Схема полуволнового и полноволнового прецизионного выпрямителя

Выпрямитель - это схема, преобразующая переменный ток (AC) в постоянный ток (DC). Переменный ток всегда меняет свое направление с течением времени, но постоянный ток постоянно течет в одном направлении. В типичной схеме выпрямителя мы используем диоды для преобразования переменного тока в постоянный. Но этот метод выпрямления можно использовать только в том случае, если входное напряжение в цепи больше прямого напряжения диода, которое обычно составляет 0,7 В. Ранее мы объяснили схему однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей на основе диодов.

Чтобы решить эту проблему, была введена схема прецизионного выпрямителя. Прецизионный выпрямитель - это еще один выпрямитель, который преобразует переменный ток в постоянный, но в прецизионном выпрямителе мы используем операционный усилитель для компенсации падения напряжения на диоде, поэтому мы не теряем падение напряжения 0,6 В или 0,7 В на диоде. диод, также схема может быть сконструирована так, чтобы иметь некоторый коэффициент усиления на выходе усилителя.

Итак, в этом руководстве я собираюсь показать вам, как вы можете создать, протестировать, применить и отладить схему прецизионного выпрямителя с помощью операционного усилителя. Наряду с этим, я также расскажу о некоторых плюсах и минусах этой схемы. Итак, без лишних слов, приступим.

Что такое схема прецизионного выпрямителя?

Прежде чем мы узнаем о схеме прецизионного выпрямителя, давайте проясним основы схемы выпрямителя.

На рисунке выше показаны характеристики идеальной выпрямительной схемы с ее передаточными характеристиками. Это означает, что когда входной сигнал отрицательный, выходное напряжение будет нулевым, а когда входной сигнал положительный, выход будет следовать за входным сигналом.

На приведенном выше рисунке показана практическая схема выпрямителя с ее передаточными характеристиками. В практической схеме выпрямителя форма выходного сигнала будет на 0,7 В меньше, чем приложенное входное напряжение, а передаточная характеристика будет иметь вид, как на рисунке, показанном на схеме. В этот момент диод будет проводить только в том случае, если приложенный входной сигнал немного больше, чем прямое напряжение диода.

Теперь, когда дело касается основ, давайте вернемся к схеме прецизионного выпрямителя.

Работа прецизионного выпрямителя

На приведенной выше схеме показана базовая схема прецизионного полуволнового выпрямителя с операционным усилителем LM358 и диодом 1n4148. Чтобы узнать, как работает операционный усилитель, вы можете проследить эту схему операционного усилителя.

Вышеупомянутая схема также показывает вам форму волны входа и выхода прецизионного выпрямителя, которая в точности равна входной. Это потому, что мы получаем обратную связь от выхода диода, а операционный усилитель компенсирует любое падение напряжения на диоде. Итак, диод ведет себя как идеальный диод.

Теперь на изображении выше вы можете ясно увидеть, что происходит, когда положительный и отрицательный полупериод входного сигнала подается на входной терминал операционного усилителя. Схема также показывает передаточные характеристики схемы.

Но в практической схеме вы не получите выход, показанный на рисунке выше, позвольте мне сказать вам, почему?

В моем осциллографе желтый сигнал на входе, а зеленый сигнал на выходе. Вместо полуволнового выпрямления мы получаем своего рода двухполупериодное выпрямление.

На приведенном выше изображении показано, когда диод выключен, отрицательный полупериод - это сигнал, протекающий через резистор на выход, и поэтому мы получаем двухполупериодное выпрямление, такое как выход, но это не настоящая дело.

Посмотрим, что будет, когда мы подключим нагрузку 1К.

Схема выглядит как на изображении выше.

Результат выглядит как на изображении выше.

Выход выглядит так, потому что мы практически сформировали схему делителя напряжения с двумя резисторами 9,1 кОм и 1 кОм, поэтому входная положительная половина сигнала просто ослаблена.

Опять же, это изображение выше показывает вам, что происходит, когда я изменяю значение резистора нагрузки на 220R с 1K.

Это не меньшая проблема, которую имеет эта схема.

На приведенном выше изображении показано состояние недобора, когда выходное напряжение схемы опускается ниже нуля вольт и возрастает после определенного всплеска.

На приведенном выше изображении показано состояние недобора для обеих вышеупомянутых схем с нагрузкой и без нагрузки. Это потому, что всякий раз, когда входной сигнал опускается ниже нуля, операционный усилитель переходит в область отрицательного насыщения, и в результате появляется показанное изображение.

Еще одна причина, по которой мы можем сказать, что всякий раз, когда входное напряжение меняется с положительного на отрицательное, потребуется некоторое время, прежде чем обратная связь операционного усилителя вступит в игру и стабилизирует выход, и именно поэтому мы получаем скачки напряжения ниже нуля вольт. вывод.

Это происходит потому, что я использую операционный усилитель Jelly Bean LM358 с низкой скоростью нарастания напряжения. Вы можете решить эту проблему, просто установив операционный усилитель с более высокой скоростью нарастания напряжения. Но имейте в виду, что это также произойдет в более высокочастотном диапазоне схемы.

Модифицированная схема прецизионного выпрямителя

На приведенном выше рисунке показана модифицированная схема прецизионного выпрямителя, с помощью которой мы можем уменьшить все вышеупомянутые недостатки и недостатки. Давайте изучим схему и разберемся, как она работает.

