Описание микросхемы DA1
Микросхема LM324 — 4-канальный операционный усилитель широкого применения. LM324 выпускается в двух типах корпусов: DIP и SOIC. В состав LM324 входят четыре независимых операционных усилителя. Диапазон напряжений от 3в до 30в (+15, -15). Микросхема LM324 может работать как при однополярном, так и при двухполярном питании. Диапазон рабочих температур от 0 до +70 градусов по Цельсию.
Аналоги: КР1401УД2А, Б
Расположение контактов микросхемы LM324:
Инвертирующий вход 1
Инвертирующий вход 3
Неинвертирующий вход 1
Неинвертирующий вход 3
Неинвертирующий вход 2
Неинвертирующий вход 4
Инвертирующий вход 2
Инвертирующий вход 4
Основные характеристики
Коэффициент ослабления синфазных помех
Коэффициент ослабления нестабильности питания
Коэффициент усиления по напряжению
Коэффициент гармонических искажений
Описание симистора
Симистор (Тиристор) — полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристоров и используемый для коммутации в цепях переменного тока. В электронике часто рассматривается как управляемый выключатель (ключ). В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно. Однако по способу включения относительно управляющего электрода основные выводы симистора различаются, причём имеет место их аналогия с катодом и анодом тиристора. На приведённом рисунке верхний по схеме вывод симистора называется выводом 1 или условным катодом, нижний — выводом 2 или условным анодом, вывод справа — управляющим электродом.
После подключения устройства к сети на один из электродов симистора подаётся переменное напряжение. На электрод, который является управляющим с диодного моста подаётся отрицательное управляющее напряжение. При превышении порога включения симистор откроется и ток пойдёт в нагрузку. В тот момент, когда напряжение на входе симистора поменяет полярность он закроется. Потом процесс повторяется.
Чем больше уровень управляющего напряжения тем быстрее включится симистор и длительность импульса на нагрузке будет больше. При уменьшении управляющего напряжения длительность импульсов на нагрузке будет меньше. После симистора напряжение имеет пилообразную форму с регулируемой длительностью импульса. В данном случае изменяя управляющее напряжение мы можем регулировать яркость электрической лампочки или температуру жала паяльника.
Симистор управляется как отрицательным так и положительным током. В зависимости от полярности управляющего напряжения рассматривают четыре так называемых сектора или режима работы. Но этот материал достаточно сложен для одной статьи.
Операционные усилители. Часть 4: Активный детектор. Умножение и деление на ОУ. Источники питания. Усилители мощности
В предыдущей публикации цикла мы разобрались, как работают составные части ПИД-регулятора, научились производить операции сложения и вычитания, находить производную и интеграл по времени.
В данной публикации цикла мы научимся с помощью ОУ производить операции деления и умножения, находить модуль, определять знак, сравнивать числа и находить наибольшее из них. Для этого мы разберём работу ряда схем на ОУ с «обвязкой» из транзисторов и диодов.
Публикация содержит большое количество схем, работа большинства которых понятна без подробных объяснений, диаграмм и графиков. Часть решений дана для информации: они служат основой для специализированных микросхем и в «чистом виде» в современной разработке уже не применяются.
Для тех, кто присоединился недавно, сообщаю, что это четвёртая из семи публикаций цикла. Содержание публикаций со ссылками на них находится в конце статьи.
На КДПВ к компании операционных усилителей К140УД708, К140УД1408 и К574УД2Б добавлен малошумящий двухканальный ОУ К157УД2 – советский аналог LM301.
Активный детектор
Детектор (однополупериодный выпрямитель) предназначен для передачи на выход сигналов только одной полярности. При подаче на вход детектора сигнала другой полярности, на выходе детектора устанавливается уровень 0 В.
Классическая схема активного детектора на ОУ приведена на рисунке ниже:
Схема при подаче на выход положительных значений входного сигнала (Uвх > 0) ведёт себя как повторитель. Нелинейность вольтамперной характеристики диода и величина прямого падения напряжения Uпр компенсируются ООС. При Uвх < 0, Uвых = 0 В.
Существенным недостатком схемы является переход DA1 в режим насыщения при подаче на вход отрицательного напряжения: это приводит к искажениям выходного сигнала при переходах нуля входным сигналом.
