plik

Do czego to służy?

W ostatnich miesiącach wielu Czytel−

ników  napisało  do  Redakcji  o swoich
osiągnięciach  i kłopotach  związanych
z układami  audio.  Z nadesłanych  listów
wynikało,  że  spora  część  tych  Czytelni−
ków  ma  kłopoty  z wykonaniem  dobrego
prostownika  małych  sygnałów  zmien−
nych. Prostowniki takie są konieczne nie
tylko  do  wskaźników  wysterowania,  ale
także do wszelkich układów zmiany dyna−
miki.  Do  prostowania  niewielkich  sygna−
łów audio zwykle nie wystarczą najprost−
sze  prostowniki  z diodami  krzemowymi.
Dawniej  do  takich  układów  stosowano
diody  germanowe,  które  rzeczywiście
często  dawały  zadowalające  rezultaty.
Ale  często  do  pracy  w nowoczesnych
urządzeniach  audio  (np.  procesorach  dy−
namiki) konieczne są bardziej precyzyjne
prostowniki. Temat procesorów dynamiki
jest  szeroko  omawiany  w poprzednim
i bieżącym  numerze  EdW.  Szczegółowe
informacje  na  temat  prostowników  i ich
charakterystyk  dynamicznych  są  podane
w

tym numerze EdW w

artykule

„Procesory dynamiki dźwięku – część 2”.

W związku ze zgłoszonymi potrzeba−

mi, opracowany został uniwersalny mo−
duł prostownika sygnałów audio.

Opisany dalej moduł może pełnić rolę li−

niowego prostownika sygnałów o częstot−
liwościach zakresu akustycznego. W wer−
sji podstawowej jest to prostownik pełno−
okresowy, ale można też zbudować wers−
ję uproszczoną – prostownik półokresowy.
W każdym przypadku możliwe jest indywi−
dualne dobieranie charakterystyk dyna−
micznych: czasu ataku i czasu opadania.

Układ może wzmacniać prostowane

sygnały,  i to  nawet  ponad  100−krotnie.
Umożliwia  to  prostowanie  także  bardzo
małych  sygnałów,  o amplitudach  rzędu
pojedynczych miliwoltów, a nawet mniej−
szych.

Moduł przeznaczony jest generalnie do

urządzeń audio, ale z powodzeniem zna−
jdzie też zastosowanie w aparaturze po−
miarowej. Już sam moduł, współpracujący
z woltomierzem prądu stałego, jest wolto−
mierzem małych sygnałów zmiennych.

Jak to działa?

k 1

a przedstawia schemat ideo−

wy jednopołówkowego prostownika ak−
tywnego, rry

k 1

b pokazuje przepływ

prądów i rozkład napięć w sytuacji, gdy na
wejście podany jest sygnał dodatni, nato−
miast rry

k 1

c – gdy ujemny. Przebiegi

napięć w najważniejszych punktach są
pokazane na rry

u 1

d ii 1

e. W sumie

działanie tego układu opiera się na podsta−
wowym  fakcie,  że  napięcia  na  obu  we−
jściach  wzmacniacza  operacyjnego  są
równe (teoretycznie – w praktyce są rów−
ne z dokładnością do napięcia niezrówno−
ważenia) i że wejścia wezmacniacza prak−
tycznie  nie  pobierają  prądu.  Inaczej  mó−
wiąc,  na  wejściu  odwracającym  wzmac−
niacza  operacyjnego  z rysunku 1 podczas
pracy napięcie zawsze jest równe napięciu
masy. Przez rezystor R

płynie prąd

Taki sam prąd musi być dostarczony

przez  wyjście  wzmacniacza  operacyjne−
go. W zależności od biegunowości napię−
cia  wyjściowego,  prąd  ten  płynie  albo
przez diodę D1 (są to „niewykorzystane”
połówki  przebiegu;  na  wyjściu  napięcie
jest równe zeru), albo przez D2 i R

(są to

użyteczne połówki, bo na wyjściu wystę−
puje napięcie Uwy = I×R

W najprostszych prostownikach z dio−

dami krzemowymi wg rry

u 2

2, diody

przewodzą  dopiero  przy  napięciach  we−
jściowych  większych  od  napięcia  prze−
wodzenia  tych  diod  (około  0,6V),  wobec
czego  przebiegi  o amplitudach  mniej−
szych niż te 0,6V w ogóle przez prostow−
nik nie przechodzą. Prostowane są tylko
sygnały o amplitudzie większej niż 0,6V.

