Светодиод и операционный усилитель: как услышать свет

Содержание

Используем светодиод как фотосенсор, схема усилителя для фотодиода на ОУ.

У меня уже давно копошилась идейка опробовать светодиод в качестве фотосенсора – это ведь тот же полупроводниковый диод, в котором разработчиками приложены все усилия, чтобы максимум света от p-n перехода попадало наружу, а следовательно – и в обратном направлении. А тут товарищу срочно понадобилось отчитаться по продвижению проекта фурье-спектрометра. Ему там надо усиливать и оцифровывать сигнал с фотоприёмника. Конечно, у этих физиков всегда всё очень специальное: и фотосенсор у них там на особую длину волны, и облучателем – лазер. В качестве усилителя они желали иметь только самые наиточнейшие ОУ, да ещё и в схеме с автокалибровкой нуля. Но для первого “кукареку” товарищу сгодился бы самый простенький макет фотоприёмника – чтобы было что подать на вход АЦП. Вобщем это был для меня идеальный повод опробовать разные сочетания светодиодов в купе с классической схемой усиления тока фотодиода на недорогом операционном усилителе со входами на полевых транзисторах с p-n переходом.

Выбор ОУ

Знакомьтесь: TL072 от TI ( datasheet ). Этот ОУ долгое время был исключительно популярен, на ряду с NE5532/5534, среди строителей полупроводниковой аудио-аппаратуры. Для своего времени это была действительно передовая технология, сочетавшая низкое потребление, ничтожные входные токи и завидно низкий уровень шумов с относительно невысоким уровнем искажений. Скажу честно, меня ОУ в звуке как-то вообще не возбуждают, ну да мы сейчас не об этом. Сегодня на рынке доступны и более точные, и менее шумные, и существенно меньше искажающие микросхемы операционных усилителей. Но у всех у них есть один серьёзный недостаток по сравнению с TL072 – существенно бОльшая цена. А если внимательно рассмотреть заявленные параметры для дорогущих собратьев и сравнить с тем, на что способна легенда операционных усилителей TL072, то сразу встаёт вопрос: “а стоит ли переплачивать?”

Для сравнения возьмём пусть и не самый-самый современный, но уже весьма недешевый ОУ от тех же TI OPA129 ( datasheet ).

OPA129TL072
BIAS CURRENT:100fA max100pA max
OFFSET:2mV max3mV max
DRIFT:10µV/°C max18µV/°C max
NOISE:15nV/√Hz at 10kHz18 nV/√Hz at 1 kHz

Ну да, TL072 чуточку похуже будет. но зато он во много раз дешевле на сегодня! Выбор сделан. Вот, собственно, схема усилителя фототока:

Значение R будем подбирать в зависимости от условий. Фильтры по питанию здесь, возможно, не столь необходимы, но для точных измерений и/или шумных и слабых сигналов – всегда хороши.

Первый блин – красный-красный

Первым делом я взял два одинаковых красных светодиода на 1.7В, повышенной яркости. Поставил их нос к носу. Излучатель запитал от своего простенького тестового генератора прямоугольных сигналов. Ток через излучатель был порядка 15мА. Сигнал получился очень слабенький. Чтобы разглядеть что-либо дельное на осциллографе пришлось срочно заземлять основание макетки и скручивать сигнальные проводки.

Значение R было равно 4.7МОм, чтобы хоть что-нибудь можно было увидеть на выходе, что в результате гарантировало очень много шума и много наводок

Такое я не мог предложить ещё не слишком опытному в электронике товарищу в качестве материала для успешного доклада.

Сладкая парочка

Настоящее чудо случилось, когда я заменил красный излучающий светодиод на нестерпимо яркий зелёный на 3 вольта: размах сигнала увеличился в 100 раз! Такое уже было легко усиливать и нестыдно показывать.

Потом я опробовал ещё несколько различных комбинаций светодиод-излучатель / светодиод-фотоприёмник. ИК пары как-то не впечатлили – все варианты, что были у меня в наличии оказались много хуже зелёно-красной сладкой парочки. Белые и синие светодиоды в качестве излучателей тоже явно проигрывали зелёному в сочетании с любыми из имеющихся у меня кандидатов в фотоприёмники. Зато вот оранжевый светодиод на 1.7В повышенной яркости выдал аж втрое больший сигнал, будучи освеченным тем же зелёненьким, что и в первом успешном опыте. Вот как выглядел сигнал на экране осцила, R=91КОм:

Разгоняемся

Далее решено было прицениться к частотным свойствам данного устройства. Под нагрузкой мой генератор выдал чуть больше 80КГц.

Фронты уже заметно завалены. Видны выбросы перерегулирования от петли отрицательной обратной связи. Но всё ещё красивый сигнал, вполне годный для определённого круга приложений.

