REDRESOARE DE PRECIZIE

I. OBIECTIVE.

a) Comparaţie între redresoarele cu diode şi redresoarele cu AO şi diode.

b) Analiza funcţionării unor redresoare de precizie mono şi dublă alternanţă.

c) Punerea în evidenţă a influenţei performanţelor AO asupra performanţelor

redresorului.

II. APARATURĂ ŞI MATERIALE NECESARE:

- Sursă dublă de tensiune stabilizată fixă ± 15V.

- Platforma de laborator din figura 5.14 a,b.c.

- Osciloscop cu două canale

- Generator de tensiune sinusoidală

- Cablu lung banană-banană 3 buc.

- Cablu scurt banană-banană 4 buc.

- Cablu ecranat BNC-banană 3 buc.

III. CONSIDERAŢII TEORETICE

T1. Comparaţie între redresoare cu diode şi redresoare de precizie

Să luăm cazul redresorului monoalternanţă cu diodă din figura 5.1.

RS

D1

uo ui

Fig. 5.1.

Dioda semiconductoare are caracteristică I = f(U) (fig. 5.2.a.) diferită de

cea a unui redresor ideal (fig. 5.2.b.).

IID

UUD

Fig.5.2a. Fig.5.2b.

Practic se poate considera că prin diodă circulă curent numai dacă

tensiunea pe diodă depăşeşte o anumită tensiune de prag, tensiune ce nu poate fi

stabilită cu precizie, ea depinzând de materialul semiconductor şi de caracteristicile

constructive ale diodei.

Diodele cu germaniu au tensiunea de deschidere în jur de 0,2 V diodele cu

siliciu 0,5 V - 0,6 V iar diodele Schottky 0,4 V.

Pentru semnale aplicate la intrare având nivelul comparativ cu tensiunea

de deschidere a diodei, apar erori foarte mari la redresare (figura 5.3.)

Tensiunea pe

sarcină pentru

redresorul ideal

Tensiunea pe

sarcină pentru

redresorul cu

diodă reală

UIM

UIM-UDO

-UIM

UDS

UIM

t

t

t

uS

uS

ui

Fig. 5.3

Semnalele având amplitudinea mai mică decât tensiunea de deschidere a

diodei sunt imposibil de redresat.

Pentru a redresa aceste semnale e necesar să apropiem caracteristica

diodei de cea a redresorului ideal prepolarizând dioda cu o tensiune apropiată de

tensiunea de deschidere (figura 5.4).

EC

RSR2

R1 D1

uo ui

C

Fig. 5.4 Variantă de prepolarizare a diodei utilizată pentru redresarea semnalelor

de radiofrecvenţă de nivel mic.

Pentru semnale situate în gama de frecvenţe în care pot funcţiona AO, se

pot realiza redresoare cu caracteristica foarte apropiată de cea a redresorului ideal,

AO compensând căderea de tensiune pe dioda în conducţie (figura 5.5).

RS

ii 0

i0

iS

iS

-EC

AO1

EC

D1

uo ui

-

+

uo1

Fig. 5.5a. Schema redresorului monoalternanţă

UIM

UD0

UD0

UIM

UIM+UDO

-UIM

t

t

t

-EC

0

uo1

uo

ui

Figura 5.5.b. Formele de undă pentru o tensiune de intrare

cu amplitudinea mai mică decât tensiunea de deschidere a diodei.

În momentul iniţial t = 0 presupunem ui = 0 şi uo= 0

În momentul to1, ui > 0, uid tinde să devină pozitivă, este puternic

amplificată de AO, uo1 creşte brusc şi deschide dioda D1 (calea de circulaţie a

curentului de la ieşirea AO este asigurată prin D1 şi RS ).

Schema echivalentă a circuitului este prezentată în figura 5.6.a.

RS-EC

AO1

EC

uo ui >0

-

+ uid

uD0

uo1

Fig. 5.6.a

Atâta timp cât ieşirea AO nu se saturează spre tensiunea pozitivă de

saturaţie (EC la AO ideal) uid = 0 şi prin urmare uo = ui .

