Poradnik dla początkujących – o zasilaniu, zakresy napięć we. i wy, sposoby...
1. Terminy i pojęcia.
Zasilanie symetryczne - zasilanie WO dwoma napięciami: dodatnim VDD (VCC) i ujemnym VSS (VEE) względem masy, których wartości bezwzględne są jednakowe: |VDD|=|VSS| np. +5V i -5V.
Zasilanie podwójne - jak zasilanie symetryczne, ale bez warunku |VDD|=|VSS|, czyli np. +15V i -5V.
Z powyższego wynika, że zasilanie symetryczne to zasilanie podwójne, ale odwrotnie - niekoniecznie.
Zasilanie pojedyncze - zasilanie jednym napięciem VDD odniesionym do masy (VSS=0V), np. +15V.
Zasilanie niesymetryczne może oznaczać zasilanie podwójne gdzie |VDD|≠|VSS|, albo zasilanie pojedyncze (slang).
Szyna zasilania - linia zasilająca: dla zasilania podwójnego to linie: dodatnia VDD i ujemna VSS, dla zasilania pojedynczego to linie: dodatnia VDD i masa=0V.
2. Zasilanie.
Żaden wzmacniacz operacyjny (WO) nie musi być zasilany symetrycznie (tylko).
Inaczej mówiąc, każdy WO można zasilać napięciem podwójnym (czyli symetrycznym albo niesymetrycznym - czyli np. +15V i -15V, czy też +10V i -5V) albo też napięciem pojedynczym - np. +15V.
Czasem datasheet podaje wartości napięć niejasno - np. dla LM324N www.ti.com/lit/gpn/lm324-n w pkt.6.3 podano 3÷32V co sugeruje zasilanie pojedyncze. Oczywistym jest, że odpowiada to zasilaniu symetrycznemu ±(1,5÷16)V i tak też można go zasilać, co potwierdzono w pkt 8.1 datasheet.
Inaczej mówiąc - WO zawsze widzi napięcie zasilania doprowadzone do swoich końcówek zasilania tak samo - np. pojedyncze 10V i symetryczne ±5V=10V, i dla symetrycznego nie "wie" gdzie jest umiejscowiona masa – bo nigdy nie "widzi" masy. Potwierdza to zapis „Supply Voltage (V⁺ - V⁻)” w pkt 6.3.
W świetle powyższego oczywistym jest, że LM324 można zasilać np. ±15V, albo 30V, czy +20V i -10V, ±5V albo nawet -25V i +5V – byleby całkowite napięcie zasilania między VDD i VSS nie przekraczało 32V (max.32V, zalecane jest 30V bo to stara generacja WO).
Jeśli WO zasila się niesymetrycznie, to często napięcie ujemne jest sporo mniejsze od dodatniego (np. +24V i -5V, albo +15V i -1V) a przyczyną tego jest budowa LM324, który ma różne odstępy VOH i VOL (czytaj dalej) od szyn zasilania.
Odsprzęganie zasilania; - każdy WO wymaga odfiltrowania napięć zasilających – jest to t.zw. "odsprzęganie zasilania" (od słowa "sprzężenie" ozn. sprzężenie zwrotne dodatnie mogące zachodzić poprzez linie zasilające i powodujące generację/niestabilność).
Dokonuje się tego najczęściej za pomocą kondensatorów równolegle z linii zasilania do masy, pożądane jest aby kondensatory te były montowane jak najbliżej końcówek zasilających WO.
Datasheet WO zwykle podaje sposób odsprzęgania (pojemności, ilość a nawet rodzaj kondensatorów, odległości).
Im szybszy jest WO, tym większe znaczenia ma odsprzęganie (WO łatwiej się wzbudza i generuje) i tym więcej zabiegów z tym związanych.
Dla popularnych starych WO typu LM358/324 wystarczy 1 kondensator 100nF na szynę zasilania, dla szybkich trzeba nawet po 3 różne (np. tantal 10µF, 47nF, 1nF) na każdą szynę zasilania.
Dla LM324/358 wymagania są niewielkie, toteż podano je zdawkowo - pkt 10.1. Należy je rozumieć jako "dla pojedynczego zasilania - jeden kondensator do masy, dla podwójnego - po jednym z każdej linii zasilania do masy.