Uwe

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/98

Prostownik aktywny

2288

s.. 1

1..

Inaczej jest w prezentowanym prostow−

niku aktywnym z rysunku 1. Tutaj prostowa−
ne są nawet maleńkie sygnały. Praca pros−
townika aktywnego związana jest przede
wszystkim z przepływem prądów. Wielkość
i kształt prądu płynącego przez rezystor R

wyznaczona jest przez kształt napięcia we−
jściowego. Potem przez jedną z diod płynie
prąd o takiej samej wartości (nawet bardzo
mały), a napięcie na wyjściu tak się ustali, by
w każdej chwili napięcie w punkcie B było
równe zeru. Spadek napięcia na diodach nie
ma tu żadnego znaczenia, ponieważ sygna−
łem wyjściowym jest napięcie występujące
na rezystorze R

, a napięcie to nijak nie zale−

ży od spadku napięcia na diodzie D2, a tym
bardziej D1, a jedynie od prądu płynącego
przez rezystor R

. Tym samym w roli diod

D1, D2 mogą być użyte dowolne diody:
zwykłe krzemowe, diody Schottky’ego, czy
nawet diody LED! Prostownik będzie praco−
wał jednakowo dobrze, nieco inne będą tyl−
ko napięcia na wyjściu wzmacniacza opera−
cyjnego (na rysunku 1 punkt D).

Z jednym wszak zastrzeżeniem: jeśli

prostownik ma pracować przy sygnałach
o częstotliwości  do  20kHz,  nie  mogą  to
być typowe „powolne” diody prostowni−
cze  typu  1N4001...7. Zwykle  w roli  diod
D1,  D2  stosuje  się  szybkie  diody  impul−
sowe 1N4148 lub podobne.

Warto zauważyć, że prostownik ak−

tywny może wzmacniać (lub osłabiać
sygnał) w stosunku wyznaczonym przez
rezystancję R

W układzie pokazanym na rysunku 1,

na wyjściu C otrzymuje się ujemne napię−
cia. Ale tak być nie musi. Wystarczy zmie−
nić kierunek włączenia obu diod, a na wy−
jściu pojawią się napięcia dodatnie.

k 3

3 przedstawia prostownik ak−

tywny  dwupołówkowy.  W interesujący
sposób  zrealizowano  prostowanie  dwu−
połówkowe.  Wzmacniacz  U2  pracuje  ja−

ko najzwyklejszy liniowy sumator napięć
z punktów A i C. W punkcie A występuje
oryginalny  zmienny  sygnał  wejściowy,
natomiast  w punkcie  C –  tylko  ujemne
„połówki” sygnału wejściowego (wg rys.
1e).  Cała  tajemnica  układu  tkwi  w odpo−
wiednim  zsumowaniu  obu  przebiegów.
Jeśli przebiegi w punktach A i C mają jed−
nakową amplitudę (czyli R

= R

), i rezys−

tor R

ma wartość dokładnie dwukrotnie

większą niż R

, wtedy na wyjściu (w pun−

kcie E) wystąpi przebieg wyprostowany
dwupołowkowo.

prostowniku dwupołówkowym

również można łatwo zmieniać wypadko−
we wzmocnienie układu, ale nie przez
zmianę stosunku R

, tylko przez zmia−

nę rezystancji R

. W praktyce dla wygody

stosuje się jednakowe rezystory R

= R

= R oraz R

= 2R czyli o dwukrotnie

większej wartości. Rezystancja R

wy−

znaczająca wypadkowe wzmocnienie
jest praktycznie dowolna.

Pełny schemat modułu prostownika

aktywnego jest pokazany na rry

u 4

Można na nim bez trudu odnaleźć układ
z rysunków 1 i 2. Dodatkowy wzmac−
niacz wstępny U1A jest buforem o dużej

rezystancji  wejściowej  (równej  praktycz−
nie  R1),  i może  dodatkowo  wzmacniać
sygnał  wejściowy,  nawet  do  50  razy.
Wzmocnienie wynosi:

Pojemność C2 nie może być za mała,

by nie ograniczać od dołu pasma przeno−
szenia. Reaktancja kondensatora C2 dla
najniższych częstotliwości pasma akus−
tycznego musi być liczbowo mniejsza niż
rezystancja R2.

