4. circuite electronice analogice...4.1. amplificatoare de măsurare • dintre circuitele...
TRANSCRIPT
4. CIRCUITE ELECTRONICE ANALOGICE
FOLOSITE ÎN SISTEMELE DE MĂSURAT
• Folosirea circuitelor electronice ca blocuri
componente ale sistemelor de măsurat
creează o serie de avantaje în ceea ce
priveşte modalităţile de prelucrare a
semnalelor, îmbunătăţirea performantelor şi
creşterea nivelului de precizie, în condiţiile
unei fiabilităţi şi siguranţe în funcţionare
ridicate şi a unui preţ de cost scăzut.
• Extinderea gamei de măsurare, în special spre valorile mici ale mărimilor măsurate, nu se poate concepe fără folosirea unor amplificatoare cu performante deosebite; creşterea preciziei de măsurare presupune utilizarea unor circuite speciale care sa îmbunătăţească raportul semnal-zgomot, ca de exemplu, filtrele.
• Folosirea pe scara tot mai largă a sistemelor complexe de măsurare, conducerea proceselor industriale asistata de calculator, nu poate fi conceputa fără utilizarea unor circuite electronice adecvate prin care sa se asigure interfaţarea acestora în punctele de intrare si ieşire, precum şi prelucrarea optima a semnalelor.
• Având în vedere cele de mai sus, în continuare, vor fi prezentate câteva dintre circuitele electronice folosite în sistemele de măsurat.
4.1. Amplificatoare de măsurare
• Dintre circuitele electronice liniare (sunt acele circuite la care semnalul de ieşire este proporţional cu semnalul de intrare) cele mai folosite sunt amplificatoarele.
• Un amplificator este un cuadripol activ, care are două borne de intrare şi două borne de ieşire, având rolul de a dezvolta în circuitul de ieşire o putere mai mare decât cea aplicată la intrare, fără a se modifica forma semnalului amplificat. Câştigul de putere rezultă pe seama consumului de energie de la o sursă de alimentare.
• În funcţie de natura mărimilor de intrare şi de
ieşire se disting patru tipuri de amplificatoare:
- amplificatorul de tensiune, la care mărimile de
intrare şi de ieşire sunt tensiuni electrice;
- amplificatorul de curent, la care mărimile de
intrare şi de ieşire sunt curenţi electrici;
- amplificatorul de transconductanţă, la care
mărimea de intrare este tensiune, iar cea de ieşire
este curent;
- amplificatorul de transimpedanţă, la care
mărimea de intrare este curent, iar cea de ieşire
este tensiune.
• Principalii parametrii ai unui amplificator sunt:
- amplificările în putere, tensiune şi în curent;
- impedanţele de intrare şi de ieşire;
- puterea nominală;
- raportul semnal/zgomot.
• În Fig.4.1 este prezentată schema echivalentă Thevenin pentru un lanţ de amplificare în tensiune, ce cuprinde sursa de semnal Us cu rezistenţa internă Rs şi amplificatorul, care are la intrare tensiunea Ui şi rezistenţa Ri şi furnizează la ieşire tensiunea U0 pe sarcina rezistivă RL.
Us Ui AUi
RsR0
U0 RL
SURSA AMPLIFICATOR SARCINA
Ri
Fig.4.1. Lanț de amplificare
Amplificarea în tensiune a lanţului este:
ARR
R
RR
R
U
U
0L
L
si
i
s
0
Această relaţie arată că amplificarea globală este independentă de sursa de semnal şi de sarcină doar dacă
Ri= şi R0=0, caz în care amplificarea lanţului de amplificare
devine egală cu amplificarea A a amplificatorului. Un astfel
de lanţ de amplificare este ideal.
S-a considerat că circuitul de intrare al amplificatorului nu conţine alte surse de curent sau de tensiune şi este pur
rezistiv. Circuitul echivalent de ieşire al amplificatorului
conţine o sursă de tensiune de valoare AUi şi o rezistenţă de ieşire R0.
Caracteristicile de frecvenţă ale amplificatorului reprezintă
dependenţele: amplificare-frecvenţă și defazaj-frecvenţă.
Dependenţa amplificare-frecvenţă A=A(f), poartă denumirea
uzuală de caracteristică de frecvenţă. Amplificatoarele pot avea
forme variate ale caracteristici de frecvenţă (Fig.4.2), în care f j
este frecvenţa joasă de tăiere, iar f j este frecvenţa înaltă de tăiere.
În practică interesează domeniul de frecvenţă în care amplificarea
este aproximativ constantă. Acest domeniu (interval) se numeşte
bandă de trecere (de frecvenţă) a amplificatorului şi se defineşte
ca fiind intervalul pe axa frecvenţelor, în care amplificarea nu
variază cu 3 dB faţă de amplificarea de la frecvenţa medie a
benzii. Scăderea cu 3 dB a amplificării, la extremităţile benzii de
trecere, este echivalentă cu scăderea amplificării la valoarea
00 70702
1A,A
unde A0 este amplificarea la frecvenţa medie a benzii şi
corespunde micşorării la jumătate a puterii la ieşirea
amplificatorului.
