РАБОТА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ LM358

     интересные РАДИОСХЕМЫ самодельные


» ПОИСК СХЕМ



» РАДИОБЛОГИ
Программатор ARM Cortex USB и Flash Magic
Светодиодный свет для растений
УФ светодиоды диапазона UV-C для дезинфекции
Драйвер ШИМ с нулевым потреблением тока в режиме ожидания
Программируемый логический элемент
Дистанционный переключатель из модуля радиоуправления игрушками
Усилитель для петличного конденсаторного микрофона
Модуль повышающего преобразователя на UC3843A

РАБОТА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ LM358


Под термином "операционный усилитель" подразумевается микросхема дифференциальный усилитель постоянного тока, с высоким коэффициентом усиления и высоким входным сопротивлением, адаптированная для работы с внешней цепью отрицательной обратной связи.

Операционный усилитель (ОУ) имеет сложную внутреннюю структуру, в которую не будем углубляться сосредоточившись на практическом применении. Графический символ операционного усилителя относится не к его внешнему виду (тем более что он может быть доступен в различных корпусах), а к принципу работы:

Графический символ операционного усилителя. We (In) - вход, Wy (Out) - выход

Символ этот очень упрощен. Если бы мы хотели разместить на нем все необходимые детали обвязки и коррекции, пришлось бы нарисовать еще контакты. Но чаще всего этого достаточно.

Принцип действия ОУ

Подаем на усилитель через входы, обозначенные здесь символом We (+) так называемый неинвертирующий вход и / или We (-) так называемый инвертирующий вход некоторый сигнал. У него может быть даже очень небольшое напряжение. Разница входного напряжения называется дифференциальным напряжением.

Этот усилитель является своего рода компаратором - он будет сравнивать оба сигнала друг с другом и вести себя по-разному в зависимости от того, какой сигнал будет сильнее:

We (+) > We (-) => Wy ~ Uпит - Uwo

Если подадим более высокое напряжение на неинвертирующий вход We (+), чем на инвертирующий вход We (-), выход будет близок к напряжению Uпит, подаваемому на усилитель, за вычетом падения напряжения на усилителе Uwo.

We (+) < We (-) => Wy ~ 0 В

Если подадим более низкое напряжение на вход неинвертирующего We (+), чем на вход инвертирующего We (-) контакта, выход будет близок к нулю.

We (+) = We (-) => Wy ~ 0 В

Если подадим один и тот же сигнал на оба входа (называемый в данном случае недифференциальным сигналом), выходное напряжение будет близко к нулю.

Операционный усилитель, с которым будем проводить тесты, имеет обозначение LM358 (это наверное самая распространённая микросхема ОУ). Согласно информации из документации, это двойной усилитель напряжения (то есть два усилителя в одном корпусе), поэтому он имеет восемь контактов:

Слева операционный усилитель LM358; Справа схема его контактов

Вывод 8 (напряжение питания) и вывод 4 (масса) являются общими для обоих усилителей. Остальные ножки раздельные:

  1. первый усилитель состоит из ножек: 3 (We (+)), 2 (We (-)), 1 (выход).
  2. второй усилитель состоит из ножек: 5 (We (+)), 6 (We (-)), 7 (выход)

Если присмотритесь, то заметите небольшое углубление на одной стороне корпуса. На схеме в примечании вместо углубления рядом с цифрой 1 есть черная точка. Это стандартный способ маркировки передней части микросхемы. Ножки всегда нумеруются последовательно, начиная с выемки (или точки) против часовой стрелки.

Операционный усилитель LM358 с маркировкой ключа

Проверим как это выглядит на практике - соберем макетную плату. Напряжение питания 6 В. Для желто-зеленого светодиода выбран резистор 220 Ом. Потенциометр P1 на 10 кОм.

Внимание! Перед подключением блока питания к схеме на плате убедитесь, что операционный усилитель подключен правильно, иначе можете его повредить.

Вариант 1. Резистор R1 и светодиод D1 (желтый) подключены между плюсом блока питания и выходом операционного усилителя; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) также подключен к плюсу питания.