W układzie z rysunku 4 uwagę zwraca

obwód wyjściowy z elementami D3, R7, R9
i C4 oraz buforem U2B.

Jak pokazano na rysunku 3, na wyjściu

prostownika  dwupołówkowego  występu−
je  przebieg  tętniący.  W praktyce  zawsze
prostownik  zawiera  filtr  wygładzający  to
tętniące napięcie. W zależności od zasto−
sowania,  potrzebne  są  albo  prostowniki
z filtrem  „szczytowym”,  albo  uśredniają−
cym.  Prostownik  szczytowy  daje  na  wy−
jściu sygnał, czyli napięcie stałe proporcjo−
nalne do wartości szczytowych prostowa−
nego  przebiegu;  prostownik  uśredniający
–  napięcie  zbliżone  do  matematycznej

wartości średniej wyprosto−
wanego przebiegu. Różnica
pokazana jest na rry

u 5

W prostowniku  szczyto−
wym  (rysunek  5a)  konden−
sator  wyjściowy  szybko ła−
duje się do wartości zbliżo−
nej  do  napięcia  szczytowe−
go, a potem powoli rozłado−
wuje  się  przez  dużą  rezys−
tancję  R.  W prostowniku
z

filtrem uśredniającym

(rysunek 5b) kondensator
zarówno ładuje się, jak roz−
ładowuje przez tę samą du−
żą rezystancję RX.

układzie z

rysun−

ku 4 kondensator C4 ładuje
się  głównie  przez  małą  re−
zystancję R9, a rozładowuje
przez  dużą  rezystancję  R7.
Umożliwia  to  ustawienie

= + 






LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/98

s.. 2

2..

s.. 3

3..

s.. 4

4..

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/98

potrzebnego czasu ładowania (ataku) – wy−
znacza go stała czasowa R9C4 oraz czasu
rozładowania  (opadania)  –  R7C4.  W prak−
tycznych  układach  audio  zazwyczaj  usta−
wia  się  krótki  czas  ataku  (najwyżej  poje−
dyncze  milisekundy)  i znacznie  większy
czas opadania (setki milisekund).  Jeśli na−
tomiast  ktoś  chce  zbudować  prostownik
z filtrem uśredniającym (na przykład pracu−
jący w roli miernika), może zewrzeć diodę
D3  i nie  stosować  R7.  Stała  czasowa  ob−
wodu uśredniania będzie równa R9C4.

W układzie jak na rysunku 4 należałoby

uwzględnić wpływ spadku napięcia na dio−
dzie D3. Wynosi on około 0,3...0,4V. Właś−
nie  ze  względu  na  ten  spadek  napięcia,
przebiegi  wyprostowane  na  wyjściu  ukła−
du U2A powinny mieć wartość nie mniej
niż pojedynczych woltów. W praktycznych
układach audio, przy sygnałach na wyjściu
prostownika  mających  kilka  woltów,
wpływ diody D3 jest  mało znaczący.

Jeśli ktoś chciałby uzyskać bardziej

precyzyjny prostownik wartości szczyto−
wej, może zmodyfikować układ według
rry

u 6

6. W takim wypadku stała czaso−

wa ataku będzie wyznaczona rezystancją
R9, natomiast opadania – wypadkową re−
zystancją równoległego połączenia R7
i PR1. Dla uzyskania potrzebnych czasów,
konieczne będzie wtedy zastosowanie

kondensatora
C4  o wartości
2 , 2 . . . 2 2 µ F,
a więc  konden−
satora  elektroli−
tycznego.

Moduł może

być zasilany za−
równo

napię−

ciem

symet−

rycznym,

jak

i pojedynczym.
Przy

zasilaniu

symetrycznym
napięcia zasilają−
ce mogą wyno−
sić ±3...±18V.
Przy

zasilaniu

napięciem poje−
dynczym należy
stworzyć

ob−

wód sztucznej
masy za pomo−
cą jednakowych

rezystorów R10, R11. Przy zasilaniu poje−
dynczym napięcie zasilające może wynosić
6...25V i jest ograniczone od góry napię−
ciem pracy kondensatora C7.