A
[dB]
A
[dB]
f
-3dB
A0
0,707A0
fj fî
f
-3dB
A0
fj=0 fî 0 a) b)
0,707A0
Fig.4.2. Caracteristica amplificare-frecvenţă
• Obţinerea unor performante superioare pentru
amplificatoare se poate realiza prin utilizarea unei
bucle de reacție negativa. Folosirea reacţiei în
amplificatoare presupune readucerea la intrarea
amplificatorului a unei părţi din semnalul de ieşire
prin bucla de reacţie, în scopul modificării
caracteristicilor acestuia.
• Daca semnalul adus prin bucla de reacţie produce
creşterea semnalului de intrare, reacţia este pozitiva,
iar în caz contrar, negativa. Reacţia pozitivă este
folosită la oscilatoarele electronice și la
comparatoare, în timp ce reacţia negativă se
foloseşte pentru îmbunătăţirea performantelor
amplificatoarelor.
A1
A
UU
U
U
UA
r
e
i
er
În Fig.4.3 este prezentata schema bloc a unui amplificator cu reacţie, format dintr-
un amplificator cu amplificarea A si un circuit de reacţie având funcţia de transfer
. Din figura, rezulta ca pot fi scrise relaţiile:
A=Ue/U; =Ur/Ue; U=UI – Ur (4.2)
Rezultă ca amplificarea amplificatorului cu reacţie va fi:
(4.3)
Daca amplificarea A a amplificatorului de baza este suficient de mare, astfel încât
A>>1, rezulta ca amplificarea amplificatorului cu reacţie devine:
Ar = 1/ (4.4)
ceea ce arata ca, în acest caz, valoarea amplificării amplificatorului cu reacţie
este independenta de valoarea amplificării amplificatorului de baza şi depinde
numai de circuitul de reacţie care se poate realiza cu elemente pasive precise.
Astăzi, majoritatea amplificatoarelor sunt realizate sub formă integrată monolitică,
cele mai reprezentative fiind amplificatoarele operaţionale.
Fig.4.3. Schema bloc a unui amplificator cu reacţie
4.2. Decibelul-unitate de măsură specială
Fig.4.3. Cuadripol
]dB[P
PlgA
iP
010
]dB[I
Ilg)
I
Ilg(
RI
RIlg
P
PlgA
]dB[U
Ulg)
U
Ulg(
R/U
R/Ulg
P
PlgA
iiiiI
iiiiU
020
2
200
020
2
200
20101010
20101010
În practică, este deseori utilă exprimarea amplificării în decibeli. Ca
urmare, amplificarea de putere, în decibeli (dB):
unde Pi şi P0 sunt puterile la intrarea, respectiv ieşirea
amplificatorului.
Considerând că rezistenţa de sarcină de la ieşirea amplificatorului
este egală cu rezistenţa de intrare a amplificatorului (RL = Ri =R) se
poate defini amplificarea de tensiune şi respectiv amplificarea de
curent în decibeli:
(4.6)
4.3. Amplificatoare operaţionale (AO)
• Reprezintă categoria cea mai răspândită de amplificatoare integrate, caracterizate prin amplificare mare în tensiune, impedanţă mare de intrare, impedanţă mică de ieşire, stabilitate bună cu temperatura şi cu tensiunea de alimentare.
• Denumirea de “operaţionale” are doar o justificare istorică, primele astfel de amplificatoare fiind utilizate pentru realizarea unor operaţii matematice: adunare, integrare, derivare, e.t.c.
• Un AO este constituit din mai multe etaje de amplificare conectate în cascadă. Deoarece AO este un circuit integrat, pentru a putea fi utilizat trebuie să ştim ce se află în interiorul circuitului. Cu toate acestea, caracteristicile AO pot fi înţelese suficient de bine având doar câteva idei despre ce se află în interiorul circuitului integrat.
Intrarea
neinversoare
Amplificator
diferenţial
Amplificator
de tensiune
Amplificator
de ieşire
-
+
Intrarea
inversoare
+V
-V
Ieşirea
Fig.4.4. Structura unui AO tipic
• În Fig.4.4 este prezentată schema bloc a unui AO tipic. Etajul de intrare, alcătuit dintr-un amplificator diferenţial, prezintă avantajele unei rejecţii de mod comun mari, unei intrări diferenţiale şi unei impedanţe mari de intrare (de ordinul megohmilor).
• Al doilea etaj este un amplificator de tensiune cu amplificare (câştig) mare, compus din mai multe tranzistoare care sunt adesea conectate în perechi Darlington. Amplificarea în tensiune realizată de acest etaj depăşeşte 200.000, în c.c.
• Etajul de ieşire este de regulă un repetor pe emitor, care determină o impedanţă mică de ieşire pentru AO.
