальном входном напряжении (P=U^2/R) — чтобы не превышала допустимой мощности резисторов. Плечи дифференциального усилителя тоже делаем равными. Тогда, напряжение в точке 1 рассчитывается по формуле:

А напряжение в точке 1 будет иметь вид:

    Также, половина опорного напряжения подается на один из каналов АЦП. Это позволяет в постоянном режиме (например, один раз за период) определять положение уровня нуля измеряемого напряжения.
Т.е. мы обошлись операционным усилителем с однополярным питанием, и наш входной сигнал в точке 1 изменяется от 0 до Uоп. Такой способ дает достаточно точные результаты, по сравнению, например, с выпрямлением напряжения с помощью диодов.
    Расчет делителя и коэффициента АЦП сводится к следующему:

где A и В — замеры АЦП (за вычетом измеренного значения нуля сигнала — AN1) для текущего и предыдущего полупериодов; N1, N2 — число замеров для текущего и предыдущего полупериодов; Nadс — разрядность АЦП; U’оп — опорное напряжение за вычетом зон нелинейности (нечувствительности) операционного усилителя (обычно 0,6 В).
    Расчет делителя удобно проводить считая сигнал постоянным, приведенным к амплитуде синусоидального, а не синусоидальным. Тогда действующее значение сигнала равно амплитудному и равно значению каждого замера.
Например, нужно рассчитать делитель для измерения максимального значения 420В переменного тока:

Сопротивление Ra выбирается в диапазоне от 500 кОм до 1500 кОм. По выбранному сопротивлению Ra рассчитывается Rb.
    В итоге, алгоритм расчета действующего значения напряжения и частоты примет вид:

При этом часть затратных расчетов (деление, извлечение корня) можно перенести из прерывания в основную программу.

    При расчете действующих значений на 8-ми битном МК целесообразно пользоваться целочисленными методами (с использованием масштабных коэффициентов) не прибегая к расчетам с плавающей запятой, а также упрощать по возможности арифметические операции (деление, изъятие квадратного корня и проч.). Это значительно экономит ресурсы МК.

habr.com

Операционный усилитель, принцип работы для чайников!

Приветствую вас дорогие друзья! Вот наконец добрался я  до своего компьютера,  приготовил себе чайку с печеньками  и понеслась…

Для тех кто впервые на моем блоге и не совсем понимает что здесь происходит спешу напомнить, меня зовут Владимир Васильев и на этих страницах я делюсь со своими читателями сакральными знаниями из области электроники и не только электроники. Так что может быть и вы здесь найдете  для себя что-то полезное, по крайней мере я на это надеюсь.  Обязательно подпишитесь, тогда вы ничего не пропустите.

А сегодня речь пойдет о таком электронном устройстве как операционный усилитель.  Эти усилители   применяются повсеместно, везде где требуется усилить сигнал по мощности найдется работенка для операционника.

Особенно распространено применение  операционных усилителей в аудиотехнике. Каждый аудиофилл стремится усилить звучание своих музыкальных колонок и поэтому старается прикрутить усилитель по мощнее. Вот здесь мы и сталкиваемся с операционными усилителями,  ведь многие аудиосистемы просто нашпигованы ими.  Благодаря  свойству операционного усилителя усиливать сигнал по мощности мы ощущаем более мощное давление на свои барабанные перепонки когда слушаем композиции на своих аудио колонках. Вот так вот в быту мы оцениваем  качество работы операционного усилителя  на слух.

В  этой статье на слух мы оценивать ничего не будем но постараемся рассмотреть все детально и  разложим все по полочкам чтобы стало понятно даже самому самоварному чайнику .

---

[contents]

---

Что такое операционный усилитель ?

Операционные усилители представляют собой микросхемы которые могут выглядеть по-разному.

Например на этой картинке изображены два операционных усилителя российского производства. Слева операционный усилитель К544УД2АР в  пластмассовом DIP корпусе а справа изображен операционник в металлическом  корпусе.