3. Napięcia wejściowe i wyjściowe.
Zakres napięć wejściowych WO to może być zakres napięć dopuszczalnych (nie powodujących zniszczenia WO) - pkt 6.1 datasheet LM324 (od VSS-0,3V do VDD), albo zakres napięć zapewniających poprawną pracę WO - dla LM324N to pkt 6.6 ("Input Common-Mode Voltage Range"= od VSS do (VDD-1,5V). Nie należy mylić tych zakresów.
Zakresy te podawane są w datasheet i zwykle są one związane z wartościami Uzas (VDD, VSS), są podawane jako wartości min/max (gwarantowane) oraz typowe, należy też zwracać uwagę na warunki pomiaru ("TEST CONDITIONS").
W wielu datasheet podano napięcia wejściowe i wyjściowe w sposób mało czytelny, jako np. "Input Voltage Range" - patrz https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/op07.pdf - str.3.
Należy to rozumieć tak: "Input Voltage Range" = typ.+-13V, min. +-14V, porównaj z warunkami pomiaru "VS = ±15 V, unless otherwise noted" u góry tabeli, z czego wynika, że gwarantowane przez producenta jest iż napięcie Vin≧(15-13)=2V zapewnia poprawną pracę, dla typowego egzemplarza to Vin≧(15-14)=1V.
Jest jeszcze jeden niuans, zazwyczaj (prawie zawsze) parametry ulegają zmianie z Uzas, dla Uzas mniejszych są zwykle nieco gorsze niż te podane dla +-15V=30V.
Dla LM324N możliwe do uzyskania napięcia wyjściowe podano jako "Output Voltage Swing":
- niskie (Low) VOL=5mV – wartość typowa, 20mV – wartość max, co uzupełniono wykresem Figure11, ważnym jest rodzaj obciążenia (sink/source).
- wysokie (High) VOH= min. 26V/27V - patrz warunki, typ. 28V, przy Uzas=30V (pojedynczym).
Oznacza to "odstęp" Uwy od +Uzas (dodatniej szyny zasilania - tu VDD=30V) typowy 30-28=2V, maksymalny 30-26=4V. To pozwala obliczyć max.Uwy dla innych napięć zasilania, np. dla pojedynczego +10V, Uwy = 5mV do 8V typowo, albo 20mV do 6V co najmniej (gwarantowane) – Rys.1:
Dla zasilania podwójnego ±5V, Uwy= od -4,995V do +3V typowo, albo gwarantowane od -4,98V do +1V – Rys.2:
Z Rys.1 i Rys.2 widać wyraźnie, że ten WO (LM324) jest skonstruowany tak, iż „lubi” napięcia Uwe i Uwy zbliżone do ujemnej szyny zasilania – leżą one w zakresie jego poprawnej pracy.
Należy zwrócić uwagę na warunki pomiaru - podane wyżej odstępy VOH od +Uzas dotyczą obciążenia 2k i 10k, co oznacza Iwy= ok.14mA/2,8mA. Dla mniejszych Iwy ten odstęp jest mniejszy i zwykle wynosi ok. 1,5V - typ. (datasheet str.1), producent tego nie gwarantuje. Odstęp ten może również zależeć od napięcia zasilania. Bardzo ważnym może też być rodzaj obciążenia – czy prąd wypływa z wy. („current source”) czy wpływa do wy. („sink current”).
Ten "odstęp" Uwy od szyn zasilania, podobnie jak "odstęp" Uwe od szyn zasilania wynika z konstrukcji danego typu WO i może wynosić od mV do kilku V.
WO, które mają odstępy Uwe i Uwy o niewielkich wartościach (kilku÷kilkuset mV) nazywane są "rail to rail" (od szyny do szyny) albo skrótem "R2R".
Czasem ów odstęp Uwy od szyn zasilania jest podawany bezpośrednio – np. dla LM358 www.ti.com/lit/gpn/lm158 w pkt 7.7 podano „Voltage output swing from rail”.
Zasilając WO niesymetrycznie nie można uzyskać dowolnego napięcia na wyjściu. Zasilając go pojedynczym napięciem (dodatnim) możesz uzyskać na wyjściu tylko napięcie dodatnie, zasilając go symetrycznie (dodatnim i ujemnym) - możesz uzyskać na wyjściu napięcie dodatnie i ujemne.
