Функциональные элементы УРЗА на операционных усилителях. Учебное пособие

кое по форме к прямоугольному. Для этой цели часто используется инвертирующий усилитель-ограничитель, схема которого приведена на рис. 33.

VD

u1 R1 R0

uвых

u2 R2

Рис. 33. Инвертирующий усилитель-ограничитель

Поскольку напряжения, сравниваемые по фазе, обычно являются линейной комбинацией двух и более напряжений, название схемы условно, и на ее входе имеются два резистора R1 и R2 , с помощью кото-

рых сформирована параллельная операционная схема сумматора. Значения сопротивлений этих резисторов выбираются, исходя из необходимого соотношения входных суммируемых сигналов, и составляют десятки килоом (кОм). Для получения выходного напряжения, близкого к прямоугольному, операционная схема должна иметь большой коэффициент передачи, что достигается выбором большого сопротивления резистора R0 (типовое значение составляет 2,2 МОм). При таком

соотношении сопротивлений ОУ может входить в насыщение при сравнительно небольших напряжениях на входе. После вхождения в насыщение ОУ уже не может обеспечить равенство напряжений на входах и потенциал инвертирующего входа становится отличным от нуля. Это является нежелательным из-за возможного взаимного влияния источников напряжений u1 и u2 , которые обычно обладают зна-

чительными внутренними сопротивлениями. Исключение насыщения ОУ достигается включением в цепь обратной связи симметричного стабилитрона, использование которого приводит к ограничению выходного напряжения ОУ.

51

Компараторы напряжения

Компараторы напряжения выполняются на ОУ без обратной связи и предназначены для сравнения входных напряжений, подаваемых на его входы. ОУ при этом работает в режиме переключения, когда при заданном изменении uвх (обычно малом) uвых практически скачкооб-

разно изменяется от одного максимального значения до противоположного в соответствии со следующими выражениями

Рис. 34. Компаратор для сравнения напряжений одного знака

Для сравнения напряжений одного знака обычно используется схема, изображенная на рис. 34. Как видно из рисунка, кроме самого ОУ, в нее введены два резистора и два диода. По принципу действия рассматриваемого компаратора в них нет необходимости, но в практических схемах они очень часто используются для выполнения функции защиты ОУ от недопустимо больших входных напряжений. Поскольку входное сопротивление ОУ чрезвычайно велико, при малой разности напряжений на входах схемы, при которой оба диоды закрыты, ток во входных резисторах отсутствует и осуществляется сравнение неискаженных входных величин. Если же разница между входными напряжениями становится существенной (более 0,4 В), то открывается один из диодов и шунтирует вход ОУ, ограничивая поступающую на ОУ разность входных напряжений. Таким образом, в области значений, при которых компаратор должен выполнять сравнение с высокой точностью, защитная цепь на работу компаратора не влияет, а при опасных значениях напряжений – шунтирует. Следует отметить, что схема

52

реагирует только на знак разности входных напряжений, а их абсолютная величина не имеет значения.

В том случае, если одно из сравниваемых напряжений равно нулю, используется упрощенная схема, в которой, в отличие от рассмотренной, отсутствует один из резисторов и один из входов соединен с общей точкой (эту схему часто называют нуль-индикатором) (рис. 35). Выходное напряжение определяется выражением

uвх R

Рис. 35. Нуль-индикатор

Иногда возникает необходимость сравнить по модулю два сигнала, различающихся по знаку. В этом случае может быть использована схема, в которой ОУ включен по схеме компаратора, на один вход которого подано нулевое напряжение, а на второй подается напряжение с делителя, включенного между входами схемы (рис. 36).

uвх1 R1

Рис. 36. Компаратор для сравнения двух напряжений, различающихся по знаку

53

Переключению компаратора соответствует напряжение в точке суммирования, равное нулю, что имеет место при выполнении соотношения

Особенностью компараторов является то, что эффект переключения наблюдается благодаря очень большому коэффициенту усиления ОУ. Но несмотря на это, существует довольно узкая зона сигналов, при которых выходное напряжение может принимать промежуточные значения между uвых.max и uвых.max . Это свойство называют отсутстви-

ем перекрытия зон действия и недействия компаратора. В том случае, если такая неоднозначность поведения является недопустимой, в устройствах РЗА используют триггеры Шмитта.

Триггер Шмитта

Неоднозначность поведения компараторов обусловлена неизменностью опорного напряжения, с которым сравнивается входной сигнал. В триггере Шмитта (рис. 37) для исключения этого недостатка введена положительная обратная связь, наличие которой обеспечивает перекрытие зон действия и недействия, т. е. позволяет получить коэффициент возврата схемы, отличный от единицы, что характерно для электромагнитных реле.

uвх R1

uвых

VD1 VD2

R3

Рис. 37. Триггер Шмитта

54

Напряжение на неинвертирующем входе ОУ определяется в соответствии с методом узловых потенциалов:

Приведенное выражение неудобно для качественного анализа, и поэтому рассмотрим сначала случай, когда напряжение Uпит для фор-

мирования опорного напряжения не используется и резистор R4 в схеме отсутствует. В этом случае

ного напряжения, которое может принимать одно из двух значений uвых.max и uвых.max . Поэтому пороги переключения триггера Шмит-

та в этом случае имеют одинаковую величину, но отличаются знаком, т. е. схема является симметричной.

