Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki
Katedra Robotyki i Dynamiki Maszyn
LABORATORIUM
NAP
DY ROBOTÓW I MANIPULATORÓW
Temat ćwiczenia :
Liniowy wzmacniacz mocy dla silnika prądu stałego 
pomiar charakterystyk regulacyjnych
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest pomiar charakterystyk statycznych i dynamicznych układu
napędowego silnika prądu stałego z wzmacniaczem liniowym.
W ramach laboratorium zostaną przeprowadzone następujące pomiary :
- wyznaczenie charakterystyki Uwy(UWE) i wzmocnienia wzmacniacza k
- wyznaczenie charakterystyki regulacyjnej n(Uwe)
- pomiar parametrów odpowiedzi czasowej układu napędowego na wymuszenie
skokowe
Pomiary zostaną przeprowadzone dla silnika z obciążeniem zewnętrznym oraz bez
obciążenia zewnętrznego.
2. WST
P TEORETYCZNY
Dwadzieścia pięć lat temu wzmacniacz operacyjny był specjalistycznym
narzędziem używanym przede wszystkim w analogowych maszynach
matematycznych, jednak ich funkcjonalność i niski koszt spowodował rozszerzenie
ich zastosowania również do bardziej przyziemnych zadań jako zastępstwo dla wielu
elementów dyskretnych. Wzmacniacze operacyjne dają pożądane efekty w szerokiej
gamie aplikacji przy jednoczesnym zminimalizowaniu ich kosztów i trudności
produkcyjnych.
Wyprowadzenia wzmacniacza operacyjnego:
+Vcc
In+
out
In-
-Vcc
1
In+ -wejście nieodwracające fazy;
In- -wejście odwracające fazę;
+Vcc  dodatnie zasilanie;
-Vcc  ujemne zasilanie;
out  wyjście;
1.2. Podstawowe układy pracy wzmacniaczy operacyjnych
a). Integrator
i1k
Rk
R
i12
R2
i11 R1
U1k
U12
U2
U11
Wzmacniacz taki może wykonywać operacje całkowania, dlatego też nazywa się
integratorem. Wzmacniacz pracujący w układzie integratora musi mieć duży
współczynnik wzmocnienia rzędu 104-108 oraz dużą rezystancje wejściową, np.
Rwe=1[M&!]. Do pełnego wysterowania takiego wzmacniacza wystarczy bardzo małe
napięcie wejściowe, wobec czego można pominąć prąd wejściowy iwe=Uwe/RweH"0.
b). Sumator
R1
R1i1
U2
Rwe
U1
2
W układzie sumatora obowiązują następujące zależności:
i2=Łiik, i1k= u1k / Rk, u2=-uR
Podobnie jak w integratorze w układzie sumatora występuje inwersja znaku.
Sumator o jednym wejściu spełniającym warunek R11=R jest układem
odwracającym znak bez zmiany wartości napięcia. Układ taki nazywa się
inwerterem.
Za pomocą wzmacniaczy operacyjnych można również realizować operację
różniczkowania, jednakże układy te są rzadko stosowane z powodu dużej
wrażliwości na zakłócenia.
c). Inwerter
R
R
U2
U1
1.3. Układy liniowe
a). Wtórnik z bootstrapem
Podobnie jak we wzmacniaczach tranzystorowych, również w układach ze
wzmacniaczami operacyjnymi wejściowy obwód zasilania może spowodować
ograniczenie rezystancji wejściowej układu od wartości znacznie mniejszej od
rezystancji wejściowej samego wzmacniacza operacyjnego. Takie problemy
najczęściej spotykamy w układach z wejściem zmiennoprądowym, gdzie konieczne
jest dołączenie rezystora między wejście wzmacniacza operacyjnego i masę. Jedno
z możliwych rozwiązań przedstawia rysunek poniżej.
3
0,1�F
1M&!
0,1�F
1M&!
Włączenie kondensatora o pojemności 0,1uF między wyjście układu a punkt
połączenia rezystorów o rezystancjach 1MOhm sprawia, że górny rezystor widziany
jest przez z
ródło sygnału wejściowego jako z
ródło prądowe o dużej rezystancji
wewnętrznej. W zakresie małych częstotliwości charakterystyka amplitudowa tego
układu zaczyna opadać, począwszy od częstotliwości ok. 10Hz.
b). Wzmacniacz mocy
Gdy jest nam potrzebny układ, z którego można pobierać prąd o dużym
natężeniu, do wyjścia wzmacniacza operacyjnego musimy dołączyć wtórnik
wykonany z użyciem tranzystora mocy. Na rysunku przedstawiono układ
wzmacniacza nieodwracającego, lecz wtórnik może być dodany do wzmacniacza
operacyjnego pracującego w dowolnej konfiguracji.