WO to nie przetwornica, więc zasilany dodatnim napięciem nie przerobi go na ujemne. Podając mu Uwe dodatnie i oczekując Uwy ujemnego musisz mu takowe dostarczyć - zasilić go i dodatnim i ujemnym (czyli podwójnym), oczywiście zawsze Uwy<Uzas.
Problem sprowadza się do umiejscowienia masy wzgl. szyn zasilania - przy zasilaniu pojedynczym 20V masa to "zero" i tę masę można uznać za VSS, zaś przy zasilaniu ±10V masa jest pośrodku między szynami VDD=+10V i VSS=-10V. Jeśli np. wzmacniasz ku=2 napięcie zmienne 1Vpp (podawane wzgl masy) to powinieneś uzyskać zmienne Uwy=2Vpp - ale przy zasilaniu pojedynczym 20V uzyskasz na wyjściu tylko dodatnie półfale tego napięcia zmiennego o amplitudzie 1V wzgl. masy, a przy zasilaniu ±10V uzyskasz Uwy=2Vpp wzgl. masy - jak chciałeś (czyli amplitudę napięcia od -1V do +1V). Bo w tym drugim przypadku napięcia zasilania ujemne i dodatnie są większe od amplitud Uwe i Uwy (i to pomniejszonych o owe "odstępy" napięć od szyn zasilania), masa jest "pośrodku" więc i sygnał we. oraz wy. są w zakresie dozwolonym/obsługiwanym przez ten WO i tak zasilany.
Jeśli wzmacniasz ku=2 stałe napięcie Uwe=0,000V ÷ 1V, to chcesz uzyskać Uwy=0,000V÷2V i dla zasilania ±10V uzyskasz to, bo ten zakres napięć leży wewnątrz dopuszczalnych Uwe i Uwy oraz wewnątrz Uzas - z dala od "szyn zasilania" - czyli z dala od -10V i +10V. Dla zasilania pojedynczego 20V uzyskasz ok.0,02V÷2V bo Uwy nie może być =0,000V - nie istnieje taki WO, który osiągnie Uwy=napięciu którejś z szyn zasilania.
W skrócie - zasilanie symetryczne powoduje, że sygnały są wewnątrz napięcia zasilania, a nie przy jednej z szyn zasilania (z dala od nich) - bo napięcie sygnału jest określone wzgl. masy, a ponieważ masa jest z dala od szyn zasilania to i sygnał jest daleko od nich.
Przykładem poprawnej analizy Uwe i Uwy jest problem uzyskania maksymalnej dynamiki Uwy wzmacniacza audio przy zasilaniu pojedynczym - np. 12V. W takim przypadku stosuje się t.zw. sztuczną masę - czyli rezystorowy dzielnik napięcia polaryzujący stałoprądowo wejście WO i ustalający napięcie stałe na jego wyjściu – Rys.3.
Zwykle stosuje się R1=R2 co daje stałe Uwe=Uwy=0,5VDD=6V. Maksymalna amplituda napięcia zmiennego Uwy (zależna od amplitudy sygnału we. oraz od wzmocnienia ku) wyniesie wtedy po stronie dodatniej (maxUwy-6V)=[(12V-1,5V)-6V]=4,5V (przyjęto odstęp od szyny VDD typowy=1,5V jako że prąd obciążenia jest znikomy), a po stronie ujemnej (względem Uwy=6V) wyniesie (maxUwy-6V)=0V-6V=-6V (zaniedbano VOL=5/20mV). Widać, że max. wartość amplitudy niezniekształconego sygnału to ±4,5V. Ale gdyby dzielnikiem sztucznej masy ustalić napięcie (12V-1,5V)/2=5,25V (a jeszcze lepiej ok. 5,3V co uwzględni VOL=5/20mV) to uzyskamy amplitudę na wyjściu ±5,2V (0,1V do 10,5V).
Problem tym większej wagi, im mniejsze jest napięcie zasilania.
4. Sztuczki i sposoby.
Często zachodzi potrzeba uzyskania Uwy=0 przy zasilaniu pojedynczym, a min. Uwy=VOL=5÷ 20mV to błąd nie do przyjęcia.