При подаче через резистор R4 дополнительного напряжения симметрия схемы нарушается. При этом подбором сопротивлений резисторов R2 , R3 и R4 можно получить желаемое соотношение параметров срабатывания и возврата триггера Шмитта.

Элемент с областью нечувствительности

Элемент с областью нечувствительности выполняется на базе инвертирующего усилителя напряжения, в котором цепь отрицательной обратной связи представляет собой диодный мост, подключенный через резисторы к линиям питания (рис. 38, а). Заменяя реальный диод

цепью, состоящей из идеального диода, резистора Rд , имеющего со-

противление, равное прямому сопротивлению диода, и источника пороговой ЭДС, рассматриваем работу схемы, пользуясь соотношениями, характерными для инвертирующего усилителя напряжения.

55

цепь отрицательной обратной связи может считаться разомкнутой, а коэффициент усиления схемы максимален и приближается к коэффи-

циенту усиления ОУ. В этом режиме входной ток через резистор R1

тически можно пренебречь. При весьма малом превышении uвх значения Uпит uвых равно положительному или отрицательному максимуму. Такая характеристика эквивалентна пороговому элементу, работающему от обеих полярностей uвх .

Макси- и мини-селекторы

Макси- и мини-селекторы предназначены соответственно для выделения наибольшего и наименьшего мгновенного значения из нескольких подведенных напряжений.

57

В простейшей схеме макси-селектора, приведенной на рис. 39, а, максимальное подведенное мгновенное значение входного сигнала проходит через соответствующий диод. Выделившееся на резисторе R напряжение запирает остальные диоды. Полученное напряжение через повторитель напряжения подается на выход схемы.

Аналогично построена и схема мини-селектора (рис. 39, б), только диоды включены в обратной полярности и резистор R привязан к источнику положительного напряжения питания.

Функциональные преобразователи

Для формирования функциональных зависимостей uвых f uвх

обычно используются схемы, реализующие метод линейно-кусочной аппроксимации (рис. 40).

–Eпит

Рис. 40. Функциональный преобразователь, реализующий принцип кусочно-линейной аппроксимации

58

При uвх 0 на инвертирующий вход ОУ через резистор R9 подается отрицательное напряжение смещения с делителя R7 , R8 . На выходе ОУ имеется положительное напряжение, равное прямому падению напряжения на открытом диоде VD2 , а VD1 при этом закрыт и выходное напряжение отсутствует. Через делители R3 , R4 и R5 , R6 и выходное сопротивление ОУ протекает ток, диоды VD3 и VD4 закрыты. По мере увеличения положительного uвх , но до тех пор, пока оно остается меньше отрицательного напряжения смещения, описанное состояние элементов сохраняется. При дальнейшем увеличении uвх на выходе ОУ появляется отрицательное напряжение, VD2 закрывается, а VD1 открывается и uвых возрастает по абсолютному значению по за-

стор R5 , что приводит к дальнейшему снижению результирующего

сопротивления в цепи отрицательной обратной связи и соответствующему снижению коэффициента усиления (участок 3 на рис. 40, б).

Преобразователь может иметь и большее число ступеней аппроксимации.

В настоящее время получили распространение функциональные преобразователи, в которых для реализации кусочно-линейной аппроксимации используются нелинейные элементы во входных цепях сум-

59

мирующего усилителя. Каждая входная цепочка такого преобразователя состоит из стабилитрона (может также использоваться симметричный стабилитрон) и резистора. Напряжение открытия стабилитрона определяет точку излома, а сопротивление резистора – изменение крутизны наклона при открытии соответствующего стабилитрона. Функциональный преобразователь может содержать несколько параллельно включенных описанных цепочек, на вход которых подано входное напряжение. Такой преобразователь существенно проще в настройке по сравнению с представленным на рис. 40.

Амплитудный детектор

Для выделения максимального значения напряжения в устройствах РЗА часто используется схема, выделяющая максимальное значение сигнала за какой-либо период времени. Такие схемы принято называть амплитудными детекторами. Наиболее часто они используются для формирования тормозных или запрещающих сигналов.

Простейшая схема амплитудного детектора представлена на рис. 41, которая предназначена для приема сигналов положительной полярности.

Рис. 41. Амплитудный детектор

Поступающий на вход амплитудного детектора сигнал инвертируется входным ОУ DA1 и подается на запоминающий конденсатор C .

Диод VD2 открыт только в том случае, если потенциал на выходе DA1

60