Усовершенствованная схема активного детектора на ОУ при отрицательных значениях входного сигнала ведёт себя как инвертирующий повторитель. При положительных значениях входного сигнала за счёт обратной связи через диод VD2 на выходе левого по схеме ОУ устанавливается напряжение, равное 2Uпр.
Активный пиковый детектор
Активный пиковый детектор служит для нахождения наибольшего значения входного сигнала:
Когда напряжение на входе схемы больше, чем на конденсаторе C1, диод VD1 открывается, и напряжения на входе детектора и на конденсаторе C1 выравниваются. Сброс хранящегося в C1 значения производится замыканием ключа S1.
Активный ограничитель сигнала
Схема активного ограничителя сигнала на ОУ приведена ниже:
Напряжение Uвых на выходе схемы не может превышать значение Uогр: при значениях Uвх < Uогр входное напряжение Uвх подаётся на неинвертирующий вход повторителя DA2. При Uвх > Uогр напряжение на выходе DA1 открывает диод VD1, DA1 начинает работать как повторитель, напряжение на выходе DA2 Uвых = Uогр.
Нахождение абсолютного значения напряжения сигнала
Абсолютное значение (модуль) напряжения входного сигнала находят с помощью активного двухполупериодного выпрямителя на двух ОУ:
Умножение и деление аналоговых сигналов
Иногда при обработке сигналов их требуется перемножить или поделить. В аналоговых вычислительных устройствах умножение и деление производят с помощью логарифмических преобразователей.
Перед началом логарифмического преобразования нам нужно выделить модуль, допустим, с помощью активного двухполупериодного выпрямителя, и определить знак, например, с помощью компаратора.
Затем всё как на старой доброй логарифмической линейке: произведение абсолютных значений (модулей) аналоговых сигналов равно сумме их логарифмов, а частное – разности, возведение в квадрат тождественно умножению логарифмического значения на два, а взять квадратный корень можно, уменьшив логарифм в два раза.
Сумму и разность логарифмов можно получить с помощью суммирующего и разностного звеньев, описанных в предыдущей публикации. Умножить на коэффициент можно с помощью пропорционального звена (см. первую и вторую части цикла) для K > 1 или делителя напряжения для 1 > K > 0.
Преобразовать линейное значение сигнала в логарифмическое можно с помощью логарифмического преобразователя. Схема логарифмического преобразователя, приведённого ниже, корректно работает с положительными значениями входного сигнала:
В цепи обратной связи можно использовать диод, но применение транзистора вместо диода даёт существенный выигрыш в плане температурной стабильности.
Обратное преобразование, из логарифмического представления в линейное, производит схема экспоненциального преобразователя, приведённая ниже:
По мере развития вычислительной мощности цифровых устройств тема аналогового умножения, деления и вычисления интеграла и производной по времени становится всё менее и менее актуальной. Тем не менее, специализированные микросхемы перемножителей напряжений по-прежнему выпускаются промышленностью.
Хорошо и обстоятельно тема умножения и деления с помощью ОУ разобрана в [3] в разделе «11.8 Аналоговые схемы умножения» на стр. 160 – 167. Математический аппарат подробно разобран в [1] в разделе «4.5 Перемножители напряжений» на стр. 126 – 132. Пример использования логарифмических преобразователей в качестве усилителя, управляемого напряжением, приведен на стр. 182 [4].
Необходимо заострить внимание на том, что передаточная характеристика логарифмических и экспоненциальных преобразователей на ОУ имеет сильную зависимость от температуры. Для поддержания постоянства параметров этих схем требуется температурная компенсация. Образец схемы логарифмического преобразователя с температурной компенсацией приведен на рис. 4.94 п на стр. 271 [2].
Компаратор на ОУ. Триггер Шмитта
Компаратор позволяет сравнить напряжение входного сигнала с опорным напряжением. Схема компаратора представляет собой ОУ без ООС. Опорное напряжение на приведённой ниже схеме подаётся на неинвертирующий вход:
Если напряжение на инвертирующем входе больше опорного, на выходе появляется отрицательное напряжение насыщения. Если меньше, то – положительное.
Недостатком этой схемы является эффект «дробления фронтов»: шум, который появляется в момент переключения.