• În Fig.4.5 este prezentată schema echivalentă a unui amplificator operaţional, care are două intrări, intrarea inversoare ““ şi intrarea neinversoare “+”, o ieşire şi un punct de masă. Alte borne servesc la alimentarea amplificatorului (cu potenţiale simetrice +V şi –V ), la echilibrarea tensiunii de decalaj (offset), la compensarea (modificarea) caracteristicii de frecvenţă a AO (prin circuite exterioare constând din capacităţi şi rezistenţe). În Fig.4.6 este arătat aspectul general şi modulul în care un AO se reprezintă în schemele electronice
Rd
+
-
R0
A0Udud
u0up
un
ip
inip
in
-
+
un
up
AO
+V
-V
u0
b)a)
Fig.4.5. Modelul practic pentru
amplificatorul operaţional
Fig.4.6. Aspectul general (a) şi
reprezentarea în schemele electronice a
unui AO (b)
Structura unui circuit integrat
-V
U0L
Regiune
liniară
U0H
+V
U0Hud[mV]
u0[V]
Saturaţie
pozitivă
Saturaţie
negativă
0d
0 Au
utg
În Fig.4.7 este prezentată caracteristica de transfer în tensiune
(tensiunea de ieşire u0, în funcţie de tensiunea diferenţială de
intrare ud) a unui AO.
Relaţia de funcţionare a unui AO este:
u0 = A0(up-un) = A0ud (4.10)
Tensiunea ud se numeşte tensiune diferenţială de intrare şi se regăseşte pe rezistenţa
diferenţială de intrare Rd, iar A0 este amplificarea în buclă deschisă a AO. Amplificarea este o funcţie de frecvenţă, A0=A0(f), şi are valoarea maximă la f = 0 (A0(0)=103÷106).
În regiunea centrală funcţionarea AO este liniară (tensiunea de ieşire este proporţională
cu tensiunea diferenţială de intrare) iar panta caracteristicii este amplificarea în tensiune
A0.
(4.11)
Fig.4.7. Caracteristica de transfer în tensiune a unui
AO
Pentru ca funcţionarea AO să fie liniară, acesta trebuie să
lucreze numai în regiunea liniară a caracteristicii lui. Dacă
tensiunea diferenţială de intrare ud creşte astfel încât
tensiunea de ieşire se apropie până la 1-2 V de tensiunea
de alimentare +V ultimul etaj al AO se saturează. Ca
urmare, la creşterea în continuare a tensiunii ud, tensiunea
de ieşire rămâne constantă (uo = UOH). Acelaşi lucru se
întâmplă dacă tensiunea de ieşire scade apropiindu-se
până la 1-2 V de tensiunea –V. Limita superioară a
tensiunii de ieşire se numeşte tensiune de saturaţie
pozitivă (UOH) iar cea inferioară, tensiune de saturaţie
negativă (UOL).
În Fig.4.8 este arătat modul practic de alimentare a unui
AO.
Aplicaţia 4.2
• Să se determine valoarea tensiunii de la ieşirea AO din Fig.4.9, în două situaţii:
a) ud=0,09mV
b) ud=0,5mV
-
+
AO
+15V
-15V
-
+
AO
+-
+
-15V
15V
Fig.4.8. Alimentarea unui AO.
-V
ip
in
Regiune
liniară
11V
+V
U0H ud[mV]
u0[V]
Saturaţie
pozitivă
Saturaţie
negativă
-
+
un
up
AO
+V
-V
u0
-11V
0,1mV
ud
Fig.4.9. Schema şi caracteristica de transfer a AO
Parametrii esenţiali ai unui AO ideal sunt:
• amplificarea în buclă deschisă infinită.
d
0
np
00
u
u
uu
uA
Rezultă up = un sau ud = 0
impedanţă de intrare infinită Z i = ;
impedanţă de ieşire nulă Z e = 0 ;
tensiune de decalaj (de offset) nulă Voff = 0.
S-a constatat că atunci când ambele intrări sunt scurtcircuitate la masă (ud=0),
tensiunea de ieşire este diferită de zero (u 0 0).
Se numeşte tensiune de decalaj (de offset), tensiunea care trebuie aplicată la
intrare astfel încât la ieşire, tensiunea să fie nulă. Tensiunea de decalaj are valori
cuprinse între 1mV şi 10mV la AO de uz general şi sub 1 mV, la cele de precizie.
curenţii de decalaj şi de polarizare de la intrare sunt nuli.
- Curentul de decalaj (offset): Ioff = i n- ip = 0
- Curentul de polarizare: Ipol=1/2(i n+ip)=0
(4.12)
Din cele două relaţii rezultă : i n = ip = 0
• În realitate astfel de parametrii ideali nu pot fi realizaţi, existând diferite tipuri de AO care au anumiţi parametrii ce tind către valorile ideale.
• În Fig.4.11 este arătată schema echivalentă pentru un AO ideal.
• În buclă deschisă AO sunt puţin utilizate deoarece parametrii lor nu sunt stabili, depinzând de mărimea semnalului de intrare, de temperatură, de tensiunea de alimentare etc. Prin utilizarea unei reacţii se pot modifica proprietăţile AO obţinându-se o amplificare constantă, a cărei valoare este determinată în special de parametrii elementelor din reacţie.
+
-
A0ud ud
u0 up
un
Fig.4.11 Modelul ideal pentru AO.