Рецепт успеха

Если Вам по какой-либо причине понадобилась опто-пара с открытым каналом, а готового фирменного устройства под рукой не оказалось – весьма рекомендую воспользоваться моим только что проверенным рецептом:

  • Яркий 3-х вольтовый зелёный светодиод в качестве излучателя
  • Простенький оранжевый на 1.7В светодиод в качестве фотоприёмника
  • TL071 или что-либо подобное для усилителя
  • Резистор в цепи обратной связи 1 МОм для начала, потом подбираем
  • Аккуратное экранирование и чистое питание

Будьте щедрыми!

Если Вам эта тема показалась интересной – буду рад комментариям, вопросам, советам.

Подумайте о своих друзьях: может, кому-нибудь из вашего круга в соц-сети эта статья поможет в написании курсовой или продвижении домашнего проекта по робото-строению? Поделитесь ссылкой прямо сейчас!

Светодиод и операционный усилитель: как услышать свет

Недавно на каком-то сайте (может даже на этом) я прочитал удивительную вещь: оказывается, светодиод можно использовать как фотодиод, если включить его в обратной полярности! Проверить было очень легко – мультиметр показывал, что сопротивление действительно падает, если на светодиод посветить. Что ж, прекрасно. С фотодиодами или фоторезисторами пока работать не доводилось – честно говоря, понятия не имею, какие покупать, но руки-то чешутся! Возникало море идей, от попытки “поймать” частоту мерцания ламп накаливания и проверить, заметно ли меньше мерцают галогенки, до передачи аудиосигнала, а то и цифровых данных, по лазерному каналу. Первое, кстати, я в тот же вечер реализовал на Ардуино, заодно попрактиковавшись строить графики сигналов в EasyPlot, а до последнего руки так и не дошли (пока). Зато есть нечто промежуточное: давно хотел попрактиковаться с операционными усилителями, и вообще с аналоговыми сигналами, и новый осциллограф потестить. Значит, будем “ловить” мерцание лампочек, и усиливать его.

После вечера-другого мучений, на свет родилась следующая схема:

Печатной платы, кстати, не будет – схема имеет исключительно образовательную ценность, до смешного проста, и так и просит о какой-нибудь доработке, полосовом фильтре, например. Поэтому собирать её рекомендую на макетной плате (которая по-английски называется breadboard). Экономит кучу времени, помимо прочего.

Выглядит это всё вот так:

Теперь о работе схемы. Напряжение с делителя 10МОм/светодиод (примерно 2В из 9) подаётся на операционный усилитель, включенный в качестве повторителя. При этом напряжение на выходе в точности равно напряжению на входе, но выходное сопротивление уже не десяток мегаом, а равно таковому у операционного усилителя (десятки – сотни Ом). Без этого номиналы всех остальных резисторов пришлось бы подбирать так, чтобы они не нарушали работу схемы, а теперь об этом можно не думать. Можно было бы и по-другому сделать, конечно, но речь не об этом.

Следующая стадия – уже усилитель, коэффициент усиления которого определяется величиной отрицательной обратной связи. R5 и R7 эту обратную связь и образуют. Только в отличие от классической схемы, рисуемой в учебниках,

Здесь R7 идёт не на землю, а на делитель напряжения на двух резисторах, выдающих примерно 4,5В. Таким образом выходной сигнал будет колебаться не около нуля (что приведёт к “обрезанию” всего, что ниже нуля. то есть примерно нижней половины колебаний – из-за того, что ОУ при однополярном включении не может выдавать отрицательного напряжения), а около половины напряжения питания. Такое же напряжение (постоянное) будет поддерживаться резистором R4 на неинвертирующем (“плюсовом”) входе. В итоге постоянное напряжение на обоих входах ОУ равно – это важно! Но на неинвертирующий вход подаётся сигнал, который и будет усиливаться, при номиналах указанных на рисунке – примерно в 60 раз. Теперь это уже можно посмотреть на любом осциллографе, или померять мультиметром амплитуду переменного напряжения. Но гораздо интереснее подключить сюда наушники или колонки. Через разделяющий конденсатор, конечно.

У схемы есть одно приятное свойство – номиналы здесь совершенно несущественны! Можно брать практически любые, какие есть, но поддерживая хотя бы примерно их соотношение между собой. Кстати, самое сложное (если это слово вообще здесь уместно) – подобрать подходящий светодиод. Они, как оказалось, отличаются по параметрам: красный сильно шумел, а ультрафиолетовый вообще отказывался реагировать на свет. Можно поэспериментировать, и с номиналами тоже.

Как должно быть видно на видео, в итоге можно услышать свет настольной лампы – это гул частотой 100Гц. ЭСЛ-ка “шумит” сильнее, чем галогенка из-за встроенного генератора высокой частоты. Но сильнее всего шумел китайский светодиодный фонарик, включенный в половинную мощность (есть у него такой режим). Эта самая половинная мощность реализуется с помощью ШИМ, простыми словами – за счёт мерцания с частотой порядка килогерца. Вот так, после того, как узнаешь – совершенно очевидно, а до этого сам бы не догадался, как это реализовано.

