Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Prąd wyjściowy wzmacniacza operacyjnego - wydajność, zabezpieczenie

mkot123 12 Gru 2014 20:21 1935 13
  • #1 12 Gru 2014 20:21
    mkot123
    Poziom 15  

    Witam,

    Jestem w trakcie budowy pewnego układu pomiarowego, który wielkość mierzoną powinien wystawiać na wyjściu w postaci sygnału napięciowego 0÷10V.

    Chciałbym jednak, żeby moje urządzenie było możliwie dobrze zabezpieczone przed niepoprawnym podłączeniem, zwarciem, itp. Jednocześnie chciałbym zapewnić możliwie dużą wydajność prądową. Dopuszczalny zakres zasilania urządzenia przewiduję na 10÷30 VDC. Potrzebna wydajność prądowa to 50 mA. Dałoby to impedancję wyjściową na poziomie 200Ω.
    W stopniu wyjściowym chciałbym zastosować wzmacniacz operacyjny w układzie nieodwracającym z regulacją wzmocnienia w zakresie 1-3 (około).

    Moje pytania brzmią:
    1. W jaki sposób można zabezpieczyć wzmacniacz operacyjny przed zwarciem jego wyjścia do masy i plusa zasilania? Ewentualnie jak ograniczyć prąd wyjściowy do pewnej wartości.
    2. Jak w prosty sposób zwiększyć wydajność prądową wzmacniacza? Próbowałem z dwoma tranzystorami PNP (BC558B) i NPN (BC548C) na wyjściu, ale mają chyba zbyt małe wzmocnienie i nie mogę na wyjściu uzyskać napięcia większego niż 8,5V (niezależnie od napięcia zasilania).

    0 13
  • #2 12 Gru 2014 20:34
    lekto
    Poziom 35  

    1. Wzmacniacze operacyjne zwykle mają jakieś zabezpieczenie przeciw zwarciu wyjścia - poszukaj w dokumentacji parametrów: "Duration of output short circuit" i "Short-circuit output current".
    2. Pokaż schemat.

    0
  • #3 12 Gru 2014 20:43
    trymer01
    Moderator Projektowanie

    Bez schematu się nie da rozmawiać.
    Jeśli Rwy=200Ω to przy poborze I=50mA Uwy spadnie z 10V do zera. Aby Uwy miało zadaną wartość (wynik Uwe x ku) niezależnie od Iwy=0-50mA, Rwy musi być zbliżone do zera.
    Wiele WO oferuje Iwy=50mA, mają zabezpieczenia przeciwzwarciowe, są też wzm. operacyjne mocy, są bufory wyjściowe. Można na wyjściu WO dodać tranzystor(y) - np. wtórnik emiterowy - ale muszą być objęte pętlą sprzężenia zwrotnego WO i trzeba dobudować układ ograniczenia prądu, gdyż przy zwarciu WO wymuszając Uwy spowoduje prąd ograniczony tylko zasilaniem. Najprostsze ograniczenie prądu to opornik w kolektorze wtórnika.
    Tematy wielokrotnie "wałkowane" na forum, szukaj.
    Pkt.2 - tranzystor objęty sprzężeniem?, napięcia zasilania dobrane do WO (jego zakresu Uwe i Uwy)?

    0
  • #4 12 Gru 2014 22:21
    mkot123
    Poziom 15  

    Poniżej zamieszczam schemat. Na wyjściu dodałem tranzystor z rezystorem R8 = 4,7kΩ ograniczającym prąd przy zwarciu wyjścia.