• Amplificatoarele operaţionale moderne, precum modelul popular 741, sunt circuite integrate de o înaltă performanţă şi ieftine pe de altă parte. Impedanţele lor de intrare sunt foarte mari, curenţii pe la bornele acestora se situează în jurul valorii de 0,5 mA pentru modelul 741, şi mult mai puţin pentru AO cu tranzistori cu efect de câmp la intrare. Impedanţa de ieşire este de obicei foarte mică, aproximativ 75 Ω pentru modelul 741, multe modele având protecţie integrată la scurt-circuit, ceea ce înseamnă că ieşirile acestora pot fi scurt-circuitate fără ca acest lucru să afecteze circuitul intern al amplificatorului. Cu un cuplaj direct între etajele interne cu tranzistori ale AO, acestea pot amplifica semnale de c.c., precum şi de c.a. Costurile de timp şi de bani pentru proiectarea unui circuitu amplificator utilizând componente discrete se ridică mult peste costului unui amplificator operaţional.
• Din aceste motive, AO au scos aproape complet din uz amplificatoarele de semnal folosind tranzistori discreţi.
• Unele circuite integrate conţin două AO într-un singur pachet, incluzând modelele populare TL082 şi 1458. Aceste unităţi „duale” sunt împachetate tot într-un integrat DIP cu 8 pini.
• Pentru un AO cu o amplificare în tensiune, AV = 200.000, şi o tensiune maximă de ieşire între +15V şi -15V, o diferenţă de tensiune de doar 75 µV între cele două intrări este suficientă pentru intrarea amplificatorului în saturaţie sau blocare!
• Înainte de a examina utilizarea componentelor externe pentru reducerea amplificării la un nivel rezonabil, putem investiga mai întâi aplicaţiile AO „pur”.
4.4. Comparatoare
• Una dintre aplicaţiile AO, o reprezintă comparatorul.
Practic, putem spune că ieşirea unui AO va fi saturată
pozitiv dacă intrarea neinversoare (+) este mai pozitivă
decât cea inversoare (-), şi saturat negativ dacă intrarea
(+) este mai puţin pozitivă decât intrarea (-). Cu alte
cuvinte, amplificarea foarte mare în tensiune a unui AO,
înseamnă că acesta poate fi folosit pentru a compara
două tensiuni (una reprezentând o mărime de stare şi
alta un punct de referinţa), şi folosirea semnalului de la
ieşire pentru semnalizarea cazului în care există o
diferenţă între cele două semnale de intrare.
• Ca urmare, comparatoarele sunt circuite de
comutaţie a căror tensiune de ieşire ia una
sau alta dintre două valori, mult diferite, după
cum diferenţa celor două tensiuni de intrare
este pozitivă sau negativă.
• În general una din cele două tensiuni de
intrare este fixă şi este numită tensiune de
prag întrucât cu ea se compară tensiunea de
intrare. Dacă tensiunea de intrare (de
comparat) se aplică la intrarea inversoare
comparatorul este inversor, iar dacă se aplică
la intrarea neinversoare comparatorul este
neinversor.
• Există două tipuri de comparatoare:
Comparatoare simple, fără reacție, cu o singură
tensiune de prag;
Comparatoare cu histerezis (cu reactie pozitiva), cu
doua tensiuni de prag;
• Tensiunea de prag VP : acea valoare particulară a
tensiunii de intrare vI pentru care are loc comutarea
tensiunii de iesire, (pentru care vD=0).
4.4.1. Comparatoare cu VP =0
Comparator neinversor
Comparator inversor
4.4.2. Comparatoare cu VP ≠0
• Comparatorul cu AO de mai jos, compară tensiunea de la intrare cu o tensiune de referinţă stabilită printr-un potenţiometru (R1). Dacă Vintrare scade sub tensiunea stabilită de R1, ieşirea AO se va satura la +V, iar LED-ul se va aprinde. Invers, dacă Vintrare se află peste valoarea tensiunii de referinţă, LED-ul va fi polarizat invers, şi nu se va aprinde. În loc de LED, am putea conecta un releu, un tranzistor sau orice alt dispozitiv capabil să pună în funcţiune un mecanism de acţiune în cazul unei „alarme”.
R1
• O aplicaţie a circuitului comparator este cea
de convertor de semnal dreptunghiular.
Presupunând că tensiunea de intrare
aplicată la terminalul inversor (-) al AO ar fi o
undă sinusoidală de c.a., atunci tensiunea
de ieşire ar oscila între saturaţie pozitivă şi
saturaţie negativă de câte ori tensiune de
intrare va fi egală cu tensiunea de referinţă
produsă de potenţiometru. Rezultatul va fi
un semnal dreptunghiular.
VR
VR
• Prin ajustarea potenţiometrului se modifică tensiunea de referinţă aplicată la intrarea ne-inversoare (+), iar acest lucru modifică punctele de intersecţie ale undei sinusoida-le; rezultatul este o formă de undă dreptunghiulară cu un factor de umplere diferit.