Читайте также:  Охранная система microalarm


Схемы включения операционных усилителей без обратной связи

Компараторы

Если использовать операционный усилитель без отрицательной обратной связи (ООС), то однозначно можно говорить о том, что получится компаратор. Для того, чтобы разобраться как же он работает, можно проделать несколько простых, но наглядных опытов. Для этого понадобится немного: собственно операционный усилитель, блок питания с напряжением 9…25В, несколько резисторов, пара светодиодов и вольтметр (цифровой мультиметр).

Из светодиодов и резисторов собирается простейший логический пробник, как показано на рисунке 1.

При подаче на вход пробника положительного напряжения (можно даже подать +U) светится красный светодиод, а если вход соединить с общим проводом, то зажжется зеленый. С помощью такого пробника состояние выхода испытываемого операционного усилителя становится наглядным и понятным.

В качестве подопытного «кролика» подойдет любой, не особо качественный и дорогой операционный усилитель, например КР140УД608(708) в пластмассовых корпусах либо К140УД6(7) в круглых металлических.

Рисунок 1. Схема простого логического пробника

Следует при этом отметить, что несмотря на разные корпуса, цоколевка этих микросхем одинакова и соответствует показанной на схемах ниже. Чаще случается, что цоколевка пластмассовых и металлических корпусов не совпадает, хотя по сути дела это одинаковые микросхемы. Сейчас большая часть операционных усилителей, особенно импортных, выпускаются в пластмассовых корпусах, и все работает хорошо и прекрасно, и никакой путаницы с цоколевками. А раньше такие «пластмассовые» микросхемы у специалистов презрительно назывались «ширпотребовскими».

Рисунок 2. Схема на операционном усилителе

Для первых опытов соберем схему, показанную на рисунке 2. Здесь сделано не так уж много: к однополярному источнику питания подключен собственно операционный усилитель и показанный на рисунке 1 логический пробник. Напряжение питания +U однополярное величиной 9…30В. Величина напряжения в наших опытах особого значения не имеет.

Вот тут может возникнуть вполне законный вопрос: «Почему же пробник логический, ведь операционный усилитель аналоговый элемент?». Да, но в данном случае операционный усилитель работает не в режиме усиления, а в режиме компаратора, и на выходе имеет всего два уровня. Напряжение близкое к 0В, называется логическим нулем, а напряжение близкое к +U логической единицей. В случае двухполярного питания логическому нулю соответствует напряжение близкое к –U.

При подаче напряжения питания один из светодиодов обязательно должен засветиться. На вопрос какой, красный или зеленый ответить нельзя, поскольку все зависит от параметров конкретного операционного усилителя и от внешних условий, например от сетевых наводок. Если взять несколько однотипных ОУ, то результаты будут самые различные.

Напряжение на выходе операционного усилителя контролируется вольтметром: если светится красный светодиод, то вольтметр покажет напряжение близкое к +U, а в случае свечения зеленого светодиода напряжение будет почти нулевое.

Теперь можно попробовать подать на входы какие-нибудь напряжения и посмотреть по индикаторам и вольтметру как будет вести себя операционный усилитель. Проще всего подать напряжения коснувшись одним пальцем по очереди каждого входа операционного усилителя, а другим одного из выводов питания. При этом должно измениться свечение пробника и показания вольтметра. Но этих изменений может и не произойти.

Все дело в том, что некоторые операционные усилители рассчитаны на то, что напряжение на входах находится в определенных пределах: несколько выше, чем напряжение на выводе 4 и несколько ниже, чем напряжение питания на выводе 7. Это «несколько ниже, выше» составляет 1…2В. Чтобы продолжить опыты, выполнив указанное условие, придется собрать чуть более сложную схему, показанную на рисунке 3.

Рисунок 3. Схемы включения операционного усилителя без обратной связи

Теперь напряжение на входы подается с помощью переменных резисторов R1, R2, движки которых следует перед началом измерений установить вблизи среднего положения. Вольтметр теперь переместился в другое место: он будет показывать разность напряжений между прямым и инверсным входами.

Лучше, если этот вольтметр будет цифровой: полярность напряжения может изменяться, на индикаторе цифрового прибора покажется знак «минус», а стрелочный прибор просто «зашкалит» в обратную сторону. (Можно применить стрелочный вольтметр со средней точкой шкалы.) К тому же входное сопротивление цифрового вольтметра намного выше, чем у стрелочного, следовательно результаты измерений получатся точнее. Состояние выхода будем определить по светодиодному индикатору.

Здесь уместно дать такой совет: лучше эти простые опыты проделать своими руками, а не просто прочитать и решить, что все просто и понятно. Это как прочитать самоучитель игры на гитаре, при этом гитару не взяв ни разу в руки. Итак, начнем.

Первое, что надо сделать это установить движки переменных резисторов примерно в среднее положение, при этом напряжение на входах операционного усилителя близко к половине напряжения питания. Чувствительность вольтметра следует сделать максимальной, но, возможно, не сразу, а постепенно, чтобы не спалить прибор.

Предположим, что на выходе операционного усилителя низкий уровень, светится зеленый светодиод. Если это не так, то такого состояния можно добиться, вращая переменный резистор R1 таким образом, чтобы движок перемещался вниз по схеме – можно практически до 0В.