По началу, до знакомства с операционниками,     микросхемы в таких металлических корпусах я постоянно путал с транзисторами.  Думал что это такие хитромудрые  многоэмиттерные транзисторы 🙂

Условное графическое обозначение (УГО)

Условное обозначение операционного усилителя выглядит следующим образом.

Итак  операционный усилитель (ОУ) имеет два входа и один выход. Также имеются выводы для подключения питания но на условных графических обозначениях их обычно не указывают.

Для такого усилителя есть два правила которые помогут понять принцип работы:

 

1. Выход операционника стремится к тому, чтобы разность напряжений на его входах была равна нулю
2. Входы операционного усилителя ток не потребляют

Вход 1  обозначается знаком «+»  и называется неинвертирующим а вход 2 обозначается как «-» и является инвертирующим.

Входы операционника обладают высоким входным сопротивлением или иначе говорят высоким импедансом.

Это говорит о том, что  входы операционного усилителя ток почти не потребляют (буквально какие-то наноамперы). Усилитель просто оценивает величину напряжений на входах и в зависимости от этого выдает сигнал на выходе усиливая его.

Коэффициент усиления операционного усилителя имеет просто огромное значение,  может достигать миллиона, а это очень большое значение!  Значит это то, что если мы ко входу приложим небольшое напряжение, хотябы 1 мВ, то на выходе  получим сразу максимум,  напряжение почти равное напряжению источника питания ОУ. Из-за этого свойства операционники практически никогда не используют без обратной связи (ОС). Действительно какой смысл во входном сигнале если на выходе мы всегда получим максимальное напряжение, но об этом поговорим чуть позже.

Входы ОУ работают так, что если величина на неинвертирующем входе окажется больше чем на инвертирующем, то на выходе будет  максимальное положительное значение +15В. Если на инвертирующем входе величина напряжения  окажется более положительной то  на выходе будем наблюдать максимум отрицательной величины, где-то -15В.

Действительно операционный усилитель может выдавать значения напряжений как положительной так и отрицательной полярности. У новичка может возникнуть вопрос о том как же такое возможно? Но такое действительно возможно и это связано с применением источника питания с расщепленным  напряжением, так называемым двуполярным питанием. Давайте рассмотрим питание операционника чуток подробнее.

Правильное питание ОУ

Наверное не будет секретом, что для того, чтобы операционник работал, его нужно запитать, т.е. подключить его к источнику питания. Но есть интересный момент, как мы убедились чуток ранее операционный усилитель может выдавать на выход напряжения как положительной так и отрицательной полярности. Как такое может быть?

А такое быть может! Это связано с применением двуполярного источника питания, конечно возможно использование и однополярного источника но в этом случае возможности операционного усилителя будут ограничены.

Вообще в работе с источниками питания многое зависит от того что мы взяли за точку отсчета т.е. за 0 (ноль). Давайте с этим разберемся.

Пример на батарейках

 Обычно примеры проще всего приводить на пальцах но  в электронике думаю подойдут и пальчиковые батарейки 🙂

Допустим у нас есть обычная пальчиковая батарейка (батарейка типа АА). У нее есть два полюса плюсовой и минусовой. Когда минусовой полюс мы принимаем за ноль, считаем нулевой точкой отсчета то соответственно плюсовой полюс батарейки будет у нас показывать + 5В (значение с плюсом).

Это мы можем увидеть с помощью мультиметра (кстати статья про мультиметры в помощь), достаточно подключить   минусовой черный щуп к минусу батарейки а красный щуп к плюсу и вуаля. Здесь все просто и логично.

Теперь немножко усложним задачу и возьмем точно такую же вторую батарейку. Подключим батарейки последовательно и  рассмотрим как меняются показания измерительных приборов (мультиметров или вольтметров) в зависимости от различных точек приложения щупов.

Если мы за ноль приняли минусовой полюс крайней батарейки  а измеряющий щуп подключим к плюсу батарейки то  мультиметр нам покажет значение в +10 В.

Если за точку отсчета будет принят положительный полюс батарейки а измеряющий щуп был подключен к минусу то любой вольтметр нам покажет -10 В.