    Zabezpieczenie działa prawidłowo, tzn. przy zwarciu nie ulegnie uszkodzeniu żaden z elementów. Jak widać na schemacie pobierany prąd wynosi 20mA. Niestety nie uzyskam w ten sposób wymaganej wydajności. Zmniejszenie wartości rezystora R8 powoduje wydzielenie się na nim dużej mocy w przypadku zwarcia, a wolałbym nie używać większych rezystorów niż 250 mW (smd 1206).
    Układ posiada niestety bardzo dużą impedancję wyjściową i przy 10V na wyjściu mogę go obciążyć co najwyżej 750Ω żeby utrzymać określone napięcie wyjściowe.
    Prąd wyjściowy wzmacniacza operacyjnego - wydajność, zabezpieczenie
    R6 - obciążenie
    V1 - napięcie sterujące (to będzie PWM około 5 kHz)
    Wzmocnienie tutaj x2.
    Użyję tranzystora BC817-40 - maksymalny Ic = 500 mA, hFE = 250÷600

    P.S. Z zakresem napięcia zasilania trochę przesadziłem. Dolna granica będzie musiała wynosić 12V, bo przy 10V musiałbym użyć wzmacniacza rail-to-rail a i tak ciężko byłoby uzyskać 10V na wyjściu. To jednak żaden problem

    0
  • #5 12 Gru 2014 22:28
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Wzmacniacz operacyjny nie da na wyjściu większego prądu, niż dostanie z zasilania - może na zasilaniu (ale i +, i -) wstawić układ ograniczający prąd? Wzmacniacze operacyjne są zwykle mało wrażliwe na wahania napięcia zasilania, więc te układy nie powinny zakłócać pracy wzmacniacza. Jeśli jednak nie chcemy, żeby działanie ograniczenia prądu powodowało spore zmiany napięcia zasilania, to można dodać zenerki, ale to wymaga "masy zasilania" (bo jedna zenerka między + i - zasilania nie załatwi sprawy) - ostatecznie na + i - zasilania byłyby źródła prądowe i zenerki do "masy zasilania".

    0
  • #6 12 Gru 2014 22:47
    trymer01
    Moderator Projektowanie

    Wiele błędów.
    Z opornikami 250mW i tranzystorem 200mW chcesz robić układ o mocy wyjściowej 500mW?
    Jaki WO - nie podałeś, więc nie można doradzić jakie napięcie zasilania - a powinno być jak najniższe aby ograniczyć moc strat. Tyle że przy zasilaniu 10V nawet WO typu r2r nie da rady, gdyż na wyjściu WO musiałby dać ok.10,8V (Uwy+Ube).
    Prawidłowo skonstruowany układ będzie miał znikomą Rwy. To nieprawda że ma dużą - a R8=4,7k i przy tym prądzie obciążenia jakie jest napięcie na kolektorze? - to nie Rwy jest duża tylko R8 za duże (prawdę mówiąc to na pewno R8 był zmniejszany, bo przy 4,7k to miałbyś Iwy≦5mA przy Uzas=30V). R8 dobierz tak, aby przy I=50mA napięcie na kolektorze Uc wynosiło ok. 11-12V. Wtedy ograniczenie Iwy wyniknie z obniżenia Uc i nastąpi gdy Uwy+Ucesat=Uzas-IR8.
    Tranzystor odpowiednio mocniejszy - liczyć moc jak dla klasy A, podobnie moc R8.
    WO działa od Uwe=0 ?, dla Uwy= ok.0,5V ?, jaki ma odstęp Uwy od +zasilania (wyda 10,8V przy zasilaniu 12V)?
    Najlepiej R8 zastąpić źródłem prądowym I=60mA.

    0
  • #7 12 Gru 2014 23:12
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Czy prąd na wyjściu ma płynąć tylko w jedną stronę? Jeśli tak, to może zamiast wzmacniacza operacyjnego nadawałby się uA723?

    0
  • #8 12 Gru 2014 23:47
    trymer01
    Moderator Projektowanie

    _jta_ napisał:
    Czy prąd na wyjściu ma płynąć tylko w jedną stronę?

    Zasilanie niesymetryczne, więc wiadomo...
    _jta_ napisał:
    Jeśli tak, to może zamiast wzmacniacza operacyjnego nadawałby się uA723?

    To ma być wzmacniacz sygnału prostokątnego, więc jak...