Теперь с помощью переменного резистора R1 начнем прибавлять напряжение на прямом входе операционного усилителя (вывод 3), наблюдая за показаниями вольтметра. Как только вольтметр покажет положительное напряжение (напряжение на прямом входе (вывод 3) больше, чем на инверсном (вывод 2)) зажжется красный светодиод. Следовательно напряжение на выходе операционного усилителя высокое или, как условились ранее, логическая единица.

Небольшая справка

Точнее даже не логическая единица, а высокий уровень: логическая единица обозначает истинность сигнала, мол, событие произошло. Но эта истинность, эта логическая единица может быть выражена и низким уровнем. В качестве примера можно вспомнить интерфейс RS-232, в котором логической единице соответствует отрицательное напряжение, в то время как логический ноль имеет положительное напряжение. Хотя в других схемах логическая единица чаще всего выражается высоким уровнем.

Продолжим научный опыт. Начнем осторожно и медленно вращать резистор R1 в обратную сторону, следя за показаниями вольтметра. В определенный момент он покажет ноль, но красный светодиод еще будет светиться. Поймать положение в котором оба светодиода погашены вряд ли удастся.

При дальнейшем вращении резистора полярность показаний вольтметра также изменится на отрицательную. Это говорит о том, что напряжение на инверсном входе (2) по абсолютному значению выше, чем на прямом входе (3). Зажжется зеленый светодиод, что говорит о низком уровне на выходе операционного усилителя. После этого можно продолжать вращать резистор R1 в том же направлении, но изменений никаких не произойдет: зеленый светодиод не погаснет и даже нисколько не изменит яркость.

Такое явление имеет место когда операционный усилитель работает в режиме компаратора, т.е. без отрицательной обратной связи (иногда даже с ПОС). Если же ОУ работает в линейном режиме, охвачен отрицательной обратной связью (ООС), то при вращении движка резистора R1 напряжение на выходе меняется пропорционально углу поворота, читай разности напряжений на входах, а вовсе не ступенькой. В этом случае яркость светодиода можно изменять плавно.

Из всего сказанного можно сделать вывод: напряжение на выходе операционного усилителя зависит от разницы напряжений на входах. В случае, когда напряжение на прямом входе выше, чем на инверсном, выходное напряжение имеет высокий уровень. В противном случае (напряжение на инверсном выше, чем на прямом) на выходе уровень логического нуля.

В самом начале этого эксперимента было рекомендовано установить движки резисторов R1, R2 приблизительно в среднее положение. А что будет, если первоначально установить их на третью часть оборота или на две трети? Да собственно ничего не изменится, все будет работать также, как было описано выше. Из этого можно сделать вывод, что сигнал на выходе операционного усилителя не зависит от абсолютного значения напряжений на прямом и инверсном входах. А зависит только от разницы напряжений.

Из всего сказанного можно сделать еще один важный вывод: операционный усилитель без обратной связи представляет собой компаратор – сравнивающее устройство. В таком случае на один вход подается опорное или образцовое напряжение, а на другой напряжение, величину которого надо контролировать. На какой вход подавать опорное напряжение решается в процессе разработки схемы.

В качестве примера на рисунке 4 показана схема интегрального таймера NE555, на входе которого имеются сразу 2 внутренних компаратора DA1 и DA2.

Рисунок 4. Схема интегрального таймера NE555

Их назначение – управление внутренним RS триггером. Логика управления достаточно проста: логическая единица с выхода компаратора DA2 устанавливает триггер в единицу, а логическая единица с выхода компаратора DA1 сбрасывает триггер.

На резисторах R1…R3 собран делитель, подающий опорные напряжения на входы компараторов. Все три резистора имеют одинаковые сопротивления (5Ком), формирующие напряжения 2/3 и 1/3 напряжения питания, которые поданы, соответственно, на инвертирующий вход DA1 и на неинвертирующий вход DA2.

В плане того, что было написано выше, получается, что логическая единица на выходе компаратора DA1 получится в том случае, если входное напряжение на прямом входе превысит опорное на инверсном (2/3Uпит.), триггер сбросится в ноль.

Для того, чтобы установить триггер в 1, требуется получить высокий уровень на выходе внутреннего компаратора DA2. Такое состояние будет достигнуто когда уровень напряжения на инверсном входе DA2 будет меньше 1/3Uпит. Именно такое опорное напряжения подано на прямой вход компаратора DA2.

Читайте также:  Pc fan с контролем температуры

Здесь не ставится цель описания интегрального таймера NE555, просто в качестве примера использования ОУ показаны входные компараторы, спрятанный внутри микросхемы. Для тех, кому интересно применение таймера 555, можно рекомендовать для прочтения статью «Интегральный таймер NE555».

Операционный усилитель

Что такое операционный усилитель

Операционный усилитель (ОУ) англ. Operational Amplifier (OpAmp), в народе – операционник, является усилителем постоянного тока (УПТ) с очень большим коэффициентом усиления. Словосочетание «усилитель постоянного тока» не означает, что операционный усилитель может усиливать только постоянный ток. Имеется ввиду, начиная с частоты в ноль Герц, а это и есть постоянный ток.