Teoretic dacă dispunem de AO ideal putem redresa tensiuni oricât de

mici.

AO reale necesită compensarea offset-ului pentru a redresa tensiuni mici

de intrare.

Pentru semnale foarte mici apare influenţa zgomotului AO.

Pentru ui < 0 dioda se blochează întrerupând bucla de reacţie negativă,

ieşirea AO se saturează spre tensiunea negativă de alimentare figura 5.6.b.

RS-EC

AO1

EC

uo ui <0

-

+

uo1

Fig. 5.6b.

În schemele practice se evită saturarea ieşirii AO folosind o schemă

inversoare în care se asigură închiderea buclei de reacţie negativă pentru ambele

alternanţe ale tensiunii de intrare (figura 5.7.a.b.c.).

R1

RS-EC

AO1

EC

D2

D1

uo ui

-

+

uo1

R2

Fig. 5.7a . Schema redresorului inversor cu evitarea saturării AO.

RS

R1

R2

ii

ii

iS

ii + iS

-EC

AO1

EC

uo ui < 0

-

+

uo1

uD01

Fig. 5.7b. Schema echivalentă pentru explicarea funcţionării în cazul ui < 0.

RS

R1

R2

ii ii

ii

uo

0

1 2u Uo Do

iR2=0

iS=0-EC

AO1

EC

uo ui > 0

-

+

uo1

uD02

Fig. 5.7c. Schema echivalentă pentru explicarea funcţionării în cazul ui > 0.

Acest tip de redresor are rezistenţa de intrare egală cu R1.

Pentru obţinerea unei redresări a ambelor alternanţe pornind de la

redresorul din figura 5.7.a. se adaugă un sumator după cum se poate observa din

figura 5.8.

R1

-EC

AO1

EC

D2

D1

uo2 ui

-

+

uo1

R2 R3 R5

-EC

AO2

EC

-

+

R4

Fig. 5.8.

Varianta cea mai utilizată este cea în care R1, R2, R4, R5 au aceeaşi valoare

R iar R3 = R/2.

Pentru analiza circuitului considerăm mai întâi cazul ui > 0.

La ieşirea redresorului monoalternanţă vom obţine:

iii uuR

Ru

R

Ru

1

201

La intrările sumatorului se aplică două tensiuni: ui şi uo1 lucru ce se poate

vedea clar în figura 5.9.

R3

-EC

AO2

EC

ui

-

+

uo2

R5

uo1

R4

Fig. 5.9.

uR

Ru

R

Ru

R

Ru

R

Ru u uo i o i o i o2

5

4

5

3

1 1 1

2

2

Ţinând cont că anterior am dedus expresia pentru uo1 rezultă:

uo2 = -ui - 2uo1 = -ui - 2(-ui ) = ui.

Pentru cazul ui < 0 la ieşirea redresorului monoalternanţă avem uo1 = 0. La

ieşirea sumatorului vom avea uo2 = -ui = | ui |.

Concluzie: în ambele situaţii avem uo2 = | ui | - expresie ce descrie

funcţionarea redresorului dublă alternanţă.

Formele de undă sunt prezentate în figura 5.10.

UIM

-UIM

UIM

-UIM

t

t

t

uo2

uo1

ui

Fig. 5.10.

În cazul general, pentru valori diferite ale rezistenţelor R1÷R5 obţinem pt.

cazul:

ui > 0

uR

Ruo i1

2

1

uR

Ru

R

Ru

R

Ru

R

R

R

Ruo i o i i2

5

4

5

4

1

5

4

5

4

2

1

uR

R

R

R

R

Ru

R

R

R

R

R

Ruo i i2

5

3

2

1

5

4

5

4

4

3

2

1

1

Pentru a realiza redresoare şi eventual amplificare adică uo2 = R5/R4 | ui |

Se impune condiţia: R

R

R

R

4

3

2

1

1 1

adică : R

R

R

R

4

3

2

1

2

O variantă de redresor dublă alternanţă cu impedanţă mare de intrare este

prezentată în figura 5.11.