Схема из источника питания B1, операционного усилителя LM358, резистора R1, потенциометра P1 и диода D1

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) выше напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому на выходе усилителя (вывод 1) получаем напряжение близкое к напряжению питания, минус падение напряжения на усилителе. Разность потенциалов между источником питания B1 и выходом операционного усилителя будет слишком низкой для питания светодиода, поэтому он останется выключенным.

Вариант 2. Резистор R1 и светодиод R1 (в моем случае желтый) подключены между «плюсом» блока питания и выходом операционного усилителя; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) подключен к земле.

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) ниже напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому выход усилителя (вывод 1) будет близок к 0 В. Разности потенциалов между источником питания B1 и выходом операционного усилителя будет достаточно для питания светодиода, поэтому он будет светиться.

Вариант 3. Резистор R1 и светодиод D1 (теперь зеленый) подключены между выходом операционного усилителя и землей; неинвертирующий вход We (+) (третий выходной контакт усилителя) подключен к «плюсу» источника питания.

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) выше напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому на выходе усилителя (вывод 1) получаем напряжение, близкое к напряжению питания минус падение напряжения на усилителе. Разности потенциалов между выходом операционного усилителя и землей будет достаточно для питания светодиода, поэтому он будет светиться.

Вариант 4. Резистор R1 и светодиод D1 (зеленый) подключены между выходом операционного усилителя и массой; неинвертирующий вход We (+) (третий вывод усилителя) подключен к земле.

Напряжение на входе We (+) (вывод 3) ниже напряжения на входе We (-) (вывод 2), поэтому выход усилителя (вывод 1) будет близок к 0 В. Никакая разность потенциалов между выходом операционного усилителя и землей не предотвратит включение светодиода, поэтому он останется выключенным.

Собраны результаты опытов в таблице ниже:

Результаты проведенного эксперимента - влияние подключения We (+) - третьей ножки усилителя и свечения светодиода

Верна ли приведенная выше схема для всех операционных усилителей? Нет. Возьмем, к примеру, еще один, очень похожий операционный усилитель LM393. Он может проводить электричество только от точки в цепи с более высоким потенциалом (аналогично линиям 1 и 2 в таблице). Он не проводит ток от выхода усилителя к точке в цепи с более низким потенциалом напряжения, например к земле (позиции 3 и 4 в таблице). Другими словами, если бы мы использовали усилитель LM393 для эксперимента который только что проводили, зеленый светодиод не светился бы независимо от входных сигналов. Почему это происходит? Здесь более подробно рассмотрим внутреннюю структуру обоих усилителей:

Схема внутреннего устройства операционных усилителей: а) LM358; б) LM393

Схема слева (a) показывает внутреннюю структуру усилителя LM358, а схема справа (b) - LM393. Обе схемы сложны, поэтому не будем вдаваться в подробности. Сосредоточимся только на транзисторах, размещенных перед выходом (помечены как OUT или OUTPUT). В LM358 прямо перед выходом есть два транзистора, которые проводят электричество в разных направлениях (пометили их красным кружком). LM393 имеет только один транзистор непосредственно перед выходом (также в красном кружке), который предотвращает прохождение тока от усилителя через выход к земле (или к части схемы с более низким потенциалом).

Операционный усилитель адаптирован для работы с внешней цепью отрицательной обратной связи. Дело в том, что часть выходного сигнала может подаваться обратно на вход или наоборот со входа на выход усилителя. Может быть несколько конфигураций с использованием операционного усилителя и усилителя обратной связи (например, суммирующий, вычитающий, интегрирующий и дифференцирующий усилитель), но тут рассмотрим только две из самых простых и наиболее популярных из них - неинвертирующий и инвертирующий.

Неинвертирующий усилитель

Графический символ неинвертирующего усилителя

Напряжение, подаваемое на вход We (+) выше, чем подаваемое на We (-), поэтому выходной сигнал большой, потому что он близок к напряжению питания Uпит, за вычетом падения напряжения на усилителе Uwo (We (+) > We (-) => Wy ~ Uпит - Uwo). Часть выходного сигнала возвращается через резистор на вход We (-), таким образом этот сигнал становится больше, чем напряжение на We (+), и напряжение на выходе становится близким к 0 В (We (+) < We (-)) => Wy ~ 0 В). Вследствие падения напряжения на выходе (и отсутствия на нем усиления сигнала на We (-)) напряжение на We (+) снова будет больше We (-).