W każdym przypadku napięcia wyjścio−

we będą mierzone w stosunku do masy.
Przy  zasilaniu  napięciem  pojedynczym,
z wyjścia  nie  należy  pobierać  prądów
większych  niż  0,1mA,  ponieważ  spowo−
duje  to  zmiany  napięcia  sztucznej  masy.
Przy  zasilaniu  symetrycznym  takiego
ograniczenia nie ma i z wyjścia można po−
bierać dowolny prąd, ograniczony jedynie
wydajnością wyjścia wzmacniacza U2B.

Przy małych napięciach zasilających

należy liczyć się z pewnymi ograniczenia−
mi  amplitudy  przetwarzanych  sygnałów.
Ogólnie  biorąc,  czym  większe  napięcie
zasilające,  tym  większe  napięcia  można
uzyskać na wyjściu. Jest to dość istotne
w układach,  gdzie  trzeba  pracować
w szerokim  zakresie  napięć  wejścio−
wych.  Teoretycznie  układ  prostownika
powinien  sobie  doskonale  radzić  nawet
z najmniejszymi sygnałami o amplitudach
rzędu  pojedynczych  miliwoltów  i mniej−
szych. W rzeczywistości zastosowane ta−
nie  wzmacniacze  operacyjne  mają
usunąć napięcia niezrównoważenia rzędu
nawet  5mV.  Przy  napięciach  mniejszych
niż  to  napięcie  niezrównoważenia,  pros−

towniki nie będą dawać na

wyjściu  napięcia  dokładnie
proporcjonalnego do wielkoś−
ci  sygnału  prostowanego.
Oczywiście  w układzie  moż−
na wprowadzić obwody kom−
pensacji  napięcia  niezrówno−
ważenia  lub  zastosować  pre−
zyzyjne  kostki  o mniejszym
napięciu  niezrównoważenia,
ale w prostym module chyba

nie ma to sensu. Raczej należy pracować
przy większych napięciach zasilania i na−
pięciach  prostowanych,  zwiększając
wzmocnienie  wzmacniacza  U1A.  Potem
można  ewentualnie  zastosować  na  wy−
jściu dzielnik napięcia.

Montaż i uruchomienie

Moduł można zmontować na płytce

z rry

u 7

7. Montaż jest klasyczny i nie

powinien sprawić kłopotów.

a!!

W p

stta

ejj w

errs

sjjii n

niie

alle

eżży

y m

ntto

ać

ć k

atto

orra

a C

3..

Przy zasilaniu symetrycznym nie trze−

ba montować kondensatorów C7 i C10
i rezystorów R10, R11, natomiast przy za−
silaniu napięciem pojedynczym nie po−
winno się montować C5 i C8, a wlutować
C6, C7, C9, C10, R10, R11.

Przy zasilaniu napięciem pojedynczym

należy  pamiętać,  że  napięcia  wyjściowe
również  należy  mierzyć  w stosunku  do
punktu  O,  czyli  masy  (sztucznej),  a nie
względem ujemnego napięcia zasilania.

W zależności od potrzeb można zmie−

niać wzmocnienie wzmacniacza wstęp−
nego przez zmianę wartości rezystora R3
od zera (zwora) do 51k

Ω

, a nawet 100k

Ω

W przypadku rezystancji powyżej 100k

Ω

pasmo może zostać obcięte od góry po−
niżej  20kHz.  Moduł  z wartościami  ele−
mentów  podanymi  w wykazie  prawidło−
wo  pracuje  w zakresie  częstotliwości
15Hz...50kHz.

Rezystancję potencjometru PR1 nale−

ży dobrać według potrzeb, jednak dla za−
chowania dynamiki prostownika najlepiej
jest pracować z możliwie dużymi sygna−
łami o wartości międzyszczytowej mniej−
szej o 3...5V od całkowitego napięcia za−
silającego.

Na płytce mogą być montowane różne

rodzaje potencjometrów. W zestawie
AVT−2288 dostarczany będzie helitrim
pionowy.