Термин «операционный» укрепился давно, так как первые образцы ОУ использовались для различных математических операций типа интегрирования, дифференцирования, суммирования и тд. Коэффициент усиления ОУ зависит от его типа, назначения, структуры и может превышать 1 млн!

Обозначение на схеме операционного усилителя

На схемах операционный усилитель обозначается вот так:

Чаще всего ОУ на схемах обозначаются без выводов питания

Итак, далее по классике, слева два входа, а справа – выход.

Вход со знаком «плюс» называют НЕинвертирующий, а вход со знаком «минус» инвертирующий. Не путайте эти два знака с полярностью питания! Они НЕ говорят о том, что надо в обязательном порядке подавать на инвертирующий вход сигнал с отрицательной полярностью, а на НЕинвертирующий сигнал с положительной полярностью, и далее вы поймете почему.

Питание операционных усилителей

Если выводы питания не указаны, то считается, что на ОУ идет двухполярное питание +E и -E Вольт. Его также помечают как +U и -U, VCC и VEE, Vc и VE. Чаще всего это +15 и -15 Вольт. Двухполярное питание также называют биполярным питанием. Как это понять – двухполярное питание?

Давайте представим себе батарейку

Думаю, все вы в курсе, что у батарейки есть “плюс” и есть “минус”. В этом случае “минус” батарейки принимают за ноль, и уже относительно нуля считают напряжение батарейки. В нашем случае напряжение батарейки равняется 1,5 Вольт.

А давайте возьмем еще одну такую батарейку и соединим их последовательно:

Итак, общее напряжение у нас будет 3 Вольта, если брать за ноль минус первой батарейки.

А что если взять на ноль минус второй батарейки и относительно него уже замерять все напряжения?

Вот здесь мы как раз и получили двухполярное питание.

Идеальная и реальная модель операционного усилителя

Для того, чтобы понять суть работы ОУ, рассмотрим его идеальную и реальную модели.

1) Входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое.

В реальных ОУ значение входного сопротивления зависит от назначения ОУ (универсальный, видео, прецизионный и т.п.) типа используемых транзисторов и схемотехники входного каскада и может составлять от сотен Ом и до десятков МОм. Типовое значение для ОУ общего применения – несколько МОм.

2) Второе правило вытекает из первого правила. Так как входное сопротивление идеального ОУ бесконечно большое, то входной ток будет равняться нулю.

На самом же деле это допущение вполне справедливо для ОУ с полевыми транзисторами на входе, у которых входные токи могут быть меньше пикоампер. Но есть также ОУ с биполярными транзисторами на входе. Здесь уже входной ток может быть десятки микроампер.

3) Выходное сопротивление идеального ОУ равняется нулю.

Это значит, что напряжение на выходе ОУ не будет изменяться при изменении тока нагрузки. В реальных ОУ общего применения выходное сопротивление составляет десятки Ом (обычно 50 Ом).
Кроме того, выходное сопротивление зависит от частоты сигнала.

4) Коэффициент усиления в идеальном ОУ бесконечно большой. В реальности он ограничен внутренней схемотехникой ОУ, а выходное напряжение ограничено напряжением питания.

5) Так как коэффициент усиления бесконечно большой, следовательно, разность напряжений между входами идеального ОУ равняется нулю. Иначе если даже потенциал одного входа будет больше или меньше хотя бы на заряд одного электрона, то на выходе будет бесконечно большой потенциал.

6) Коэффициент усиления в идеальном ОУ не зависит от частоты сигнала и постоянен на всех частотах. В реальных ОУ это условие выполняется только для низких частот до какой-либо частоты среза, которая у каждого ОУ индивидуальна. Обычно за частоту среза принимают падение усиления на 3 дБ или до уровня 0,7 от усиления на нулевой частоте (постоянный ток).

Схема простейшего ОУ на транзисторах выглядит примерно вот так:

Принцип работы операционного усилителя

Давайте рассмотрим, как работает ОУ

Принцип работы ОУ очень прост. Он сравнивает два напряжения и на выходе уже выдает отрицательный, либо положительный потенциал питания. Все зависит от того, на каком входе потенциал больше. Если потенциал на НЕинвертирующем входе U1 больше, чем на инвертирующем U2, то на выходе будет +Uпит, если же на инвертирующем входе U2 потенциал будет больше, чем на НЕинвертирующем U1, то на выходе будет -Uпит. Вот и весь принцип ;-).

Давайте рассмотрим этот принцип в симуляторе Proteus. Для этого выберем самый простой и распространенный операционный усилитель LM358 (аналоги 1040УД1, 1053УД2, 1401УД5) и соберем примитивную схему, показывающую принцип работы

Подадим на НЕинвертирующий вход 2 Вольта, а на инвертирующий вход 1 Вольт. Так как на НЕинвертирующем входе потенциал больше, то следовательно, на выходе мы должны получить +Uпит. Мы получили 13,5 Вольт, что близко к этому значению

Но почему не 15 Вольт? Виновата во всем сама внутренняя схемотехника ОУ. Максимальное значение ОУ не всегда может равняться положительному либо отрицательному напряжению питания. Оно может отклоняться от 0,5 и до 1,5 Вольт в зависимости от типа ОУ.