Но если за точку отсчета будет принята точка между двумя батарейками то в результате мы сможем плучить простой источник двуполярного питания. И вы можете в этом убедиться, мультиметр нам подтвердит что так оно и есть. У нас в наличии   будет напряжение как положительной полярности +5В так и  напряжение отрицательной полярности -5В.

Схемы источников двуполярного питания

Примеры на батарейках я привел для примера, чтобы было более понятно. Теперь давайте рассмотрим несколько примеров  простых схем источников расщепленного питания которые можно применять в своих радиолюбительских конструкциях.

Схема с трансформатором,  с отводом от «средней» точки

И первая схема источника питания для ОУ перед вами. Она достаточно простая но я немножко поясню принцип ее работы.

Схема питается от привычной нам домашней  сети  поэтому нет ничего удивительного что на первичную обмотку трансформатора приходит переменный ток в 220В. Затем трансформатор преобразует переменный ток 220В в такой же переменный но уже в 30В. Вот такую  вот нам захотелось произвести трансформацию.

Да на вторичной обмотке будет переменное напряжение в 30В но обратите внимание на отвод от средней точки вторичной обмотки. На вторичной обмотке сделано ответвление, причем количество витков до этого ответвления равно числу витков после ответвления.

Благодаря этому ответвлению мы можем получить на выходе вторичной обмотки переменное напряжение как в 30 В так и переменку в 15В. Это знание мы берем на вооружение.

Далее нам нужно переменку выпрямить и превратить в постоянку поэтому диодный мост нам в помощь. Диодный мост с этой задачей справился и на выходе мы получили не очень стабильную постоянку в 30В. Это напряжение будет нам показывать мультиметр если  мы подключим шупы к выходу диодного моста, но нам нужно помнить про ответвление на вторичной обмотке.

Это ответвление мы ведем далее и подключаем между электролитическими конденсаторами и затем между следующией парой высокочастотных кондерчиков. Чего мы этим добились?

Мы добились нулевой точки отсчета между полюсами потенциалов положительной и отрицательной полярности. В результате на выходе мы имеем достаточно стабильное  напряжение как +15В так и -15В. Эту схему конечно можно еще более улучшить если добавить стабилитроны или интегральные стабилизаторы но тем не менее приведенная схема уже вполне может справиться с задачей питания операционных усилителей.

Схема с двумя диодными мостами

Эта схема на мой взгляд проще, проще в том ключе, что нет необходимости искать трансформатор с ответвлением от середины или формировать вторичную обмотку самостоятельно. Но здесь придется раскошелиться на второй диодный мост.

Диодные мосты включены так, что положительный потенциал формируется с катодов диодиков первого моста, а отрицательный потенциал выходит с анодов диодов второго моста.  Здесь нулевая точка отсчета выводится между  двумя мостами. Упомяну также, что здесь используются разделительные конденсаторы, они оберегают один диодный мост от воздействий со стороны второго.

Эта схема также легко подвергается различным улучшениям, но самое главное она решает основную задачу — с помощью нее можно запитать операционный усилитель.

Обратная связь ОУ

Как я уже упоминал операционные усилители почти всегда используют с обратной связью (ОС). Но что представляет собой обратная связь и для чего она нужна? Попробуем с этим разобраться.

С обратной связью мы сталкиваемся постоянно: когда хотим налить в кружку чая или даже сходить в туалет по малой нужде 🙂 Когда человек управляет автомобилем или велосипедом то здесь также работает обратная связь. Ведь для того, чтобы ехать легко и непринужденно  мы вынуждены постоянно контролировать управление в зависимости от различных факторов: ситуации на дороге, технического состояния средства передвижения и так далее.

Если на дороге стало скользко ? Ага мы среагировали, сделали коррекцию и дальше двигаемся более осторожно.

В операционном усилителе все происходит подобным образом.

Без обратной связи при подаче на вход определенного сигнала на выходе мы всегда получим одно и тоже значение напряжения. Оно будет близко напряжению питания (так как коэффициент усиления очень большой). Мы не контролируем выходной сигнал. Но если часть сигнала с выхода мы отправим обратно на вход то что это даст?