• Semnalul de c.a. de la intrare nu trebuie să fie neapărat un semnal sinusoidal pentru ca acest circuit să-şi îndeplinească funcţia. Semnalul de intrare ar putea la fel de bine să fie triunghiular, dinte de fierăstrău, sau orice alt semnal periodic cu semi-alternanţe pozitive şi negative. Acest circuit comparator este foarte folositor pentru formarea undelor dreptunghiulare cu factori de umplere diferiţi. Această tehnică mai este denumită şi modularea în durată a pulsurilor sau PWM, adică variaţia, sau modularea unei forme de undă în funcţie de un semnal de control, în acest caz, semnalul produs de potenţiometru.
• Bargraph-ul este o altă aplicaţie unde se poate folosi un comparator. Dacă am conecta mai multe AO pe post de comparatoare, fiecare având propria sa tensiune de referinţă conectată la intrarea inversoare (-), dar fiecare primind acelaşi semnal de tensiune la intrarea neinversoare (+), putem construi un bargraph de tipul celor văzute la egalizatoarele grafice sau în sistemele stereo. Pe măsură ce semnalul de tensiune (reprezentând puterea semnalului radio sau nivelul sunetului audio) creşte, comparatoarele vor „porni” unul după altul şi vor pune în funcţiune LED-ul lor respectiv. Cu fiecare comparator pornind la un nivel diferit al sunetului audio, numărul LED-urilor aprinse va indica puterea semnalului de intrare.
• În circuitul prezentat, LED1 va fi primul care se va aprinde pe măsură ce tensiunea de intrare va creşte într-o direcţie pozitivă. Pe măsură ce tensiunea va continua să crească, şi celelalte LED-uri vor începe să pornească, unul după altul, până când toate vor fi aprinse.
• Aceeaşi tehnologie este folosită şi în cazul convertorului analog-digital (CAD), pentru „traducerea” unui semnal analog într-o serie de tensiuni pornit/oprit, reprezentând un număr digital.
• Indicator optic de nivel
Aplicaţia 4.8
Circuitul din Fig.4.30 reprezintă o alarmă de temperatură. Să se
descrie funcţionarea circuitului.
Termo-
rezistenţă
PBuzer
24V
+12V
-12V
R2
R1
Vn
Vp
Fig.4.30. Alarmă de temperatură
Aplicaţia 4.9
Descrieţi funcţionarea circuitului din Fig.4.31.
R
C
Buzer
24V
+12V
-12V
R2
R1
Fig.4.31. Circuitul analizat
4.5. Aplicaţii ale AO cu reacţie negativă
• Conectarea ieşiri unui AO la intrarea sa inversoare (-) poartă numele de reacţie negativă.
• Un AO cu reacţie negativă tinde să aducă tensiunea sa de ieşire la nivelul necesar pentru ca diferenţa de tensiune dintre cele două intrări ale sale să fie practic zero. Cu cât amplificarea AO este mai mare, cu atât mai apropiată de zero va fi valoarea diferenţei de tensiune.
• Dacă ar fi să conectăm ieşirea unui AO la intrarea sa inversoare (-) şi în acelaşi timp să aplicăm un semnal de tensiune la intrarea sa ne-inversoare (+), vom vedea că tensiunea de ieşire a AO este foarte apropiată de cea de intrare (pentru simplitate, sursa de putere, circuitul +V/-V şi masa nu au mai fost desenate în figură).
• Pe măsură ce Vintrare creşte, Vieşire creşte şi ea pe măsura amplificării diferenţiale. Totuşi, pe măsură ce Vieşire creşte, această tensiune de ieşire este furnizată înapoi spre intrarea inversoare, ducând astfel la scăderea diferenţei de tensiune dintre cele două intrări şi scăderea tensiunii de ieşire. Rezultatul este că, pentru oricare valoare a tensiunii de intrare, tensiunea de ieşire va fi aproape egală cu Vintrare, dar suficientă pentru menţinerea unei diferenţe de tensiune între Vintrare şi intrarea (-) a cărei amplificare generează tensiunea de ieşire.
• Să presupunem de exemplu că AO din exemplu de mai jos are o amplificare de 200.000. Dacă V intrare = 6 V, tensiunea de ieşire va fi de 5,999970000149999 V. Această valoare este suficientă pentru ca tensiunea diferenţială de 6 V - 5,999970000149999 V = 29,99985 μV, amplificată cu factorul de 200.000 să producă la ieşire exact 5,999970000149999 V; sistemul este astfel în echilibru, iar valoarea tensiunii de ieşire nu se (mai) modifică.
• După cum se poate vedea, diferenţa de tensiune nu
este prea mare (29,99985 μV); din considerente
practice, putem presupune că această diferenţă de
tensiune dintre cele două intrări este menţinută prin
intermediul reacţiei negative la exact 0 V.
• Întrucât amplificatoarele operaţionale sunt
amplificatoare de tensiune, aplicaţiile directe ale
acestora sunt ca amplificatoare de tensiune.
Modificând mai mult sau mai puţin conexiunile
de bază, se obţin alte circuite cu o mare
diversitate de aplicaţii.
• În scopul determinării relaţiilor de funcţionare
pentru diferitele tipuri de configuraţii de AO, vom
considera amplificatoarele operaţionale ideale.