    Niestety, znowu temat niedoprecyzowany, brak informacji po co to - jakie jest zastosowanie?
    W pierwszym poście pisano o wzmacniaczu o regulowanym wzmocnieniu 1-3 i Uwy=0-10V co sugerowało Uwe od zera.
    Bo jeśli to PWM i trzeba zwiększyć amplitudę z 5V na 10V to precyzja wzmocnienia nie jest chyba ważna? - a wtedy czy nie wystarczyłby układ cyfrowy - np. bramka TTL z wyjściem OC zasilanym z 10,8V sterująca wtórnik emiterowy? Wówczas wystarczy w kolektorze wtórnika wstawić proste źródło prądowe 55mA.

    0
  • #9 13 Gru 2014 06:36
    mkot123
    Poziom 15  

    Urządzenie ma docelowo być podłączone do wejścia analogowego sterownika PLC. W ich przypadku problemu z dużym poborem prądu nie będzie, bo mają impedancję wejściową zwykle na poziomie 10÷100kΩ. Chciałbym jednak pójść o krok dalej i mój czujnik przygotować również do bezpośredniego sterowania elementami o większym poborze prądu - takie trochę wyzwanie :D

    Nie określiłem jeszcze jakiego wzmacniacza użyję, ale może to być np. OP77 - niski offset, możliwość zasilania z 30V. Nie jest to rail-to-rail, ale podnosząć minimalne napięcie zasilania do około 12V powinien dać radę. Wg noty przy ±15V i obciążeniu 2kΩ wyjście może osiągnąć Uzas-2V.

    Na wejściu podany będzie sygnał PWM 0÷5V o wypełnieniu 0÷100%, co na wyjściu powinno dać napięcie stałe z zakresu 0÷10V. Górny zakres powinien być łatwo osiągalny poprzez zwiększenie wzmocnienia nieco powyżej 2. Wiadomo, że przy PWM=100% z mikrokontrolera nigdy nie uzyskamy dokładnie 5V. Trudniej będzie z dolnym zakresem. Przy PWM=0% napięcie na wejściu wzmacniacza nie będzie równe 0V, a do tego dochodzi problem zakresu napięcia wyjściowego wzm. op. Możliwe, że zajdzie konieczność zastosowania zasilania symetrycznego.

    Jeżeli chodzi o układ, którego schemat przedstawiłem powyżej to sprawdzę napięcia, o które pytaliście, ale dopiero po powrocie do domu. Jak wyglądałby układ ze źródłem prądowym?

    0
  • #10 13 Gru 2014 09:36
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Obciążenie 2kΩ przy napięciu na wyjściu 10V to 5mA, a nie 50. Jeśli prąd z wyjścia ma tylko wypływać, a nie wpływać, to można zastosować tranzystor do wzmocnienia prądu. Układ z 2 tranzystorów może dodatkowo zabezpieczać przed zwarciem - zobacz, jak to jest zrobione w uA723. Ale taki układ wymaga zwiększonego napięcia zasilania - sensowne jest 15V - i jeśli przy zwarciu do masy ma popłynąć 50mA, to moc strat wyniesie 750mW i to tranzystor wyjściowy musi taką moc wytrzymać.

    Stosowanie wzmacniacza o małym offsecie ma wątpliwy sens, jeśli źródłem sygnału jest pin "cyfrowy" uC - samo źródło będzie miało większy błąd, niż może dać kiepski wzmacniacz. Może użyć klucza analogowego (CD4053, można połączyć wszystkie klucze równolegle) i sygnałem PWM przełączać napięcie - wtedy to może być napięcie z jakiegoś wzorca.

    0
  • #11 13 Gru 2014 14:18
    ronwald
    Poziom 27  

    _jta_ napisał:

    Stosowanie wzmacniacza o małym offsecie ma wątpliwy sens, jeśli źródłem sygnału jest pin "cyfrowy" uC - samo źródło będzie miało większy błąd, niż może dać kiepski wzmacniacz. Może użyć klucza analogowego (CD4053, można połączyć wszystkie klucze równolegle) i sygnałem PWM przełączać napięcie - wtedy to może być napięcie z jakiegoś wzorca.