-

+

-EC

EC

R2R1

D2 D1

-

+

-EC

AO1

AO2

EC

0V R3

D4 D3

uo1

uo2

ui

uo

Fig. 5.11

Pentru a explica funcţionarea circuitului trebuie precizat că ieşirea AO nu se

saturează pentru semnal de intrare de amplitudine adecvată. Acest lucru implică

potenţial zero la intrarea inversoare a celui de al doilea AO şi potenţial ui la

intrarea inversoare a primului AO. (diferenţa de potenţial dintre cele două intrări

ale unui AO ideal este zero dacă ieşirea nu este saturată).

Primul AO este în configuraţie de amplificator neinversor, având la intrare chiar

tensiunea ui, iar al doilea AO este în configuraţie de amplificator inversor.

Să analizăm funcţionarea în cele două cazuri : ui>0 şi ui<0.

a) Pentru ui>0 la ieşirea primului AO vom avea tensiune pozitivă, se

deschide dioda D1 , blocându-se D2. Este asigurată calea pentru închiderea reacţiei

negative, valoarea tensiunii la ieşire este dată de formula pentru amplificator

neinversor realizat cu AO ideal, adică: oo uR

Ru

1

21 .

Schema explicativă este prezentată în figura 5.12.

-

+

-EC

EC

R2R1

-

+

-EC

0 virtual AO1

AO2

EC

R3

-0,7V

uo

ui

Fig. 5.12.

b) Pentru ui<0 la ieşirea primului AO vom avea tensiune negativă, se

deschide dioda D2 , blocându-se D1. Schema explicativă este prezentată în figura

5.13.

Al doilea AO în configuraţie de amplificator inversor primeşte la intrare o tensiune

egală cu ui care deschide dioda D3 asigurând calea pentru reacţie negativă prin R3,

valoarea tensiunii la ieşire este dată de formula pentru amplificator inversor

realizat cu AO ideal, adică:

io uR

Ru

1

3 .

-

+

-EC

EC

R2

-

+

-EC

AO1

AO2

EC

R1 R3

ui

ui uo

Fig. 5.13.

IV. PARTEA EXPERIMENTALĂ

E1. Se identifică redresorul de precizie dublă alternanţă din fig.5.6.a şi se aplică la

intrare (borna 1) un semnal sinusoidal de frecvenţă fI=1kHz si VIM=500mV. Se

vizualizează cu osciloscopul V01(borna 2) si V02 (borna 5) pentru poziţiile extreme

ale potenţiometrului P1. Se determină amplificările pentru cele două ieşiri.

E2.Se studiază comportarea în frecvenţă a redresorului din fig.5.6.a modificând

frecvenţa semnalului de intrare între 100 Hz si 500 KHz. Se determină cu

osciloscopul valorile V01 si V02 completând tabelul de mai jos.

Tabelul 7.1

fi

kH

z

0,05 0,1 0,2 0,5 0,8 1 5 10 50 80 100 200 300 500

V01

V02

E3. Se vizualizează ieşirea din redresorul de precizie cu filtru dacă P1=0 prin

conectarea bornelor 3-4. Dacă la ieşire se conectează o sarcină variabilă între 1 şi

10 K, se vizualizează pulsaţiile la bornele acesteia.

E4. Se aplică un semnal la intrarea 6 a redresorului de precizie dublă alternantă

din fig.5.6.b. de frecvenţă fI=1kHz si VI=100mV. Se vizualizează pe osciloscop

ieşirile V03 (borna 8) si V04 (borna 9) V0 (borna 7) pentru valorile extreme ale

potenţiometrului P2. Se calculează amplificările din datele experimentale şi se

compară cu valorile teoretice.

E5. Se studiază comportarea în frecvenţă a acestui redresor de precizie pentru

amplificarea egală cu 1 completând tabelul de mai jos.

Tabelul 7.2

fi

kHz

0,05

0,1 0,2 0,5 0,8 1 5 10 50 80 100 200 300 500

V01

V02

V. CONTINUTUL REFERATULUI

R1.Se reprezintă schema redresorului de precizie studiat la punctul 3.1. cu valorile

calculate şi determinate experimental pentru amplificări la poziţiile extreme ale lui

P1.