Relaţiile în cazul real diferă puţin de cazul ideal,
dar sunt mult mai greu de obţinut.
Aplicație: Să se determine tensiunea la ieșirea
circuitului din figura de mai jos
4.6. Amplificatoare instrumentale (AI)
• Pentru amplificarea unor tensiuni mici în prezenţa unor
tensiuni de mod comun mari, furnizate de punţi de măsură, termocupluri sau alte traductoare, montate la distanţă faţă de punctul de citire şi prelucrarea datelor, în tehnica măsurării se utilizează aşa numitele amplificatoare instrumentale (sau de măsură). Acestea sunt amplificatoare diferenţiale, concepute şi realizate să funcţioneze în circuit închis, elementele de reacţie necesare fiind incluse în structura circuitului integrat. În exteriorul circuitului integrat se conectează numai o rezistenţă (sau o pereche de rezistenţe) prin care se obţine factorul de amplificare dorit, fără a influenţa alţi parametrii, cum ar fi impedanţa de intrare sau factorul de rejecţie de mod comun. Pe de altă parte, AI permit realizarea de performanţe superioare AO, referitor la impedanţa de intrare, tensiunea de decalaj şi deriva termică, liniaritatea, stabilitatea şi precizia factorului de amplificare.
• Schema cea mai răspândită de amplificator instrumental conţine trei AO şi este prezentată în Fig.4.20. Amplificatoarele operaţionale A1 şi A2 formează un prim etaj de amplificare. Acesta realizează impedanţe mari de intrare pentru sursele de semnal ui1 şi ui2, deoarece atât A1 cât şi A2 sunt în montaj neinversor. Cel de-al doilea etaj, realizat cu A3, este un amplificator diferenţial.
A1
A3
A2
R2
R3
R3
R2
R1
R1
RG
ui1
ui2
u0ud
Fig.4.20. Amplificator instrumental
4.7. Convertoare tensiune-curent
• Există o serie de situaţii în care este necesar ca tensiunea pe o sarcină sau curentul printr-o sarcină să nu depindă de valoarea sarcinii. Obţinerea unei tensiuni care să fie independentă de valoarea sarcinii pe care se aplică nu pune probleme, deoarece sursele uzuale (surse de alimentare stabilizate, surse de referinţă) au în general această proprietate: comportarea lor se apropie de comportarea unei surse ideale de tensiune. De asemenea, configuraţiile de AO cu reacţie negativă se comportă şi ele, la ieşirea AO, ca surse ideale de tensiune.
• Pentru obţinerea unui curent care să fie independent de valoarea sarcinii este nevoie să convertim tensiunea într-un curent. Circuitele care fac această conversie se numesc convertoare tensiune-curent sau surse de curent comandate în tensiune.
• În Fig.4.32 sunt prezentate două convertoare tensiune curent pentru sarcină flotantă, în conexiune inversoare (a) şi respectiv neinversoare (b), când rezistenţa de sarcină Rs este legată nu între ieşirea AO şi masă ci introdusă în reacţie.
+
-
Rs
V0Vi Ii
Is
+
-
Rs
V0
Vi
Is
R RI0 I0
a) b)
is
is
VR
I
VR
I
1
1
Neajunsul important pentru ambele convertoare este că rezistenţa de sarcină este flotantă, adică nu
are nici o bornă la masă.
Considerând că sensul pozitiv arbitrar al curentului prin sarcină este orientat în ambele scheme, de
la ieşirea AO spre intrarea lui, expresiile curentului prin sarcină pentru convertorul inversor respectiv
neinversor sunt:
Pentru tensiuni de intrare pozitive, în convertorul inversor, curentul de sarcină trece de la intrarea
inversoare spre ieşirea AO, iar în cel neinversor de la ieşirea AO spre intrarea inversoare. Pentru
tensiuni de intrare negative se inversează sensul curenţilor.
Fig.4.32. Convertoare tensiune-curent pentru sarcină flotantă: a) conexiune inversoare; b) conexiune neinversoare
• Pentru evitarea distrugerii circuitului integrat, la un AO de uz general curentul de ieşire I0 este limitat la 10 mA. Deoarece I0=Is pentru ambele convertoare, rezultă că şi curentul de sarcină este limitat la 10 mA.
• De asemenea, tensiunea la ieşirea AO nu poate depăşii tensiunea de alimentare a acestuia întrucât AO intră în saturaţie. Ca urmare şi tensiunea pe sarcină este limitată întrucât ea depinde de tensiunea de ieşire. Astfel, pentru convertorul inversor tensiunea pe sarcină Vs este egală cu V0, iar pentru convertorul neinversor VS=V0-VI.
• Dacă înlocuim rezistenţa de sarcină din schema convertorului tensiune curent neinversor cu un miliampermetru, obţinem un instrument pentru măsurarea tensiunii de intrare adică, un voltmetru de c.c (Fig.4.33).
• Se observă că:
(4.61)
şi astfel miliampermetru poate fi gradat direct în volţi.