Vcc
we
wy
10kOhm
1kOhm 1kOhm
4
Zauważmy, że sygnał sprzężenia zwrotnego jest pobierany z emitera. Stąd, obwód
sprzężenia zwrotnego wymusza na wyjściu układu pożądane napięcie, mimo
istnienia spadku napięcia między bazą a emiterem tranzystora.
1.4. Wzmacniacz operacyjny LM12
Układ LM12 jest wzmacniaczem mocy zdolnym przenosić ą25V dla prądu ą10A
w obwodach ą30V. Ten monolityczny układ scalony jest w stanie dostarczać 80W
mocy prądu sinusoidalnego przy rozstrojeniu 0.01%.
Wzmacniacz zawiera między innymi:
- Zabezpieczenie wejść
- Ograniczenie temperaturowe,
- Ograniczenie prądu wyjścia,
- Kontrolowane załączanie,
- Układ wyłączający w przypadku przekroczenia dopuszczalnego napięcia,
Włączenie układu poprzedza utrzymywanie wyjść jako obwodu otwartego dopóki
napięcie zasilania nie osiągnie wartości 14V. Wyjścia są również odłączone
w przypadku, gdy temperatura przekroczy 150�. Obudowa układu jest w stanie
wytrzymać napięcie do 80V.
Wyprowadzenia:
Przykładowe układy pracy:
a). Servo wzmacniacz
5
Na wyjściu tego układu otrzymujemy sygnał proporcjonalny do napięcia
wejściowego. Zadaniem niższego wzmacniacza jest kształtowanie częstotliwości
podczas gdy wzmacniacz mocy dostarcza prąd do silnika. Obwód prądowy eliminuje
przesunięcie fazowe wytwarzane przez indukcyjność uzwojeń silnika przez co
optymalnie stabilizuje pracę serva.
Poniższy układ wykorzystuje liniowy wzmacniacz mocy do dostarczenia sygnału
opisującego prędkość silnika w sposób elektroniczny, bez konieczności używania
tachometru
1.5. Wzmacniacz LM165
LM165 jest monolitycznym scalonym obwodem w obudowie Pentawat��,
przeznaczony do pracy jako wzmacniacz operacyjny w szerokiej gamie aplikacji
włączając servo wzmacniacze oraz obwody mocy. Charakteryzuje się wysokim
wzmocnieniem i dużą mocą wyjściową.
Niektóre jego cechy to:
- Prąd wyjściowy powyżej 3A
- Zabezpieczenie temperaturowe
- Zasilanie ą18V
Schemat wyprowadzeń:
6
Przykładowe układy pracy:
a). Układ dwukierunkowego sterowania silnika prądu stałego z wejściami zgodnymi
z TTL/CMOS/�P
b). Układ regulacji prądu silnika z zewnętrznymi tranzystorami mocy
c). Dwukierunkowy regulator prędkości obrotowej silnika prądu stałego
7
1.6. Wzmacniacz operacyjny L272
Schemat wyprowadzeń
Schematy blokowe
8
Układy pracy:
a). Dwukierunkowy regulator prędkości obrotowej silnika prądu stałego
Dla stabilizacji obwodu wymagane jest Rx>2R3R1/Rm gdzie Rm  wewnętrzna
rezystancja sinika. Napięcie dostępne na wyprowadzeniach silnika to
Vm = 2(Vi(Vs/2) + |R0|Im
gdzie |R0| = 2RR1/Rx a Im jest prądem silnika.
9
3. SCHEMAT STANOWISKA LABORATORYJNEGO
a). Układ z wzmacniaczem LM12
b). Układ z wzmacniaczem LM165
10
WYNIKI POMIARÓW
a). Wyznaczenie charakterystyki Uwy(UWE) i wzmocnienia wzmacniacza k
Nr 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
pomiaru
Uwe
[V]
Uwy
[V]
k
Uwy/Uwe
b). Wyznaczenie charakterystyki regulacyjnej n(Uwe)
Nr 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
pomiaru
Uwe
[V]
n
c). Pomiar parametrów odpowiedzi czasowej układu napędowego na wymuszenie
skokowe
11
4. LITERATURA
- Eugeniusz Koziej, Borys Sochoń, Elektronika i Elektrotechnika, Państwowe
Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1980;
- Paul Horowitz, Winfield Hill, Sztuka elektroniki, Wydawnictwa Komunikacji i
A
ączności, Warszawa 1996;
- L165 3A Power Operational Amplifier(L165.PDF), 1994 SGS-THOMSON
Microelectronics;
- LM12 80W Operational Amplifier(LM12.PDF), National Semiconductor 1995;
- L272 Dual Power Operational Amplifiers, 1995 SGS-THOMSON Microelectronics;
12