Wówczas można użyć prostego sposobu z diodą na wyjściu - Rys.4:
pod warunkiem, że WO pracuje jako "current source", tzn. że prąd wypływa z wyjścia (np. do masy, jak to pokazano na schemacie - Robc).
Jeśli obciążenie jest drugim końcem zapięte do +Uzas co powoduje, że prąd obciążenia wpływa do wy. WO (np. z VDD) - t.zw. "sink current" - a wtedy VOL może wynieść nawet ok. 1V - to sztuczka z diodą się nie sprawdzi i wtedy trzeba zastosować zasilanie podwójne, niekoniecznie symetryczne, albo użyć jednego z rodzajów sztucznej masy.
Sztuczną masę dla sygnałów zmiennych (audio) małej mocy omówiono powyżej (Rys.3).
Innym rodzajem sztucznej masy (dla sygnałów zmienno- i stałoprądowych) jest układ przedstawiony na rys. 5:
Wszystkie napięcia ozn. kolorem fioletowym na schemacie podano wzgl. sztucznej masy GND1 (masa GND to masa zasilania zewn. 24V - kolor zielony).
Sztuczną masę utworzono za pomocą diody Zenera 4,3V, przez którą płynie prąd polaryzacji stabilizatora L78L05 (ok.4mA) oraz inne prądy np. z VR2, R16. Należy zadbać o bilans prądów wpływających do/wypływających ze sztucznej masy, aby przez diodę Zenera zawsze płynął do GND prąd >Izmin, jednak nie większy niż Izmax=Pmax/Uz. Jeśli bilans jest taki, że Iz<Izmin, to należy go tam dostarczyć z +Uzas np. przez odpowiedniej wartości opornik (na schemacie z Rys.5 - równolegle do C2).
Słaba stabilizacja napięcia 4,3V jest tu bez znaczenia, skoro wszystkie sygnały są odniesione do wspólnego punktu jakim jest owa sztuczna masa GND1.
Tworzenie sygnału z czujnika PT100, oraz przetwarzanie sygnałów (np. Vref=479mV) odbywa się wzgl. sztucznej masy i dopiero sygnał końcowy jest odnoszony/przesuwany do masy GND (nie pokazano).
Uzyskano napięcia zasilania względem GND1: -4,3V i +5V (np. do zasilania przetwornika ICL7106) oraz +19,7V do zasilania przetwornika U/I. WO typu LM324 i OP07 są zasilane -4,3V i +19,7V, co umożliwia uzyskanie ich Uwy= -1V do +16V wzgl. GND1.
Podobny sposób jest przedstawiony na Rys.6:
Dodatkowe elementy to dioda małej mocy i ewentualnie dodatkowy opornik R.
Ip i Im to prądy pobierane przez zasilany WO, zwykle o jednakowej wartości. Prąd Iwy wpływając do wyjścia WO płynie do szyny -0,3V i dalej do zasilacza, można więc uznać że Ip i Im bilansują się.
Aby utworzyć napięcie -0,3V należy zapewnić prąd ID=kilka mA (min.1mA), a ponieważ Ip=Im, więc trzeba zapewnić ów prąd ID dostarczając go ze stabilizatora napięcia +Up. Jeśli prąd Is stabilizatora (w tym i ewentualnego dzielnika oporowego ustalającego jego napięcie wyjściowe) nie dostarcza takiego prądu, to należy zastosować dodatkowy opornik R o odpowiedniej wartości tak, aby Is+IR=ID=min.1mA.
Należy pamiętać, że obecnie masą jest zero (jest to "nowa" masa, t.zw. sztuczna masa, zaś "stara" masa jest teraz na szynie -0,3V). Dlatego sygnały we. i wy. WO muszą być odniesione do "nowej", sztucznej masy (zera).
Należy pamiętać, że w takim układzie WO jest zasilany sumarycznym napięciem o wartości Up+0,3V.
Układ takiego zasilania wymaga napięcia wejściowego tylko o 0,3V wyższego niż sam stabilizator co nie czyni znaczącej różnicy dla zasilacza (prostownik, akumulator).
