Elektronika W Zad cz 3 (

W Ciążyński - ELEKTRONIKA W ZADANIACH Część 5 Idealne wzmacniacze operacyjne w zastosowaniach liniowych

Zadanie 5.11

R=lkQ

Rys. 5.11.1 Przetwornik U_t / I_L

W układzie jak na rysunku 5.11.1 na wejście NI WO podaje się stałe napięcie Uj o wartości zmieniającej się w zakresie -15 -r 15 V. Układ ma pełnić rolę przetwornika tego napięcia na prąd li płynący przez obciążenie w postaci nieuziemionej rezystancji Rl o zmieniającej się wartości. Zakładając idealne parametry WO oraz wartość rezystancji R = 1 kO należy:

1. narysować charakterystykę przetwarzania li - f(Uj) dla kilku wybranych wartości rezystancji jeśli napięcia zasilające ±E = ±15 V;

2. narysować zależność prądu obciążenia od rezystancji //,= f(RO dla kilku dodatnich wartości napięcia wejściowego;

3. dobrać parametry układu w taki sposób, aby zakresowi napięć wejściowych -5 -i- 5 V odpowiadał prąd w zakresie -0,5 *r 0,5 mA,

a rezystancja obciążenia mogła zmieniać się w /JmA] ^iLzakresie 0 -r 10 kQ.

Rozwiązanie

Ad 1. Źródło sygnału wejściowego pracuje bez obciążenia, gdyż rezystancja wejściowa WO jest bardzo duża (prąd polaryzacji wejścia NI jest równy zeru). Wzmacniacz pracuje z ujemnym sprzężeniem zwrotnym, czyli można zakładać, że dla małych sygnałów utrzymuje wejściowe napięcie różnicowe na Ud poziomie zerowym, a więc napięcie na rezystorze R jest równe wejściowemu. Przez rezystor ten, oraz przez obciążenie Rl płynie dostarczany z wyjścia WO prąd równy:

I_l=U,/R (5.1 U)

Prąd ten nie zależy od wartości rezystancji Rl, a więc dla obciążenia układ zachowuje się jak sterowane napięciem źródło prądowe. Nachylenie charakterystyki statycznej wynosi jak wynika z tego wzoru 1//?, czyli 1 mA/V.

Przy stałym napięciu wejściowym na rezystorze obciążenia może odłożyć się napięcie równe różnicy pomiędzy napięciem zasilającym a napięciem wejściowym. Przy wzroście napięcia wejściowego ta różnica maleje, maleje też wtedy wartość maksymalnej rezystancji obciążenia, tym bardziej że płynie przez nią duży prąd. Dla maksymalnej wartości Ui równej 15 V WO znajduje się na granicy nasycenia i napięcie które mogłoby odłożyć się na rezystancji Rl spada do zera.

w. Ciązyfoki - ELEKTRONIKA W ZADANIACH Część 5: Idealne wzmacniacze operacyjne w zastosowaniach liniowych

Mi siol

Charakterystyki przetwarzania I_L = f(U/) przedstawiono na rysunku 5.11.2. Dla symetrycznego zasilania ±£ = ±15 V w całym zakresie napięć wejściowych prąd obciążenia jest określony zależnością 5.11.1 (a napięcie Ud jest utrzymywane na poziomie zerowym) tylko dla zerowej rezystancji obciążenia. Przy napięciu wejściowym 10 V płynie prąd 10 mA, a więc napięcie na wyjściu WO osiągnie wartość maksymalną równą napięciu zasilania 15 V, jeśli na rezystancji Rl spadek napięcia wyniesie 5 V. Odpowiada to maksymalnej rezystancji R_L = 500 O.

W tym stanie zwiększenie napięcia wejściowego nie spowoduje już wzrostu prądu, a więc charakterystyka statyczna przechodzi w odcinek poziomy. Wzmacniacz nie jest w stanie doprowadzić już wtedy napięcia Ud do zera, a więc to napięcie wzrasta. Przy R_L= 1 kO to ograniczenie liniowej części charakterystyki pojawi się przy napięciu 7,5 V, itp. Im większa jest wartość R_L tym mniejszy jest zakres napięć wejściowych odpowiadający liniowej części charakterystyki przetwarzania.

Ad 2. Te same informacje są przedstawione w inny sposób na rysunku 5.11.3. Pokazano tam zależności prądu od rezystancji obciążenia Il = KRl) dla kilku przykładowych dodatnich wartości napięcia wejściowego. Poziome odcinki tych charakterystyk świadczące o stałości prądu przechodzą dla dużych wartości Rl w hiperbolę o równaniu:

F 15 V

/, = —— = ■ — - (5.11.2)

^L r+r_l i

Maksymalna wartość R_L dla której układ zachowuje się jak źródło prądowe dla £// dodatnich i mniejszych od £ to:

= R(^~ -1) = -1) kfi (5-H.3)

u i u i

Ujemnym wartościom napięcia Uj odpowiadają ujemne wartości prądu obciążenia, a więc wtedy zakres liniowości charakterystyki i równanie hiperboli zależy od ujemnego napięcia zasilającego. Na rysunku 5.11.2 odpowiednie fragmenty charakterystyki pokazano dla symetrycznego zasilania.

Ad 3. Aby zakres przetwarzanych prądów wynosił ± 10 mA należy np. zastosować symetryczne zasilanie napięciem ±15 V, oraz przyjąć rezystor R w układzie sprzężenia zwrotnego WO równy 1,5 kO. Charakterystyka analogiczna do pokazanej na rysunku 5.10.2 będzie wtedy symetryczna względem zera.

-55-