От «дробления фронтов» избавляются введением в схему компаратора небольшой положительной обратной связи (ПОС). Номинал резистора R1 – порядка 100 кОм. Схема обладает гистерезисом и называется «триггером Шмитта»:
Для формирования сигналов цифровых логических уровней на выход компаратора или триггера Шмитта подключают транзисторный ключ с открытым коллектором (стоком).
Компараторы и триггеры Шмитта, в том числе с однополярным питанием и с преобразованием уровней, выпускаются промышленностью в большом ассортименте. В современной разработке целесообразно применять серийные образцы этих устройств.
Источник опорного напряжения
Операционные усилители в качестве источника опорного напряжения широко применялись до распространения специализированных микросхем линейных стабилизаторов типа LM317 или 78хх (79хх). На рисунке ниже приведена схема стабилизированного источника напряжения на ОУ:
Опорное напряжение Uоп со стабилитрона VD1 подаётся на неинвертирующий вход ОУ. На инвертирующий вход подаётся сигнал с делителя напряжения R2, R3. Если напряжение на инвертирующем входе больше Uоп, транзистор VT1 закрывается отрицательным напряжением на выходе ОУ. Когда напряжение на инвертирующем входе становится меньше Uоп, транзистор VT1 открывается.
В «динамике» схема работает как пропорциональный регулятор с колебательным переходным процессом. В современной разработке целесообразно применять серийные образцы интегральных линейных стабилизаторов.
Источник тока
На схеме ниже изображён стабилизированный источник тока:
Усилитель мощности
Усилители мощности с двухполярным питанием на основе ОУ были чрезвычайно популярны в конце прошлого века. В современной разработке превалируют интегральные усилители мощности на специализированных микросхемах.
На левой части рисунка изображён усилитель мощности на ОУ с непосредственной разгрузкой по току. Выходные транзисторы включены без смещения на базах, т.е. работают в «классе B». Схема охвачена ООС. Характерные для этого режима работы искажения типа «ступенька» дополнительно компенсируются передачей на выход усилителя мощности сигналов непосредственно с выхода ОУ через резистор R3. Это происходит, когда выходные транзисторы ещё не открыты или находятся на нелинейном участке характеристики.
На правой части рисунка изображён усилитель мощности на ОУ с косвенной разгрузкой по току. Выходные транзисторы работают в «классе AB», входным сигналом каскада служит падение напряжения на резисторах в цепях питания ОУ. Нелинейность схемы компенсируется ООС.
▍ От автора
В данной публикации предоставлен большой фактический объём сведений о схемах на ОУ с нелинейными элементами в цепях обратной связи.
Разработка усилителей мощности или источников питания на ОУ в современном мире может и не потребоваться, но знание того, что таится в недрах специализированных микросхем, ещё никому не помешало.
Из следующей публикации цикла мы узнаем, как реализовать на ОУ активный фильтр и генератор.
Данный цикл публикаций состоит из семи частей. Краткое содержание публикаций:
Блок питания для радиолюбителя
Вниманию радиолюбителей представляется разработка блока питания для домашней лаборатории. Достоинство данного БП в том, что не нужны дополнительные обмотки на силовом трансформаторе. Микросхема DA1 работает с однополярным питанием. Выходное напряжение плавно регулируется от 0 до 30в. Блок питания имеет плавную регулировку ограничения по току.
Схемотехническое решение несложно и данный блок питания может изготовить начинающий радиолюбитель.
Выпрямленное напряжение +38В, после конденсатора С1, подается на регулирующий транзистор VT2 и транзистор VT1. На транзисторе VT1, диоде VD2, конденсаторе С2 и резисторах R1, R2, R3 собран стабилизатор, который используется для питания микросхемы DA1. Диод VD2 представляет собой трехвыводной, регулируемый, параллельный стабилизатор напряжения. На выходе стабилизатора, резистором R2 устанавливается напряжение +6,5 вольт, т. к. предельное питающее напряжение микросхемы DA1 VDD = 8 вольт. На операционном усилителе DA1.1 TLC2272 собрана регулирующая часть напряжения блока питания. Резистором R14 регулируется выходное напряжение блока питания. На один из контактов резистора R14 подается опорное напряжение, равное 2,5 вольта. Точность данного напряжения, в небольших пределах, устанавливается подбором резистора R9.