Teoretycznie w takim układzie można zasilać każdy WO: typu R2R - dioda Schottky, np. BAT85 (ok.0,3V), np. LM324 - zwykła dioda krzemowa np. 1N4148 (ok.0,7V) nawet typy o dużym odstępie Uwy od szyn zasilania rzędu 3V (np.741, TL08x) - wówczas zamiast diody Schottky czy Si należy zastosować odpowiednią diodę Zenera. Jednakże wtedy Uwe (prostownik, akumulator) musi mieć odpowiednio wyższą wartość. Można taki układ zaprojektować jako nowy, można adaptować istniejący układ z zasilaczem.
Niekiedy można zastosować t.zw. symetryzator - Rys.7:
Jako WO najlepiej użyć układu o szerokim zakresie Uwe - np. LM358/324. Typ 741 czy TL08x/07x - tylko dla większych napięć wejściowych Uzas>10V. Tranzystory należy dobrać, np. BC547/557 czy BD135/136 w zależności od prądu wyjściowego I (układ zalecany do prądów rzędu max. kilkadziesiąt mA) oraz Uzas: moc tracona na jednym tranzystorze P=Uwy x I, gdzie Uwy=0,5Uzas lub równe większemu z napięć wyjściowych.
Wbrew nazwie, układ ten nie musi dostarczać na wyjściu napięć symetrycznych - mogą one mieć różne wartości, np. z Uzas=12V można uzyskać +11V, -1V przy użyciu np. LM358. Projektując taki układ należy zadbać również o odpowiednie wartości oporników dzielnika, oraz o dobór WO (zakresy Uwe, Uwy przy danym zasilaniu).
5. Jak czytać noty katalogowe.
Warto czytać noty katalogowe (datasheet), nawet nie tylko aby poznać parametry danego przyrządu, którego chcemy użyć. Datasheet często zawierają wiele innych cennych informacji - sposobów zasilania, warunków termicznych, sposobów wykorzystania (aplikacje), doboru elementów itp.
Zazwyczaj najmniej ważnym jest początek noty (pierwsza strona), którą redaguje dział marketingu, a do podanych tam informacji należy podchodzić ze sceptycyzmem.
Nie wolno mylić parametrów dopuszczalnych ("Absolute Maximum Ratings") z zalecanymi warunkami pracy ("Recommended Operating Conditions").
Zawsze należy dokładnie czytać notki i przypisy pod tabelami/wykresami/schematami.
W tabelach podano wartości parametrów min/typ/max, zaś na wykresach wartości typowe. Podano wartości min. - np. VOH= min. 27V co należy rozumieć jako "nie mniej niż 27V" i jest oczywiste, że nie można tu było podać wartości max - bo ona niczego by nie gwarantowała. Podobnie wartości max - np. prąd zasilania podano typ. 1,5mA oraz max. 3mA - bo tu wartość min. byłaby bezużyteczna.
W notach katalogowych niestety zdarzają się też błędy i pomyłki.
Proszę o konstruktywną krytykę - co jest źle, co zmienić, co dodać.
W założeniu ten poradnik miał być krótki i poruszać tematy, które co raz pojawiają się na forum jako pytania początkujących.
Będzie gdzie odsyłać.
1. Terminy i pojęcia.
Zasilanie symetryczne - zasilanie WO dwoma napięciami: dodatnim VDD (VCC) i ujemnym VSS (VEE) względem masy, których wartości bezwzględne są jednakowe: |VDD|=|VSS| np. +5V i -5V.
Zasilanie podwójne - jak zasilanie symetryczne, ale bez warunku |VDD|=|VSS|, czyli np. +15V i -5V.
Z powyższego wynika, że zasilanie symetryczne to zasilanie podwójne, ale odwrotnie - niekoniecznie.
Zasilanie pojedyncze - zasilanie jednym napięciem VDD odniesionym do masy (VSS=0V), np. +15V.
Zasilanie niesymetryczne może oznaczać zasilanie podwójne gdzie |VDD|≠|VSS|, albo zasilanie pojedyncze (slang).
Szyna zasilania - linia zasilająca: dla zasilania podwójnego to linie: dodatnia VDD i ujemna VSS, dla zasilania pojedynczego to linie: dodatnia VDD i masa=0V.
2. Zasilanie.
Żaden wzmacniacz operacyjny (WO) nie musi być zasilany symetrycznie (tylko).