W zależności od specyficznych potrzeb

można też zmieniać czas ataku i opadania
filtru przez zmianę R9 (0...1M

Ω

) i R7

(100k...10M

Ω

). Proponowane wartości

powinny okazać się dobre dla większości
układów audio, na przykład do wskaźni−
ków wysterowania czy układów ARW.

s.. 5

5..

s.. 6

6..

s.. 7

7.. S

att m

ntta

ażżo

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 8/98

Możliwości zmian

Bardziej wnikliwi Czytelnicy zwrócili

na  pewno  uwagę  na  dziwne  włączenie
kondensatora  C3.  Rzeczywiście,  przy
włączeniu diod D1, D2 jak na rysunku 4,
na kondensatorze tym wystąpiłyby napię−
cia o niewłaściwej polaryzacji. Kondensa−
tor  elektrolityczny,  jeśliby  się  nawet  nie
uszkodził,  miałby  ogromną  upływność.
Należy jednak pamiętać, że w wersji pod−
stawowej,  czyli  w układzie  prostownika
pełnookresowego,  kondensator  ten  nie
będzie montowany.

W licznych przypadkach użycie prostow−

nika pełnookresowego nie jest konieczne –
wystarczy  prostownik  jednopołówkowy
wyposażony  w filtr  wygładzający  o odpo−
wiedniej  charakterystyce  dynamicznej.  Do
zbudowania  takiego  prostownika  wystar−
czy  jeden  układ  scalony  –  U1.  Natomiast
kostka  U2  i elementy  R7...R9,  R12,  PR1,
D3, C4 nie będą montowane. Montowane
będą  tylko  elementy  R1...R6,  C1...C3,
C5...C10,  D1,  D2.  Wyjściem  będzie  punkt
połączenia plusa C3 i rezystora R6,

a!!

W tte

ejj zzu

ożżo

ejj ((p

pó

ółło

krre

ejj))

errs

sjjii,, żże

y u

uzzy

ać

ć n

a w

yjjś

śc

ciiu

u n

piię

ęc

ciie

e d

o−

attn

niie

e,, n

alle

eżży

y d

diio

y D

1 ii D

2 w

włłą

ąc

czzy

yć

ć o

wrro

ott−

niie

e,, n

niiżż zza

azzn

czzo

o n

a s

ciie

e ii p

płły

yttc

e..

Tylko wtedy napięcie na kondensatorze C3
będzie miało właściwą biegunowość.

W takiej uproszczonej, a wielce uży−

tecznej  wersji,  parametry  dynamiczne
prostownika wyznaczone będą przez ele−
menty R5, R6, C3. Z grubsza biorąc, sta−
ła czasowa R6C3 określi wtedy czas ata−
ku, natomiast stała czasowa (R5+R6)C3 –
czas  opadania.  Jeśli  ma  to  być  prostow−
nik  szczytowy,  rezystancja  R6  musi  być
wielokrotnie  mniejsza  niż  R5.  Jeśli  nato−
miast prostownik ma dawać napięcie sta−
łe, odpowiadające wartości średniej prze−
biegu,  wartość  R6  powinna  być  przynaj−
mniej kilkakrotnie większa od R5.

Wartość R5 można zmieniać w zakre−

sie 100

Ω

...100k

Ω

. Nadmierne zwiększe−

nie  R5  spowoduje  jednak  zmniejszenie
od  góry  użytecznego  pasma  częstotli−
wości pracy. Natomiast wartość R6 może
być  dowolna  –  od  0

Ω

(zwarcie) do kilku

megaomów. Przy rezystancjach R6 więk−
szych od 100k

Ω

należy liczyć się z wpły−

wem upływności kondensatora C3. Dla−
tego przy większych wartościach R6 kon−

densator C3 powinien być kondensato−
rem stałym (foliowym lub ceramicznym)
a nie aluminiowym „elektrolitem”.