Через резистор R15, регулируемое резистором R14, напряжение подается на вход 3 операционного усилителя DA1.1. Через данный операционный усилитель производится обработка выходного напряжения блока питания. Резистором R11 регулируется верхний предел выходного напряжения. Как уже говорилось, микросхема DA1 питается однополярным напряжением 6,5В. И, тем не менее, на выходе блока питания удалось получить выходное напряжение равное 0 в.
На микросхеме DA1.2 построен узел защиты блока питания по току и от КЗ. Таких схемотехнических решений узлов защиты было описано множество в различной РЛ литературе и поэтому подробно не рассматривается.
В авторском варианте ток можно регулировать от 0 до 3А. Цепочка R10 и VD4 используется как индикатор перегрузки по току и КЗ.
Принципиальная схема блока питания показана на рис.1.
Налаживание блока питания начинают с подачи напряжения +37…38 В. На конденсатор С1. С помощью резистора R2 выставляют на коллекторе VT1 напряжение +6,5В. Микросхему DA1 в панельку не вставляют. После того, как выходное напряжение на ножке 8 панельки DA1 установлено +6,5В, выключают питание и вставляют в панельку микросхему. После включают питание и, если напряжение на ножке 8 DA1 отличается от +6,5В, производят его подстройку. Резистор R14 должен быть выведен на 0, т.е. в нижнее по схеме положение. После того, как напряжение питания микросхемы установлено, устанавливают опорное напряжение +2,5В на верхнем выводе переменного резистора R14. Если оно отличается от указанного в схеме, подбирают резистор R9. После этого резистор R14 переводят в верхнее положение и подстроечным резистором R11 устанавливают верхний предел выходного напряжения +30В. Выходное нижнее напряжение без резистора R16 равно 3,3 мВ, что не сказывается на показании цифрового индикатора и показания равны 0в. Если между ножками 1 и 2 микросхемы DA1.1 включить резистор 1,3МОм., то нижний предел выходного напряжения уменьшится до 0,3 мВ. Контактные площадки для резистора R16 в печатной плате предусмотрены. Затем подключают реостатное сопротивление в нагрузку и проверяют параметры узла защиты. При необходимости подбирают резисторы R6 и R8.
В данной конструкции можно использовать следующие компоненты.
VD2, VD3 — KPU2EH19, вместо транзистора VT2 TIP147 можно использовать отечественный транзистор КТ825, VT3 – BD139, BD140, VT1 – любой кремневый малой или средней мощности транзистор с напряжением Uк не менее 50в. Подстроечные резисторы R2 и R11 из серии СП5. Силовой трансформатор можно применить на мощность 100 … 160Вт. Резистор R16 с характеристикой ТК не хуже 30 ppm/ Со и должен быть, либо проволочного, либо металло-фольгированного типа. Блок питания собран на печатной плате размером 85 x 65 мм.
Узел опорного напряжения на VD3 можно заменить узлом на микросхеме TLE2425 – 2,5v. Входное напряжение данной микросхемы может варьироваться от 4 до 40в. Выходное напряжение стабильно – 2.5в.
Во время настройки вместо микросхемы TLC2272 экспериментально была применена микросхема TLC2262. Все параметры остались равными заданным, отклонений режимов не наблюдалось.
При испытаниях данной конструкции на питание микросхемы подавалось не 6,5 В, а 5 В. При этом резистор R9 = 1,6к. Узел питания микросхемы был заменен узлом, показанным на рис.5.
Если микросхема TLC2272 не в корпусе DIP-8, а SOIC-8, то можно поступить следующим образом, не переделывая печатной платы. Из изолированного материала готовится подложка — прямоугольник, размером 20 х 5 мм. На данный прямоугольник, клеем «МОМЕНТ», приклеивается «лапками к верху», т.е. вверх ногами, микросхема. Расположение микросхемы на подложке показано на рис.6.
После чего, получившийся «бутерброд» приклеивают, все тем же клеем, на обратной стороне печатной платы, предварительно удалив панельку DIP-8 (если она впаивалась). Подложку с микросхемой приклеивают, располагая равномерно между контактными площадками микросхемы на печатной плате. Ножка 1 микросхемы должна быть напротив контактной площадки, принадлежащей ножке 1 микросхемы DA1, или сдвинута чуть ниже. После этой операции, с помощью гибких проводников и паяльника соединяем ножки микросхемы и контактные площадки на печатной плате.