Мы сможем контролировать выходное напряжение. Это управление будет на столько эффективным, что можно просто забыть про коэффициент усиления, операционник  станет послушным и предсказуемым потому что его поведение будет зависеть лишь от обратной связи. Далее я расскажу как можно эффективно управлять выходным сигналом  и как его контролировать, но для этого нам нужно знать некоторые детали.

Положительная обратная связь,  отрицательная обратная связь

Да, в  операционных усилителях применяют обратную связь и очень широко. Но обратная связь   может быть как положительной так и отрицательной. Надо бы разобраться в чем суть.

Положительная обратная связь это когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход причем она (часть выходного) суммируется с входным.

Положительная обратная связь в операционниках применяется не так широко как отрицательная. Более того положительная обратная связь чаще бывает нежелательным побочным явлением некоторых схем и положительной связи стараются избегать.  Она является нежелательной потому, что эта связь может усиливать искажения в схеме и в итоге привести к нестабильности.

С другой стороны положительная обратная связь не уменьшает коэффициент усиления операционного усилителя что бывает полезно. А нестабильность также находит свое применение в компараторах, которые  используют в АЦП (Аналого-цифровых преобразователях).

Отрицательная обратная связь это такая связь когда часть выходного сигнала поступает обратно на вход но при этом она вычитается из входного

А вот отрицательная обратная связь просто создана для операционных усилителей. Несмотря на то, что она способствует некоторому ослаблению коэффициента усиления, она приносит в схему стабильность и управляемость.  В результате схема становится независимой от коэффициента усиления, ее свойства полностью управляются отрицательной обратной связью.

При использовании отрицательной обратной связи операционный усилитель приобретает одно очень полезное свойство. Операционник контролирует состояния своих входов и стремится к тому, потенциалы на его входах были равны. ОУ подстраивает свое выходное напряжение так, чтобы результирующий входной потенциал (разность Вх.1 и Вх.2) был нулевым.

Подавляющая часть схем на операционниках строится с применением отрицательной обратной связи! Так что для того чтобы разобраться как работает отрицательная связь нам нужно рассмотреть схемы включения ОУ.

Схемы включения операционных усилителей

Схемы включения операционных усилителей могут быть весьма разнообразны поэтому мне врятля удастся  рассказать о каждой но  я постараюсь рассмотреть основные.

Компаратор на ОУ

Формулы для  компараторной схемы будут следующие:

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логической единице.

Т.е. в результате будет напряжение соответствующее логическому нулю.

Схема компаратора обладает высоким входным сопротивлением (импедансом) и низким выходным.

Рассмотрим для начала вот такую схему включения  операционника  в режиме компаратора.  Эта схема включения лишена обратной связи.  Такие схемы применяются в цифровой схемотехнике когда нужно оценить сигналы на входе, выяснить какой больше  и выдать результат в цифровой форме. В итоге на выходе будет логическая 1 или логический ноль (к примеру 5В это 1 а 0В это ноль).

Допустим  напряжение стабилизации стабилитрона  5В,  на вход один мы приложили 3В а к входу 2 мы приложили 1В. Далее в компараторе происходит следующее, напряжение на прямом входе 1  используется как есть (просто потому что это неинвертирующий вход) а напряжение на инверсном входе 2 инвертируется. В результате где было 3В так и остается 3В а где был 1В будет -1В.

В результате 3В-1В =2В, но благодаря коэффициенту усиления операционника на выход пойдет напряжение равное напряжению источника питания, т.е. порядка 15В. Но стабилитрон отработает и на выход пойдет 5В что соответствует логической единице.

Теперь представили, что на вход 2 мы кинули 3В а на вход 1 приложили 1В. Операционник все это прожует, прямой вход оставит без изменений, а инверсный (инвертирующий)  изменит на противоположный  из 3В сделает -3В.

В результате 1В-3В=-2В, но согласно логике работы на выход пойдет минус источника питания т.е. -15В. Но у нас стоит стабилитрон и он это не пропустит и на выходе у нас будет величина близкая нулю. Это и будет логический ноль для цифровой схемы.