• Întrucât tensiunea de măsurat se aplică intrării neinversoare a AO, rezistenţa de intrare a voltmetrului este foarte mare. Pe lângă acest avantaj se observă că valoarea curentului prin instrument nu este influenţată de modificarea rezistenţei interne a acestuia.
+
-
mA
V0
Vx
I
RI0
b)
xVR
I1
Fig.4.33. Convertor tensiune-curent neinversor
utilizat ca voltmetru de c.c.
• Uneori este necesară obţinerea unui curent prin sarcină mai mare decât valoarea maximă a curentului de ieşire pe care îl poate furniza AO de care se dispune. O soluţie constă în legarea la ieşirea AO a unui tranzistor bipolar cu rol de amplificator de curent. Deoarece tranzistorul poate conduce curent într-un singur sens (impus de tipul npn sau pnp) înseamnă că şi curentul prin sarcină poate avea un singur sens. Rezultă că şi tensiunea de intrare trebuie să aibe polaritate fixată astfel încât să fie asigurat sensul corect al curentului prin sarcină.
• În Fig.4.36 sunt prezentate două astfel de convertoare inversoare iar în Fig.4.37 două convertoare neinversoare.
• Se observă că la toate cele patru convertoare curentul prin sarcină este de ori mai mare decât curentul de ieşire al AO ( este factorul de amplificare în curent al tranzistorului).
+
-
Rs
Vi0
Is= -Vi/R
R
I0=Is/
a)Vcc= +15V
+
-
Rs
Vi0
Is= Vi/R
R
I0=Is/
b)Vcc= -15V
+
-
Rs
Vi0
Is= Vi/R
R
I0=Is/
a)
Vcc= +15V
+
-
Rs
Vi0
Is= -Vi/R
R
I0=Is/
b)
Vcc= -15V
Fig.4.36. Convertoare tensiune-curent inversoare pentru curenţi mari şi sarcină flotantă: a) pentru Vi0; b) pentru Vi0
Fig.4.37. Convertoare tensiune-curent neinversoare pentru curenţi mari şi sarcină flotantă: a) pentru V i0; b) pentru Vi0
AO pe post de sursă de curent
• Să presupunem, că tensiunea de intrare a acestui circuit este generată de un circuit traductor/amplificator, calibrat pentru producerea valorii de 1 V pentru 0% din mărimea de măsurat şi 5 V pentru 100% din valoarea mărimii de măsurat. Semnalul de curent analogic standard este între 4 mA (0%) şi 20 mA (100%).
• Pentru o tensiune de intrare de 5 V, rezistorul (de precizie) de 250 Ω va avea o cădere de tensiune de 5 V la bornele sale, rezultând un curent de 20 mA prin bucla circuitului (incluzând rezistorul de sarcină, Rsarcină). Nu contează rezistenţa rezistorului Rsarcină, sau valoarea rezistenţei adiţionale prezentă în circuit datorită conductorilor, atâta timp cât AO are o sursă de putere suficient de mare pentru generarea celor 20 mA prin Rsarcină. Rezistorul de 250 Ω stabileşte relaţia dintre tensiunea de intrare şi curentul de ieşire, ducând în acest caz la echivalenţa 1-5 V intrare / 4-20 mA ieşire.
• Acest circuit mai este cunoscut şi sub numele de amplificator de transconductanţă. În electronică, transconductanţa este raportul dintre variaţia curentului şi variaţia tensiunii (ΔI / Δ V), şi se măsoară în Siemens, aceeaşi unitate de măsură pentru exprimarea conductanţei, reciproca matematică a rezistenţei. În acest circuit, valoarea raportului de transconductanţă este fixată de către valoarea de 250 Ω a rezistorului, asigurând o relaţie liniară curent-ieşire/tensiune-intrare.
4.8.Convertoare curent-tensiune
• Adesea, ieşirea multor traductoare (senzorii) este mai degrabă un curent electric decât o tensiune electrică. Un astfel de senzor este fotodioda care determină la ieşire un curent proporţional cu valoarea iluminării. Rolul circuitului de condiţionare ataşat fotodiodei este de a converti curentul de la ieşirea senzorului într-o tensiune proporţională cu acesta, care să poată fi apoi aplicată convertorului analog-numeric, care are cel mai adesea intrări de tensiune electrică.
• Pentru convertirea unui curent într-o tensiune, de cele mai multe ori se utilizează configuraţia de amplificator inversor, întrucât amplificatorul neinversor permite la intrare doar un foarte mic curent. În Fig.4.39 este prezentat un astfel de amplificator de curent conectat la o fotodiodă.
La creşterea intensităţii luminoase, curentul Is prin fotodiodă creşte, crescând
şi tensiunea la ieşire V0.
V0=IsR (4.69)
Fig.4.39. Celulă fotoelectrică conectată la
un amplificator de curent
4.9. Convertor rezistenţă-tensiune
• Mulţi senzori prezintă drept mărime de ieşire o variaţie a rezistenţei electrice ca răspuns la mărimea fizică care se doreşte a se măsura. De exemplu, rezistoarele sensibile la forţe, a căror rezistenţă scade cu creşterea forţei aplicate, termistoarele care-şi modifică rezistenţa cu temperatura sau microfoanele cu cărbune care-şi modifică rezistenţa ca răspuns la modificarea presiunii acustice. În toate aceste cazuri, este necesară convertirea rezistenţa senzorului într-o tensiune utilă care să poată fi aplicată convertoarelor analog-numerice ale sistemului de măsurare.