Радиолюбителями было собрано несколько экземпляров данных блоков питания. Все они начинали работать сразу и показали заданные результаты.
При разработке конструкции учитывалась не дорогая база деталей, минимум деталей, простота в налаживании и обращении, а так же выходные параметры, наиболее приемлемые среди радиолюбителей.
Графическое обозначение радиодеталей на схемах
Эти детали предназначаются для регулирования силы тока в цепи. Постоянные резисторы обладают определенной и неизменной величиной сопротивления. У переменных сопротивление находится в интервале от нуля до установленного максимального значения. Названия и условные обозначения этих радиодеталей на схеме регламентируются ГОСТом 2.728-74 ЕСКД. В общем случае на чертеже они представляют собой прямоугольник с двумя выводами. Американские производители обозначают резисторы на схемах зигзагообразной линией. 
изображение резисторов на схемах 
изображение резисторов на принципиальных схемах
Постоянные резисторы
Переменные резисторы
- Последовательное. Конечный вывод одной детали соединяется с начальным выводом другой. По всем элементам цепи протекает общий ток. Подключение каждого последующего резистора увеличивает сопротивление.
- Параллельное. Начальные выводы всех сопротивлений соединяются в одной точке, конечные – в другой. Ток проходит по каждому резистору. Общее сопротивление в такой цепи всегда меньше, чем сопротивление отдельного резистора.
- Смешанное. Это наиболее популярный тип соединения деталей, объединяющий два описанных выше.
Конденсаторы
- Конденсаторы с постоянной емкостью. Около значка ставится буква «С», порядковый номер детали, значение номинальной емкости.
- С переменной емкостью. Около графического значка проставляются значения минимальной и максимальной емкости.
Диоды и стабилитроны
графическое изображение диодов и стабилитронов на схемах Диод – полупроводниковый прибор, предназначенный для пропускания электрического тока в одну сторону и создания препятствий для его протекания в противоположную. Этот радиоэлемент обозначается в виде треугольника (анода), вершина которого направлена в сторону протекания тока. Перед вершиной треугольника располагают черту (катод). Стабилитрон – разновидность полупроводникового диода. Стабилизирует приложенное к выводам напряжение обратной полярности. Стабистор – диод, к выводам которого прилагается напряжение прямой полярности.
Транзисторы
Транзисторы – полупроводниковые приборы, используемые для генерации, усиления и преобразования электрических колебаний. С их помощью контролируют и регулируют напряжение в цепи. Отличаются разнообразием конструкций, диапазонов частот, форм и размеров. Наиболее популярны биполярные транзисторы, обозначаемые на схемах буквами VT. Для них характерна одинаковая электропроводность коллектора и эмиттера. графическое изображение транзисторов на схемах
Микросхемы
Микросхемы – это сложные по составу электронные компоненты. Представляют собой полупроводниковую подложку, в которую интегрируют резисторы, конденсаторы, диоды и другие радиодетали. Служат для преобразования электроимпульсов в цифровые, аналоговые, аналогово-цифровые сигналы. Изготавливаются в корпусе или без него. Правила условного графического обозначения (УГО) цифровых и микропроцессорных микросхем регламентируются ГОСТом 2.743-91 ЕСКД. Согласно им, УГО имеет форму прямоугольника. На схеме показывают линии подвода к нему. Прямоугольник состоит только из основного поля или основного и двух дополнительных. В основном поле в обязательном порядке указывают функции, выполняемые элементом. В дополнительных полях обычно расшифровывают назначения выводов. Основные и дополнительные поля могут разделяться или не разделяться сплошной линией. графическое изображение микросхем
Кнопки, реле, переключатели
- Кнопка представляет собой двухконтактный прибор, служащий для краткосрочного соединения частей электроцепи способом нажатия.
- Выключатель – двухконтактное устройство, предназначенное для соединения и размыкания электроцепи.
- Переключатель – трехконтактный прибор, служащий для переключения электроцепей. Один контакт может находиться в двух разных положениях. изображение элементов электрической цепи
- Реле – электроприбор, который служит для переключения электроцепей путем подачи напряжения на электрическую обмотку. Если в реле присутствует несколько групп контактов, то им присваивают порядковые номера. Контакты могут быть замыкающими, размыкающими, переключающими.