Триггер Шмитта на ОУ

Чуть ранее мы рассматривали такую схему включения ОУ как компаратор. В компараторе сравниваются два напряжения на входе и выдается результат на выходе. Но чтобы сравнивать входное напряжение с нулем нужно воспользоваться схемой представленной чуть выше.

Здесь сигнал подается на инвертирующий вход а прямой вход посажен на землю, на ноль.

Если на входе у нас напряжение больше нуля то на выходе будем иметь  -15В. Если напряжение меньше нуля то на выходе будет+15В.

Но что случится если мы захотим подать напряжение равное нулю? Такое напряжение никогда не получится сделать, ведь идеального нуля не бывает и сигнал на входе хоть на доли микровольт но обязательно будет меняться в ту или другую сторону.  В результате на выходе будут полный хаос, выходное напряжение будет многократно скакать  максимума до минимума что на практике совершенно не удобно.

Для избавления от подобного хаоса вводит гистерезист — это некий зазор в пределах которого сигнал на выходе не будет меняться.

Этот зазор позволяет реализовать данная схема посредством положительной обратной связи.

Представим, что на вход мы подали 5В , на выходе в первое мгновение получится сигнал напряжением в -15В. Далее начинает отрабатывать положительная обратная связь.  Обратная связь образует делитель напряжения в результате чего на прямом входе операционника появится напряжение -1,36В.

На инверсном входе у нас сигнал более положительный поэтому  операционный усилитель отработает следующим образом.  Внутри него сигнал в 5В инвертируется и становится -5В, далее два сигнала складываются и получается отрицательное значение. Отрицательное значение благодаря коэффициенту усиления станет -15В. Сигнал на выходе не изменится пока сигнал на входе не опустится менее -1,36В.

Пусть сигнал на входе изменился и стал -2В. В нутрях это -2В инвертируется и станет +2В, а -1,36В как был так и останется. Далее все это складывается и получается положительное значение которое на выходе превратится в +15В.  На прямом входе значение -1,36В благодаря обратной связи превратится в +1,36В. Теперь чтобы изменить значение на выходе на противоположное нужно подать сигнал более 1,36В.

Таким образом у нас появилась зона с нулевой чувствительностью с диапазоном от -1,36В до +1,36В. Такая зона нечувствительности носит название гистерезис.

Повторитель

Наиболее простой обладатель отрицательной обратной связи это повторитель.

Повторитель выдает на выходе то напряжение, которое было подано на его вход. Казалось бы для чего  это нужно ведь от этого ничего не меняется. Но в этом есть смысл, ведь вспомним свойство операционника, он обладает высоким входным сопротивлением и низким выходным. В схемах повторители выступают в роли буфера, который оберегает от перегрузок хилые выходы.

Чтобы понять как он работает отмотаете чуток назад, там где мы обсуждали отрицательную обратную связь. Там я упоминал, что в случае с отрицательной обратной связью операционник всеми возможными способами стремится к равному потенциалу по своим входам.  Для этого он подстраивает напряжение на своем выходе так, чтобы разность потенциалов на его входах равнялась нулю.

Так допустим на входе у нас 1В. Чтобы потенциалы на входах были раны на инвертирующем входе должен быть также 1В. На то  он и повторитель.

Неинвертирующий усилитель

Схема неинвертирующего усилителя очень похожа на схему повторителя, только здесь обратная связь представлена делителем напряжения и посажена на землю.

Посмотрим как все это работает. Допустим на вход подано 5В, резистор R1 = 10Ом, резистор R2 = 10Ом. Чтобы напряжение на входах были равны, операционник вынужден поднять напряжение на выходе так, чтобы потенциал на инверсном входе сравнялся с прямым. В данном случае делитель напряжения делит пополам, получается, что напряжение на выходе должно быть  в два раза больше напряжения на входе.

Вообще чтобы применять эту схему включения даже не нужно  ничего ворошить в голове, достаточно воспользоваться формулой, где достаточно узнать коэффициент К.