Но, как говорится, в семье не без уродов, и поэтому на рынке уже давно появились ОУ, которые могут выдавать на выходе допустимое напряжение питания, то есть в нашем случае это значения, близкие к +15 и -15 Вольтам. Такая фишка называется Rail-to-Rail, что в дословном переводе с англ. “от рельса до рельса”, а на языке электроники “от одной шины питания и до другой”.

Давайте теперь на инвертирующий вход подадим потенциал больше, чем на НЕинвертирущий. На инвертирующий подаем 2 Вольта, а на НЕинвертирующий подаем 1 Вольт:

Как вы видите, в данный момент выход “лег” на -Uпит, так как на инвертирующем входе потенциал был больше, чем на НЕинвертирующем.

Чтобы не качать лишний раз программный комплекс Proteus, можно в онлайне с помощью программы Falstad сэмулировать работу идеального ОУ. Для этого выбираем вкладку Circuits—Op-Amps—>OpAmp. В результате на вашем экране появится вот такая схемка:

На правой панели управления увидите бегунки для добавления напряжения на входы ОУ и уже можете визуально увидеть, что получится на выходе ОУ при изменении напряжения на входах.

Что будет на выходе ОУ, если на обоих входах будет ноль вольт?

Итак, мы рассмотрели случай, когда напряжение на входах может различаться. Но что будет, если они будут равны? Что нам покажет Proteus в этом случае? Хм, показал +Uпит.

А что покажет Falstad? Ноль Вольт.

Кому верить? Никому! В реале, такое сделать невозможно, чтобы на два входа загнать абсолютно равные напряжения. Поэтому такое состояние ОУ будет неустойчивым и значения на выходе могут принимать значения или -E Вольт, или +E Вольт.

Давайте подадим синусоидальный сигнал амплитудой в 1 Вольт и частотой в 1 килоГерц на НЕинвертирующий вход, а инвертирующий посадим на землю, то есть на ноль.

Смотрим, что имеем на виртуальном осциллографе:

Что можно сказать в этом случае? Когда синусоидальный сигнал находится в отрицательной области, на выходе ОУ у нас -Uпит, а когда синусоидальный сигнал находится в положительной области, то и на выходе имеем +Uпит.

Скорость нарастания выходного напряжения

Также обратите внимание на то, что напряжение на выходе ОУ не может резко менять свое значение. Поэтому, в ОУ есть такой параметр, как скорость нарастания выходного напряжения VUвых .

Этот параметр показывает насколько быстро может измениться выходное напряжение ОУ при работе в импульсных схемах. Измеряется в Вольт/сек. Ну и как вы поняли, чем больше значение этого параметра, тем лучше ведет себя ОУ в импульсных схемах. Для LM358 этот параметр равен 0,6 В/мкс.

Схемы включения операционных усилителей

Прошлая статья открыла цикл статей про строительные кирпичики современной аналоговой электроники – операционные усилители. Было дано определение ОУ и некоторые параметры, также приведена классификация операционных усилителей. Данная статья раскроет такое понятие как идеальный операционный усилитель, и будут приведены основные схемы включения операционного усилителя.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Идеальный операционный усилитель и его свойства

Так как наш мир не является идеальным, так и идеальных операционных усилителей не существует. Однако параметры современных ОУ находятся на достаточно высоком уровне, поэтому анализ схем с идеальными ОУ даёт результаты, очень близкие к реальным усилителям.

Для понимания работы схем с операционными усилителями вводится ряд допущений, которые приводят реальные операционные усилители к идеальным усилителям. Таких допущений всего пять:

  1. Ток, протекающий через входы ОУ, принимается равным нулю.
  2. Коэффициент усиления ОУ принимается бесконечно большим, то есть выходное напряжение усилителя может достичь любых значений, однако в реальность ограничено напряжением питания.
  3. Разность напряжений между входами идеального ОУ равна нулю, то есть если один из выводов соединён с землёй, то и второй вывод имеет такой же потенциал. Отсюда также следует, что входное сопротивление идеального усилителя бесконечно.
  4. Выходное сопротивление идеального ОУ равно нулю.
  5. Амплитудно-частотная характеристика идеального ОУ является плоской, то есть коэффициент усиления не зависит от частоты входного сигнала.
Читайте также:  Шим контроллер lm5023 с энергопотреблением в дежурном режиме менее 10мвт

Близость параметров реального операционного усилителя к идеальным определяет точность, с которой может работать данный ОУ, а также выяснить ценность конкретного операционного усилителя, быстро и правильно сделать выбор подходящего ОУ.

Исходя из вышеописанных допущений, появляется возможность проанализировать и вывести соотношения для основных схем включения операционного усилителя.