На практике быстро устанавливается состояние равновесия при котором выходной сигнал будет постоянным. Его размер легко рассчитать по формуле:

Uwy = Uwe (+) x [(R1 + R2) / R1]

Предположим, что на вход We (+) поступает напряжение 0,5 В, а на выходе хотим получить в 5 раз больше, то есть 2,5 В. Подставим данные в формулу:

Uwy = Uwe (+) x [(R1 + R2) / R1]

2,5 В = 0,5 В x [(R1 + R2) / R1]

[(R1 + R2) / R1] = 2,5 В / 0,5 В

[(R1 + R2) / R1] = 5

Отношение суммы сопротивлений резисторов R2 и R1 к R1 должно дать нам 5. Итак, предположим, что сопротивление R2 = 10 кОм и R1 = 2,2 кОм (соотношение их сопротивлений составляет 5,54).

Соберем всё на макетной плате по следующей схеме:

Прежде всего необходимо убедиться, что на вход We (+) подается соответствующее напряжение. Для этого подключите вольтметр между землей и третьей ножкой усилителя, а затем поверните ручку потенциометра до тех пор, пока мультиметр не покажет результат 0,5 В (или как можно более близкий).

Теперь измерьте напряжение на выходе усилителя, то есть между первым контактом и массой. Теоретически должны получить результат близкий к 2,5 В. Между тем, показание вольтметра составляет целых 2,88 В.

Откуда эта разница? Помните, мы не использовали резисторы с коэффициентом 5,54, а не 5. Давайте снова подставим данные (на этот раз реальные) в формулу:

Uwy = Uwe (+) x [(R1 + R2) / R1]

Uwy = 0,51 В x [(2,16 кОм + 10 кОм) / 2,16 кОм

Uwy = 0,51 В x 5,63

Uwy = 2,87 В

Теоретически и практически получили почти такой же результат - 2,87 В.

Инвертирующий усилитель

Графический символ инвертирующего усилителя

Принцип действия будет объяснен на основе схемы:

Некоторым нововведением на схеме выше являются два источника питания (B1, B2), каждый из которых будет иметь напряжение 3 В. Но в нашем распоряжении только одна аккумуляторная батарейка. Это не будет проблемой - подключим вывод из центра за второй батареей. Таким образом получаем два источника питания по 3 В каждый.

Кроме того для сборки указанной схемы на макетной плате используйте: P1 - потенциометр, R1 - резистор 2,2 кОм, R2 - резистор 10 кОм (резисторы будут иметь такие же номиналы, как и в предыдущем эксперименте), D1 - зеленый светодиод, D2 - красный светодиод.

Подключим узел между источниками напряжения к земле - теоретически это будет нулевая точка. Это сделано только для расчетов.

Теперь проверим что будет, если ползунок потенциометра повернуть как можно дальше к земле. Красный светодиод будет тускло светиться. Почему? Когда регулятор потенциометра P1 заземлен, сигнал, поступающий на усилитель со входа We (+), больше, чем We (-). Посчитаем какое напряжение ожидаем получить на выходе в этом случае.

Uwy = - (R2 / R1) x Uwe (-)

Uwe (-) в этой ситуации связан с точкой, которая по отношению к нашей нулевой точке (теоретической массе) имеет напряжение -3 В, и это значение подставляем в формулу:

Uwy = - (10 кОм / 2,2 кОм) x -3 В

Uwy = - 4,54 x -3 В

Uwy = 13,62 В

На выходе ожидаем 13,62 В - почему? Ведь питаем схему только от 4-х аккумуляторов с общим напряжением 6 В! Можно ли на выходе получить 13,62 В? Конечно нет. Полученный нами теоретический результат лишь доказывает, что усилитель полностью насыщен. В этой ситуации на выходе мы можем получить только предельное напряжение питания, за вычетом падения напряжения на самом усилителе. На практике получился результат: 1,57 В.