    Dokładnie tak jak pisze kolega _jta_ !

    Zbudowałem swego czasu taki układ. Jako klucza użyłem tranzystor BS170, następnie filtr aktywny dolnoprzepustowy, dwu biegunowy typu Bessela oparty o wzmacniacz OP291. Klucz zasilany był ze stabilnego źródła napięcia.
    Układ zbudowany dziewięć lat temu pracuje do teraz, mało tego powielałem go w innych układach pomiarowych :)

    0
  • #12 15 Gru 2014 06:44
    mkot123
    Poziom 15  

    Bardzo dziękuję za cenne uwagi.
    W związku z tym co napisaliście postanowiłem zmienić koncepcje.
    Pomysł ze źródłem odniesienia i przełącznikiem CD4053 bardzo mi się spodobał. Początkowo chciałem w ten właśnie sposób zrealizować mój projekt. Jako źródła użyłbym MCP1525 (2,5V), następnie podać je na wejście CD4053, a na końcu wzmocnić 4-razy tak żeby móc uzyskać docelowe 10V lub mniej zależnie od wypełnienia PWM.

    Pomyślałem jednak, że może w ogóle pozbyć się PWM'a z układu, w którym zależy mi na dokładności i użyć zewnętrznego DAC. Bardzo ciekawą opcją jest MCP4726:
    Link

    Można skorzystać z zewnętrznego źródła odniesienia, jest w bardzo małej obudowie SOT23-6 i jest sterowany przez I2C.

    Co do prądu wyjściowego to myślę, że pozostanę przy tym, co daje sam wzmacniacz operacyjny (typowo 20-30 mA). Na wyjściu dam rezystor ograniczający prąd, który będzie objęty pętlą sprzężenia zwrotnego, tak żeby zniwelować wpływ spadku napięcia na nim.

    Co sądzicie o powyższym rozwiązaniu?

    0
  • #13 15 Gru 2014 20:13
    ronwald
    Poziom 27  

    mkot123 napisał:
    Jako źródła użyłbym MCP1525 (2,5V), następnie podać je na wejście CD4053, a na końcu wzmocnić 4-razy tak żeby móc uzyskać docelowe 10V lub mniej zależnie od wypełnienia PWM.

    Co sądzicie o powyższym rozwiązaniu?


    Nie tak ! Wzmocnij źródło odniesienia (x 4 ) a nie sygnał. Wzmocnienie filtru Ku =1, ot i wszystko :)

    0
  • #14 15 Gru 2014 21:02
    mkot123
    Poziom 15  

    Ok, w przypadku rozwiązania z PWM masz racje, lepiej byłoby zastosować źródło 10V i mieć z głowy poziom napięcia.

    Jednak w przypadku zastosowania przetwornika DAC, o którym wspomniałem, tj. MCP4726 (mam takie w zapasie) sprawa się troszeczkę komplikuje. Ten układ można zasilać z max. 5,5V. Załóżmy, że zasiliłbym go dokładnie z 5V. Jako źródła odniesienia użyłbym 2,5V i wzmocnił je dwukrotnie wewnątrz przetwornika DAC (posiada taką opcje). Wtedy na wyjściu miałbym napięcie w zakresie 0÷5V. To podaje na filtr z Ku=2 i mam swoje 0÷10V.

    Generalnie druga opcja wydaje mi się bardziej poprawna niż stosowanie PWM'a, który zawsze sporo śmieci wokół siebie. Docelowo chciałbym uzyskać dokładność na poziomie około 10mV.
    Źródło odniesienia 2,5V i 12-bitowy przetwornik da mi rozdzielczość na poziomie 2,5V/4096 * 4 = 2,44 mV na wyjściu (4 to całkowite wzmocnienie układu DAC+opamp). Czy oczekując dokładności 10 mV nie żądam zbyt wiele? Jaki wzmacniacz operacyjny polecacie? OP07 byłby w porządku?

    0