Основные схемы включения операционного усилителя

Как указывалось в предыдущей статье, операционные усилители работают только с обратными связями, от вида которой зависит, работает ли операционный усилитель в линейном режиме или в режиме насыщения. Обратная связь с выхода ОУ на его инвертирующий вход обычно приводит к работе ОУ в линейном режиме, а обратная связь с выхода ОУ на его неинвертирующий вход или работа без обратной связи приводит к насыщению усилителя.

Неинвертирующий усилитель

Неинвертирующий усилитель характеризуется тем, что входной сигнал поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Данная схема включения изображена ниже


Схема включения неинвертирующего усилителя.

Работа данной схемы объясняется следующим образом, с учётом характеристик идеального ОУ. Сигнала поступает на усилитель с бесконечным входным сопротивлением, а напряжение на неинвертирующем входе имеет такое же значение, как и на инвертирующем входе. Ток на выходе операционного усилителя создает на резисторе R2 напряжение, равное входному напряжению.

Таким образом, основные параметры данной схемы описываются следующим соотношением

Отсюда выводится соотношение для коэффициента усиления неинвертирующего усилителя

Таким образом, можно сделать вывод, что на коэффициент усиления влияют только номиналы пассивных компонентов.

Необходимо отметить особый случай, когда сопротивление резистора R2 намного больше R1 (R2 >> R1), тогда коэффициент усиления будет стремиться к единице. В этом случае схема неинвертирующего усилителя превращается в аналоговый буфер или операционный повторитель с единичным коэффициентом передачи, очень большим входным сопротивлением и практически нулевым выходным сопротивлением. Что обеспечивает эффективную развязку входа и выхода.

Инвертирующий усилитель

Инвертирующий усилитель характеризуется тем, что неинвертирующий вход операционного усилителя заземлён (то есть подключен к общему выводу питания). В идеальном ОУ разность напряжений между входами усилителя равна нулю. Поэтому цепь обратной связи должна обеспечивать напряжение на инвертирующем входе также равное нулю. Схема инвертирующего усилителя изображена ниже


Схема инвертирующего усилителя.

Работа схемы объясняется следующим образом. Ток протекающий через инвертирующий вывод в идеальном ОУ равен нулю, поэтому токи протекающие через резисторы R1 и R2 равны между собой и противоположны по направлению, тогда основное соотношение будет иметь вид


Тогда коэффициент усиление данной схемы будет равен

Знак минус в данной формуле указывает на то, что сигнал на выходе схемы инвертирован по отношению к входному сигналу.

Интегратор

Интегратор позволяет реализовать схему, в которой изменение выходного напряжения пропорционально входному сигналу. Схема простейшего интегратора на ОУ показана ниже


Интегратор на операционном усилителе.

Данная схема реализует операцию интегрирования над входным сигналом. Я уже рассматривал схемы интегрирования различных сигналов при помощи интегрирующих RC и RL цепочек. Интегратор реализует аналогичное изменение входного сигнала, однако он имеет ряд преимуществ по сравнению с интегрирующими цепочками. Во-первых, RC и RL цепочки значительно ослабляют входной сигнал, а во-вторых, имеют высокое выходное сопротивление.

Таким образом, основные расчётные соотношения интегратора аналогичны интегрирующим RC и RL цепочкам, а выходное напряжение составит

Интеграторы нашли широкое применение во многих аналоговых устройствах, таких как активные фильтры и системы автоматического регулирования

Дифференциатор

Дифференциатор по своему действию противоположен работе интегратора, то есть выходной сигнал пропорционален скорости изменения входного сигнала. Схема простейшего дифференциатора показана ниже


Дифференциатор на операционном усилителе.

Дифференциатор реализует операцию дифференцирование над входным сигналом и аналогичен действию дифференцирующих RC и RL цепочек, кроме того имеет лучшие параметры по сравнению с RC и RL цепочками: практически не ослабляет входной сигнал и обладает значительно меньшим выходным сопротивлением. Основные расчётные соотношения и реакция на различные импульсы аналогична дифференцирующим цепочкам.

Выходное напряжение составит

Логарифмирующий преобразователь

Одной из схем на операционном усилителе, которые нашли применение, является логарифмирующий преобразователь. В данном схеме используется свойство диода или биполярного транзистора. Схема простейшего логарифмического преобразователя представлена ниже


Логарифмирующий преобразователь.

Данная схема находит применение, прежде всего в качестве компрессора сигналов для увеличения динамического диапазона, а так же для выполнения математических функций.

Рассмотрим принцип работы логарифмического преобразователя. Как известно ток, протекающий через диод, описывается следующим выражением

где IO – обратный ток диода,
е – число е, основание натурального логарифма, e ≈ 2,72,
q – заряд электрона,
U – напряжение на диоде,
k – постоянная Больцмана,
T – температура в градусах Кельвина.