Piio

ottrr G

Gó

órre

kii

biig

niie

w O

Orrłło

kii

azz e

elle

nttó

ów

ezzy

stto

orry

R1: 100k

Ω

R2,R9: 1k

Ω

R3,R10,R11: 10k

Ω

R4−R6,R8,R12: 10k

Ω

1% (6,81...15,4k

Ω

1%)

R7: 220k

Ω

PR1: 100k

Ω

helitrim pionowy

atto

orry

C1: 220nF
C2,C5−C7: 100µF/25V
C3: nie montować (patrz tekst)
C4: 1µF stały
C8−C10: 100nF ceramiczny

Pó

ółłp

prrzze

niik

kii

D1,D2: 1N4148
D3: dowolna dioda Schottky’ego np. BAT84
U1,U2: TL082

plle

ett p

dzze

ołłó

ów

w zz p

płły

yttk

ką

ą jje

stt

sttę

ęp

y w

w s

siie

cii h

dllo

ejj A

T jja

„

„k

kiitt s

szzk

olln

y”

” A

T−2

8..

Kondensatory C1 i C2 filtrują napięcie

zasilania. Przycisk S3 służy do włączania
wyświetlaczy ze stanu uśpienia, na czas
określony wartościami R1 i C3  przerzut−
nika monostabilego, zbudowanego z bra−
mek U6A i U6B. Z wartościami R1 i C3,
takimi  jak  na  schemacie,  czas  włączenia
wyświetlaczy wynosi ok. 20 sekund. Wy−
jście tego przerzutnika jest dołączone do
końcówek  „BI”  dekoderów  U1,  U2,  U3.
Stan  wysoki  na  tych
końcówkach  wyłącza
wyświetlacze,  a stan
niski  włącza  je.    Kon−
densator  C6  powodu−
je, że po włączeniu za−
silania włączają się wy−
świetlacze.  Tak  samo
jest  gdy  przyjdzie  im−
puls  z zewnątrz,  który
jest  buforowany  przez
bramki  U6C  i U6D,
i podany  na  wejście
wyzwalające  przerzut−
nik.  Jumperem  JP1
możemy

odłączyć

układ  wyłączający  wy−
świetlacze i na stałe je
włączyć.  Sygnały  wy−
prowadzone  za  złącza
Z1 i Z2 służą do podłą−
czenia kilku takich licz−
ników.  W przypadku
sterowania

licznika

przeciwnym zboczem należy na jego we−
jściu impulsów zastosować inwerter.

Montaż i uruchomienie

Rozmieszczenie elementów na płytce

przedstawiono na rry

u 2

Na początku należy wlutować kilka

zworek.  Montaż  rozpoczynamy  tradycyj−
nie,  rozpoczynając  od  elementów  naj−
mniejszych  a kończąc  na  największych.

Po zmontowaniu układ powinien od razu
działać poprawnie. Jako obudowę można
zastosować  dowolną  rodziny  KM–xx  czy
Z–xx.  Kilka  modułów  takich  liczników
można połączyć na pomocą taśmy 10−ży−
łowej  zakończonej  zaciskanym  złączem
pasującym  goldpinów  2x5.  W następ−
nych modułach nie trzeba montować ele−
mentów R1, R2, R3, R4, R5, R6, C3, C4,
C5, C6, C7 ,U6, S1, S3. Jako czujniki im−
pulsów mogą być zastosowane zarówno
różne  styki,  jak  i bardziej  rozbudowane
układy wejściowe.

arrc

ciin

n W

Wiią

ązza

niia

Uniwersalny licznik z przeniesieniem

(c.d. ze str. 51)

azz e

elle

nttó

ów

ezzy

stto

orry

R1,R3–R6: 100k

Ω

( (*)

R2: 47k

Ω

(*)

atto

orry

C1,C7 (*): 100nF
C2: 220µF/16V
C3: 10µ(F/16V (*)
C4,C5: 1nF (*)
C6: 2,2nF (*)

Pó

ółłp

prrzze

niik

kii

D1–D4: 1N4001
U1–U3: 4543
U4,U5: 4518
U6: 4011 (*)
W1–W3: wyświetlacze WA

ozzo

stta

ałłe

S2: przełącznik
S1,S3: mikroswitch (*)
JP1: jumper 1x3
Z1,Z2: jumper 2x5

Uwaga! Elementów zaznaczonych gwiazdką
(*) nie należy montować w ewentualnych
modułach rozszerzających.

s.. 2

2.. S

att m

ntta

ażżo