R2.Se prezintă valorile experimentale din tabelul 5.1. si graficele Av1=V01/Vi = f(f),

Au2 =V02/Vi = f(f)

R3.Pentru redresorul de precizie cu filtru se reprezintă două valori particulare ale

pulsaţiei din sarcină şi valoarea rezistenţei de sarcină la aceste valori ale pulsaţiei.

R4.Se reprezintă valorile experimentale şi teoretice ale amplificărilor calculate

conform punctului 3.4 şi schema redresorului de precizie .

R5.Comportarea în frecvenţă a redresorului de precizie se prezintă prin rezultatele

experimentale .

R6.Se va răspunde la următoarele întrebări :

1. Cum arată ieşirea V02 dacă R4=R3/4?

2. Ce condiţii trebuie îndeplinite de elementele redresorului monoalternantă

realizat cu AO1 pentru a obţine o amplificare de 20?

3. Care sunt dezavantajele utilizării unui redresor de precizie ?

4. Care sunt avantajele utilizării unui redresor de precizie ?

5. Ce se întâmplă în circuitul din fig. 5.6.a dacă D1 se întrerupe şi nu mai

conduce curent ?

6. Ce efect are introducerea unei capacităţi pe reacţia AO?

7. Estimaţi impedanţa de intrare a circuitului din fig. 5.6.b dacă se scot pe rând

diodele D5 si apoi D3 .

8. Cum s-ar putea determina experimental Zi pentru circuitul din fig.5.6.b?

9. Analizaţi funcţionarea circuitului din fig.5.6.b dacă se scot diodele D5 si D3

10. Ce se întâmplă în circuitul din fig.5.6.dacă se schimbă sensul la ambele diode?

11. Cum se poate creste domeniul frecventelor care pot fi redresate de un redresor

de precizie ?

12. Pentru redresorul de precizie din fig.5.6.a să se estimeze amplitudinea

maximă a tensiunii sinusoidale care poate fi aplicată la intrare şi pentru care

aceasta funcţionează corect.

13. Să se aleagă elementele unui redresor de precizie dublă alternantă la care să se

obţină la ieşire o tensiune bipolară având amplitudinea alternantei pozitive de

5 ori mai mare decât amplitudinea alternantei negative.

14. În cazul redresorului dublă alternantă din fig.5.6.a. se aplică la intrare o

tensiune sinusoidală cu amplitudinea 5V . Să se afle tensiunea medie de la

ieşire dacă amplificarea este 1 fără condensator şi cu condensator dar fără

sarcină.

15. Care sunt domeniile de aplicare a redresorului de precizie ?

16. Cum arată caracteristica de transfer de Vo=f(Vi) pentru un redresor

monoalternanţă inversor ?

17. Să se aleagă elementele unui redresor dublă alternanţă cu sumator astfel ca

pentru alternanţa negativă panta caracteristicii de transfer să fie -5 iar pentru

alternanţa pozitivă să fie -1 ?

18. Cum se modifică caracteristica de transfer , pentru redresorul dublă alternanţă

cu impedanţă mare de intrare , dacă amplitudinea este variabilă?

19. Care este criteriul de alegere al diodelor pentru un redresor de precizie?

20. Se poate realiza un redresor dublă alternanţă la care pantele caracteristicii de

transfer să fie -5 si -10 conform celor prezentate la punctul 17?

Rp1 100

2

3

5

4

1

Ao

1Ao

2

1 7

5

6

3

2

D1

D2R1

P1

R4

R5

R3 C1R2

Fig. 5.14.a.

Pin.11

Pin.4

Dp2

Dp4 Dp3

Dp1Rp3

Rp4-VCC

+VCC

GND

Fig. 5.14.b.

Ao4

Ao3

D5

D3 D4

Rp2 P3

R6

R7

P2

10

9 8

14

12

13

9

8

7

6

Fig. 5.14.c.