При расчётах можно принимать IO ≈ 10-9 А, kT/q = 25 мВ. Таким образом, входной ток данной схемы составит

тогда выходное напряжение

Простейший логарифмический преобразователь практически не используется, так как имеет ряд серьёзных недостатков:

  1. Высокая чувствительность к температуре.
  2. Диод не обеспечивает достаточной точности преобразования, так как зависимость между падением напряжения и током диода не совсем логарифмическая.

Вследствие этого вместо диодов применяют транзисторы в диодном включении или с заземлённой базой.

Экспоненциальный преобразователь

Схема экспоненциального преобразователь получается из логарифмического преобразователя путём перемены места диода и резистора в схеме. А работа такой схемы так же как и логарифмического преобразователя основана на логарифмической зависимости между падение напряжения на диоде и током протекающим через диод. Схема экспоненциального преобразователя показана ниже


Экспоненциальный преобразователь.

Работа схемы описывается известными выражениями

Таким образом, выходное напряжение составит

Также как и логарифмический преобразователь, простейший экспоненциальный преобразователь с диодом на входе применяют редко, вследствие вышеописанных причин, поэтому вместо диодов на входе используют биполярные транзисторы в диодном включении или с общей базой.

Схемы включения операционных усилителей, описанные выше, не являются исчерпывающими, а лишь только призваны дать основные понятия. Более подробно схемы включения операционных усилителей я рассмотрю в следующих статьях. Всем удачи.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Как использовать светодиоды в качестве датчика света

Светодиод – это устройство, которое излучает свет. В качестве же датчика света обычно используют фотодиод или фототранзистор. Но, оказывается, и светодиод можно использовать для определения наличия светового потока. В данном материале будет рассказано, как это сделать.

Сегодня кремниевые фотодиоды широко доступны и недороги. Так зачем же использовать светодиоды в качестве датчиков света? Несмотря на эти положительные качества фотодиодов, у светодиодов также есть свои преимущества.

Во-первых, светодиоды могут обнаружить узкую полосу длин волн, поэтому их можно назвать спектрально селективными фотодиодами. Обычный кремниевый фотодиод имеет очень широкий спектральный отклик и требует дорогостоящего фильтра для обнаружения определенной длины волны. Во-вторых, чувствительность большинства светодиодов является очень стабильной в течение долгого времени. В-третьих, светодиоды могут как излучать, так и обнаруживать свет, поэтому в конце оптической линии передачи данных нужен лишь один светодиод, а не два (приемник и передатчик). И, в-четвертых, светодиоды являются еще более недорогими и широко доступными, чем фотодиоды. Но все-таки у светодиодов имеются свои недостатки. Они не столь чувствительны к свету, как большинство кремниевых фотодиодов. Также светодиоды чувствительны к температуре. Это может создать проблему для датчиков, применяемых на открытом воздухе. Но, несмотря на это, светодиоды вполне сгодятся в качестве датчиков света.

Итак, вы можете заменить стандартный кремниевый фотодиод светодиодом в большинстве схем. Только убедитесь, что соблюдаете полярность. Кроме того, помните, что светодиод не так чувствителен как большинство стандартных фотодиодов, и он будет работать на значительно более узкой полосе длин волн света. Для достижения наилучших результатов используйте светодиоды, инкапсулированные в прозрачную эпоксидную смолу. При этом обязательно проведите с ними несколько экспериментов. Это поможет вам понять, насколько угол обнаружения светодиода, используемого в качестве датчика света, совпадает с углом излучения при использовании его в качестве источника света.

Используйте стандартные соединители для подключения светодиодов к оптоволокну или осуществите контакт, как показано на рисунке ниже, вставив оптоволокно в проделанное в корпусе светодиода отверстие.

Для красного или инфракрасного светодиода проверьте ток, подключив его выводы к мультиметру. Направьте этот светодиод в сторону солнца или яркого света лампы накаливания, и измерительный прибор покажет ток.

Вы можете также запитать один светодиод от другого. Для этого соедините анод с анодом и катод с катодом двух сверхъярких красных светодиодов, один из которых поместите в плотную изолирующую трубку. На другой же направьте световой поток фонарика или другого светоизлучающего устройства. При этом вы увидите, что второй светодиод в трубке тоже начнет немного светиться.

Светодиоды имеют значительно меньшую светочувствительную поверхность, чем большинство кремниевых фотодиодов, поэтому для них, скорее всего, потребуется усиление. Для этой цели вполне подойдут недорогие операционные усилители. На рисунке ниже показана схема, которую можно применять для преобразования фототока светодиода в пропорциональное напряжение.

Здесь операционный усилитель с однополярным питанием LT1006 компании Linear Technology обеспечивает выходное напряжение, которое почти идеально линейно по отношению к интенсивности падающего света. Усиление равно сопротивлению резистора обратной связи (R1). Так, если R1 равно 1000000 Ом, то коэффициент усиления контура составляет 1000000. Конденсатор С1 предотвращает колебания.

Таким образом, светодиоды вполне можно использовать в качестве датчиков света, и в некоторых приложениях благодаря своей селективности и чувствительности они будут более полезны, чем фотодиоды.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...
Adblock
detector