Теперь осторожно повернём ручку потенциометра. В какой-то момент красный светодиод погаснет, а зеленый загорится. Чем дальше потенциометр находится от земли, тем большее напряжение будет поступать на вход We (-), пока оно не станет больше чем напряжение на входе We (+). Согласно сказанному, если сигнал на входе We (-) больше сигнала на входе We (+), на выходе получим напряжение близкое к 0 В. Но помните, что резистор R2 соединяет вход We (-) с выходом, тем самым становясь каналом для тока, который каким-то образом обходит усилитель и подключается к току на выходе. Какого напряжения тогда ждем на выходе?

Uwy = - (R2 / R1) x Uwe (-)

Uwe (-) в этой ситуации связан с точкой, которая имеет напряжение +3 В по отношению к нулевой точке (теоретическая масса), и это значение, которое подставим для формулы:

Uwy = - (10 кОм / 2,2 кОм) x + 3 В

Uwy = - 4,54 x 3 В

Uwy = - 13,62 В

Получили тот же результат что и раньше, но со знаком минус.

Почему не получили одинаковые значения, но с противоположными знаками? Причина может заключаться в том, что усилитель работает на предельных значениях, поэтому результат может быть неверным. По этой причине будем выполнять другие измерения в диапазоне, в котором усилитель работает линейно.

Для этого установим ручку потенциометра немного вправо и немного левее от центра.

Вариант 1. На усилитель подадим напряжение + 0,2 В (естественно относительно теоретической нулевой точки). Для этого поднесите красный щуп вольтметра к средней ножке потенциометра, а черный - к третьей ножке усилителя. Осторожно поверните ручку потенциометра, пока мультиметр не покажет 0,2 В (в этом эксперименте светодиоды можно удалить, чтобы они не мешали измерениям).

Теперь измерьте напряжение на выходе - черный щуп к третьему и красный щуп к первому выводу усилителя. Как и положено настоящему инвертирующему усилителю, после подачи небольшого положительного напряжения получаем на выходе гораздо более высокое напряжение, но со знаком минус!

Вариант 2. Подадим на усилитель напряжение - 0,21 В (опять же по отношению к теоретической нулевой точке). Для этого поднесите красный щуп вольтметра к средней ножке потенциометра, а черный - к третьей ножке усилителя. Осторожно поверните ручку потенциометра, пока мультиметр не покажет - 0,21 В.

Измерьте выходное напряжение так же, как и раньше (черный щуп к третьему, красный щуп к первому контакту усилителя). Результат станет таким же, но на этот раз со знаком плюс.

Для обобщения информации о неинвертирующем и инвертирующем усилителе будут использованы два графика:

Неинвертирующий усилитель - небольшой сигнал на входе (положительный) даст большой сигнал на выходе (тоже положительный)

Инвертирующий усилитель - небольшой сигнал на входе (положительный) даст большой сигнал на выходе (отрицательный), а небольшой сигнал на входе (отрицательный) даст большой сигнал на выходе (положительный).

Конечно это простейшие схемы включения ОУ, и есть ещё немало всяких нюансов, но если вы хорошо поймёте хотя бы это, то уже встанете на более высокую ступень радиолюбительства!

   Форум




   Форум по обсуждению материала РАБОТА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ LM358


БЕСКОЛЛЕКТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ BLDC

Бесколлекторный двигатель постоянного тока - занимательная теория работы мотор-колеса.


УПРАВЛЕНИЕ ШАГОВЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Волновое управление, двухфазное и способ регулирования тока в обмотках шаговых двигателей.


МОДУЛЬ ДРАЙВЕРА МОТОРА BLDC

Модуль драйвера BLDC двигателя жесткого диска - принципиальные электрические схемы включения и обзор готовых блоков.



Радиосхемы » Теория электроники



» РАДИОЭЛЕМЕНТЫ


© 2010-2021 "Радиосхемы". Все права защищены  Почта  PDA   Группа вконтакте   Канал ютуб   Группа в фэйсбук