Inaczej mówiąc, każdy WO można zasilać napięciem podwójnym (czyli symetrycznym albo niesymetrycznym - czyli np. +15V i -15V, czy też +10V i -5V) albo też napięciem pojedynczym - np. +15V.
Czasem datasheet podaje wartości napięć niejasno - np. dla LM324N www.ti.com/lit/gpn/lm324-n w pkt.6.3 podano 3÷32V co sugeruje zasilanie pojedyncze. Oczywistym jest, że odpowiada to zasilaniu symetrycznemu ±(1,5÷16)V i tak też można go zasilać, co potwierdzono w pkt 8.1 datasheet.
Inaczej mówiąc - WO zawsze widzi napięcie zasilania doprowadzone do swoich końcówek zasilania tak samo - np. pojedyncze 10V i symetryczne ±5V=10V, i dla symetrycznego nie "wie" gdzie jest umiejscowiona masa – bo nigdy nie "widzi" masy. Potwierdza to zapis „Supply Voltage (V⁺ - V⁻)” w pkt 6.3.
W świetle powyższego oczywistym jest, że LM324 można zasilać np. ±15V, albo 30V, czy +20V i -10V, ±5V albo nawet -25V i +5V – byleby całkowite napięcie zasilania między VDD i VSS nie przekraczało 32V (max.32V, zalecane jest 30V bo to stara generacja WO).
Jeśli WO zasila się niesymetrycznie, to często napięcie ujemne jest sporo mniejsze od dodatniego (np. +24V i -5V, albo +15V i -1V) a przyczyną tego jest budowa LM324, który ma różne odstępy VOH i VOL (czytaj dalej) od szyn zasilania.
Odsprzęganie zasilania; - każdy WO wymaga odfiltrowania napięć zasilających – jest to t.zw. "odsprzęganie zasilania" (od słowa "sprzężenie" ozn. sprzężenie zwrotne dodatnie mogące zachodzić poprzez linie zasilające i powodujące generację/niestabilność).
Dokonuje się tego najczęściej za pomocą kondensatorów równolegle z linii zasilania do masy, pożądane jest aby kondensatory te były montowane jak najbliżej końcówek zasilających WO.
Datasheet WO zwykle podaje sposób odsprzęgania (pojemności, ilość a nawet rodzaj kondensatorów, odległości).
Im szybszy jest WO, tym większe znaczenia ma odsprzęganie (WO łatwiej się wzbudza i generuje) i tym więcej zabiegów z tym związanych.
Dla popularnych starych WO typu LM358/324 wystarczy 1 kondensator 100nF na szynę zasilania, dla szybkich trzeba nawet po 3 różne (np. tantal 10µF, 47nF, 1nF) na każdą szynę zasilania.
Dla LM324/358 wymagania są niewielkie, toteż podano je zdawkowo - pkt 10.1. Należy je rozumieć jako "dla pojedynczego zasilania - jeden kondensator do masy, dla podwójnego - po jednym z każdej linii zasilania do masy.
3. Napięcia wejściowe i wyjściowe.
Zakres napięć wejściowych WO to może być zakres napięć dopuszczalnych (nie powodujących zniszczenia WO) - pkt 6.1 datasheet LM324 (od VSS-0,3V do VDD), albo zakres napięć zapewniających poprawną pracę WO - dla LM324N to pkt 6.6 ("Input Common-Mode Voltage Range"= od VSS do (VDD-1,5V). Nie należy mylić tych zakresów.
Zakresy te podawane są w datasheet i zwykle są one związane z wartościami Uzas (VDD, VSS), są podawane jako wartości min/max (gwarantowane) oraz typowe, należy też zwracać uwagę na warunki pomiaru ("TEST CONDITIONS").
W wielu datasheet podano napięcia wejściowe i wyjściowe w sposób mało czytelny, jako np. "Input Voltage Range" - patrz https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/op07.pdf - str.3.
Należy to rozumieć tak: "Input Voltage Range" = typ.+-13V, min. +-14V, porównaj z warunkami pomiaru "VS = ±15 V, unless otherwise noted" u góry tabeli, z czego wynika, że gwarantowane przez producenta jest iż napięcie Vin≧(15-13)=2V zapewnia poprawną pracę, dla typowego egzemplarza to Vin≧(15-14)=1V.