• Cea mai simplă metodă de conversie rezistenţă-tensiune constă în aplicarea unei tensiuni de referinţă divizorului rezistiv format dintr-un rezistor de referinţă şi senzorul respectiv (Fig.4.40).
Vout
la CAN
f
MF
Mout V
RR
RV Re
Fig.4.40. Convertor rezistenţă-tensiune
• Principala problemă a acestei metode de măsurare a rezistenţei este că amplificatorul conectat la ieşire amplifică toată tensiunea culeasă de pe senzor (sau de pe rezistorul de referinţă). Mult mai indicat este amplificarea numai a variaţiei de tensiune datorată variaţiei rezistenţei senzorului. Acest lucru poate fi realizat utilizând o punte (Fig.4.41).
Fig.4.41. Conectarea unei punţi rezistive la un
amplificator
4.10. Convertoare curent-curent • Bucla de curent reprezintă circuitul standard pentru transmiterea semnalelor în
cadrul proceselor de control industrial. Faţă de tensiunea electrică, curentul este mult mai puţin sensibil la zgomote şi nu este afectat de erorile impedanţei de linie. Convertorul curent-curent transformă unul sau mai mulţi curenţi de intrare într-un alt curent de ieşire mult mai convenabil sistemului de măsurare.
5. VOLTMETRE ȘI AMPERMETRE
ELECTRONICE
• Avantajele acestor aparate faţă de aparatele indicatoare de tip electromecanic sunt:
• -reducerea consumului de putere preluată de la mărimea de măsurat, prin folosirea de surse de energie auxiliară şi prin realizarea unor impedanţe de intrare foarte mari reducându-se erorile sistematice ;
• -extinderea intervalelor de măsurare, mai ales în ceea ce priveşte valoarea minimă, prin realizarea de amplificări mari ;
• -efectuarea de operaţii multiple de măsurare, prin simpla comutare a unor circuite electronice. Cu acelaşi aparat se pot măsura: tensiuni, curenţi, în alternativ sau continuu, valori medii, valori efective, valori de vârf, rezistenţe, etc;
• -ameliorarea scărilor aparatelor indicatoare prin: liniarizări, dilatări, comprimări;
• -atenuarea sau rejecţia zgomotelor, compensarea influenţei perturbaţiilor determinate de factorii de mediu;
• -extinderea domeniului de frecvenţă;
• Voltmetrele electronice ce c.c. pot fi folosite şi pentru măsurări de curenţi continui, prin simpla convertire a curenţilor în tensiuni. Voltmetrele electronice de c.c. se întâlnesc fie ca aparate de laborator destinate în special pentru măsurarea tensiunilor mici, fie ca blocuri componente ale multimetrelor electronice.
• Un voltmetru electronic de c.c. conţine, în esenţă:
- un atenuator de tensiune, care să reducă tensiunea de măsurat într-un raport cunoscut, astfel încât tensiunea aplicată la intrarea amplificatorului să poată fi suportată de acesta;
- un amplificator, pentru amplificarea tensiunilor mici de măsurat şi pentru realizarea unei rezistenţe mari de intrare;
- un filtru trece-jos (FTJ), pentru eliminarea eventualelor componente alternative (zgomote) suprapuse peste tensiunea de măsurat;
- un instrument magnetoelectric.
Iv
Ve
Ra
AO
AME
Vi
Riv
Iv
Ve
Ra
AO
AME
Vi
Riv
R1 R2
a) b)
Fig.5.1. Voltmetre electronice: a) cu circuit repetor;
b) cu amplificatorr neinversor.
Aplicaţia 5.1
Să se determine domeniul de măsurare al voltmetrelor de c.c. din Fig.5.1 cunoscând că
curentul nominal al AME este 50A, Riv+Ra=2k şi R1=1k, R2=9k.
• Schema de principiu a unui voltmetru electronic de c.c. cu 3 domenii de măsurare este data in figura 5.2. Aparatul poate masura tensiuni de valori reduse si are trei domenii de masurare, selectate din comutatorul K2. Aceste domenii sunt stabilite prin intermediul divizorului rezistiv R1,R2 ,R3 dimensionat corespunzator.
Figura 5.2. Schema de principiu, voltmetru electronic analogic de c.c.
Ampermetru electronic de curent continuu
• Schema de principiu este alcătuită dintr-un amplificator operaţional ce are conectat în reacţie un ampermetru magnetoelectric.
R1
R
I0
U
A
r0
Ri U0
U1
Up
Un
I
-
+
• Deci curentul măsurat de către ampermetrul magnetoelectric este o măsură a curentului de
măsurat.
• Dacă raportul R/R1 este foarte mare (R>>R1) atunci aparatul poate măsura curenţi foarte mici
(nA)