Инвертирующий усилитель

И сейчас мы рассмотрим работу такой схемы включения как инвертирующий усилитель.  Для инвертирующего усилителя  есть такие формулы:

Инвертирующий усилитель позволяет усиливать сигнал одновременно инвертируя (меняя знак ) его . Причем коэффициент усиления мы можем задать любой. Этот коэффициент усиления мы формируем посредством отрицательной обратной связи, которая представляет собой делитель напряжения.

Теперь попробуем его в работе, допустим на входе у нас сигнал в 1В, резистор R2 = 100Ом, резистор R1 = 10Ом. Сигнал со входа идет через R1, затем R2  и на выход.  Допустим сигнал на выходе невероятным образом стал 0В. Рассчитаем делитель напряжения.

1В/110=Х/100, отсюда Х = 0,91В

Получается что в точке А потенциал равен 0,91В,  но это противоречит правилу операционного усилителя. Ведь операционник стремится уравнять потенциалы на своих входах. Поэтому потенциал в точке А будет равен нулю и равен потенциалу в точке B.

Как сделать так чтобы на входе был 1В а в точке А  был 0В?

Для этого нужно уменьшать напряжение на выходе.  И в результате мы получаем

 

К сожалению инвертирующий усилитель обладает одним явным недостатком — низким входным сопротивлением, которое равняется резистору R1.

Сумматор инвертирующий

 

А эта схема включения позволяет складывать множество входных напряжений. Причем напряжения могут быть как положительными так и отрицательными. По истине на операционниках можно строить аналоговые компьютеры. Так чтож давайте разбираться.

Основой сумматора служит все тот же инвертирующий усилитель только с одним отличием, вместо одного входа он может иметь этих входов сколько угодно. Вспомним формулку и инвертирующего усилка.Потенциал точки Х будет равен нулю поэтому сумма токов входящих с каждого входа будет выглядеть вот так:Если нашей целью является чистое сложение входных напряжений то все резисторы в этой схеме выбираются одного номинала.  Это приводит также что коэффициент усиления для каждого входа будет равен 1. Тогда формула для инвертирующего усилителя принимает вид: 

Ну чтож, я думаю что с работой сумматора и других схем включения на операционниках разобраться не трудно. Достаточно немножко попрактиковаться и попробовать собрать эти схемы и посмотреть что происходит с входными и выходными сигналами.

А я на этом пожалуй остановлюсь ведь в работе с операционными усилителями применяются очень много различных схем включения, это различные преобразователи ток-напряжение,  сумматоры, интеграторы и логарифмирующие усилители и все их рассматривать можно очень долго.

Если вас заинтересовали другие схемы включения и хотите с ними разобраться то советую полистать книжку П.Хоровица и У.Хилла,  все обязательно встанет на свои места.

А на этом я буду завершать, тем более статья получилась достаточно объемной и  после написания ее нужно чутка подшлифовать и навести марафет.

Друзья, не забывайте подписываться на обновления блога, ведь чем больше читателей подписано на обновления тем больше я понимаю что  делаю что-то важное и полезное и это чертовски мотивирует на новые статьи и материалы.

Кстати друзья, у меня возникла одна классная идея и мне очень важно слышать ваше мнение. Я подумываю выпустить обучающий материал   по операционным усилителям, этот материал будет в виде обычной pdf книжки или видеокурса, еще не решил. Мне кажется что несмотря на большое обилие информации в интернете и в литературе все=таки не хватает наглядной практической информации, такой, которую сможет понять каждый.

Так вот, напишите пожалуйста в комментариях какую информацию вы хотели бы видеть в этом обучающем материале чтобы я мог выдавать не просто полезную информацию а информацию которая действительно востребована.

А на этом у меня все, поэтому я желаю вам удачи, успехов и прекрасного настроения, даже не смотря на то что за окном зима!

С н/п Владимир Васильев.

P.S. Друзья, обязательно подписывайтесь на обновления! Подписавшись вы будете получать новые материалы себе прямо на почту! И кстати каждый подписавшийся получит полезный подарок!

popayaem.ru