Теперь в приведенной выше схеме вы можете видеть, что диод D2 будет проводить, если положительная половина синусоидального сигнала применяется в качестве входа. Теперь показанный выше путь (с желтой линией) завершен, и операционный усилитель действует как инвертирующий усилитель, если мы посмотрим на точку P1, напряжение равно 0 В, поскольку в этой точке формируется виртуальная земля, поэтому ток не может протекает через резистор R19, и в выходной точке P2 напряжение отрицательное 0,7 В, поскольку операционный усилитель компенсирует падение на диоде, поэтому ток не может перейти в точку P3. Таким образом, мы достигли выхода 0 В всякий раз, когда на вход операционного усилителя подается положительный полупериод сигнала.

Теперь предположим, что мы подали отрицательную половину синусоидального сигнала переменного тока на вход операционного усилителя. Это означает, что приложенный входной сигнал меньше 0 В.

На данный момент диод D2 находится в состоянии обратного смещения, что означает разрыв цепи. Изображение выше точно говорит вам об этом.

Поскольку диод D2 находится в состоянии обратного смещения, ток будет проходить через резистор R22, образуя виртуальную землю в точке P1. Теперь, когда применяется отрицательная половина входного сигнала, мы получим положительный сигнал на выходе как инвертирующий усилитель. И диод будет проводить, и мы получим скомпенсированный выход в точке P3.

Теперь выходное напряжение будет -Vin / R2 = Vout / R1.

Таким образом, выходное напряжение становится Vout = -R2 / R1 * Vin.

Теперь посмотрим на выход схемы в осциллографе.

Практический выход схемы без какой-либо подключенной нагрузки показан на изображении выше.

Теперь, когда дело доходит до анализа схемы, схема полуволнового выпрямителя достаточно хороша, но когда дело доходит до практической схемы, полуволновой выпрямитель просто не имеет практического смысла.

По этой причине была представлена ​​схема двухполупериодного выпрямителя, чтобы получить двухполупериодный прецизионный выпрямитель, мне просто нужно сделать суммирующий усилитель, и это в основном все.

Прецизионный полноволновой выпрямитель с операционным усилителем

Чтобы создать схему двухполупериодного прецизионного выпрямителя, я только что добавил суммирующий усилитель к выходу ранее упомянутой схемы полуволнового выпрямителя. От точки P1 до точки P2 - это основная схема прецизионного выпрямителя, а диод настроен таким образом, что мы получаем отрицательное напряжение на выходе.

От точки P2 до точки P3 - суммирующий усилитель, выход прецизионного выпрямителя через резистор R3 подается на суммирующий усилитель. Значение резистора R3 составляет половину от R5, или вы можете сказать, что это R5 / 2, именно так мы устанавливаем двукратное усиление операционного усилителя.

Вход из точки P1 также поступает на суммирующий усилитель с помощью резистора R4, резисторы R4 и R5 отвечают за установку коэффициента усиления операционного усилителя на 1X.

Поскольку выходной сигнал от точки P2 подается непосредственно на суммирующий усилитель с коэффициентом усиления 2X, это означает, что выходное напряжение будет в 2 раза больше входного напряжения. Предположим, что входное напряжение составляет пиковое значение 2 В, поэтому на выходе мы получим пиковое напряжение 4 В. В то же время мы напрямую подаем вход на суммирующий усилитель с коэффициентом усиления 1X.

Теперь, когда происходит операция суммирования, мы получаем суммарное напряжение на выходе, которое составляет (-4 В) + (+ 2 В) = -2 В, а на выходе операционного усилителя. Поскольку операционный усилитель сконфигурирован как инвертирующий усилитель, мы получим +2 В на выходе, который является точкой P3.

То же самое происходит, когда применяется отрицательный пик входного сигнала.

Приведенное выше изображение показывает конечный выход схемы, то сигнал в синем является входным и сигналом в желтом выход из полуволновой выпрямительной схемы, и сигнал зеленого является выходом двухполупериодного выпрямителя цепи.

Необходимые компоненты

• Микросхема операционного усилителя LM358 - 2
• 6,8 кОм, резистор 1% - 8
• Резистор 1 кОм - 2 шт.
• 1N4148 Диод - 4
• Хлебная доска - 1
• Провода перемычки - 10
• Источник питания (± 10 В) - 1

Схематическая диаграмма

Принципиальная схема прецизионного однополупериодного и двухполупериодного прецизионных выпрямителей на ОУ приведена ниже:

Для этой демонстрации схема построена на макетной плате без пайки с помощью схемы; Чтобы уменьшить паразитную индуктивность и емкость, я соединил компоненты как можно ближе друг к другу.

Дальнейшее улучшение

Схема может быть дополнительно модифицирована для улучшения ее характеристик, например, мы можем добавить дополнительный фильтр для подавления высокочастотных шумов.

Эта схема сделана только для демонстрационных целей. Если вы думаете об использовании этой схемы в практическом применении, вам придется использовать операционный усилитель типа прерывателя и высокоточный резистор 0,1 Ом для достижения абсолютной стабильности.

Надеюсь, вам понравилась эта статья и вы узнали из нее что-то новое. Если у вас есть сомнения, вы можете задать вопрос в комментариях ниже или воспользоваться нашим форумом для подробного обсуждения.