Jest jeszcze jeden niuans, zazwyczaj (prawie zawsze) parametry ulegają zmianie z Uzas, dla Uzas mniejszych są zwykle nieco gorsze niż te podane dla +-15V=30V.
Dla LM324N możliwe do uzyskania napięcia wyjściowe podano jako "Output Voltage Swing":
- niskie (Low) VOL=5mV – wartość typowa, 20mV – wartość max, co uzupełniono wykresem Figure11, ważnym jest rodzaj obciążenia (sink/source).
- wysokie (High) VOH= min. 26V/27V - patrz warunki, typ. 28V, przy Uzas=30V (pojedynczym).
Oznacza to "odstęp" Uwy od +Uzas (dodatniej szyny zasilania - tu VDD=30V) typowy 30-28=2V, maksymalny 30-26=4V. To pozwala obliczyć max.Uwy dla innych napięć zasilania, np. dla pojedynczego +10V, Uwy = 5mV do 8V typowo, albo 20mV do 6V co najmniej (gwarantowane) – Rys.1:
Dla zasilania podwójnego ±5V, Uwy= od -4,995V do +3V typowo, albo gwarantowane od -4,98V do +1V – Rys.2:
Z Rys.1 i Rys.2 widać wyraźnie, że ten WO (LM324) jest skonstruowany tak, iż „lubi” napięcia Uwe i Uwy zbliżone do ujemnej szyny zasilania – leżą one w zakresie jego poprawnej pracy.
Należy zwrócić uwagę na warunki pomiaru - podane wyżej odstępy VOH od +Uzas dotyczą obciążenia 2k i 10k, co oznacza Iwy= ok.14mA/2,8mA. Dla mniejszych Iwy ten odstęp jest mniejszy i zwykle wynosi ok. 1,5V - typ. (datasheet str.1), producent tego nie gwarantuje. Odstęp ten może również zależeć od napięcia zasilania. Bardzo ważnym może też być rodzaj obciążenia – czy prąd wypływa z wy. („current source”) czy wpływa do wy. („sink current”).
Ten "odstęp" Uwy od szyn zasilania, podobnie jak "odstęp" Uwe od szyn zasilania wynika z konstrukcji danego typu WO i może wynosić od mV do kilku V.
WO, które mają odstępy Uwe i Uwy o niewielkich wartościach (kilku÷kilkuset mV) nazywane są "rail to rail" (od szyny do szyny) albo skrótem "R2R".
Czasem ów odstęp Uwy od szyn zasilania jest podawany bezpośrednio – np. dla LM358 www.ti.com/lit/gpn/lm158 w pkt 7.7 podano „Voltage output swing from rail”.
Zasilając WO niesymetrycznie nie można uzyskać dowolnego napięcia na wyjściu. Zasilając go pojedynczym napięciem (dodatnim) możesz uzyskać na wyjściu tylko napięcie dodatnie, zasilając go symetrycznie (dodatnim i ujemnym) - możesz uzyskać na wyjściu napięcie dodatnie i ujemne.
WO to nie przetwornica, więc zasilany dodatnim napięciem nie przerobi go na ujemne. Podając mu Uwe dodatnie i oczekując Uwy ujemnego musisz mu takowe dostarczyć - zasilić go i dodatnim i ujemnym (czyli podwójnym), oczywiście zawsze Uwy<Uzas.
Problem sprowadza się do umiejscowienia masy wzgl. szyn zasilania - przy zasilaniu pojedynczym 20V masa to "zero" i tę masę można uznać za VSS, zaś przy zasilaniu ±10V masa jest pośrodku między szynami VDD=+10V i VSS=-10V. Jeśli np. wzmacniasz ku=2 napięcie zmienne 1Vpp (podawane wzgl masy) to powinieneś uzyskać zmienne Uwy=2Vpp - ale przy zasilaniu pojedynczym 20V uzyskasz na wyjściu tylko dodatnie półfale tego napięcia zmiennego o amplitudzie 1V wzgl. masy, a przy zasilaniu ±10V uzyskasz Uwy=2Vpp wzgl. masy - jak chciałeś (czyli amplitudę napięcia od -1V do +1V). Bo w tym drugim przypadku napięcia zasilania ujemne i dodatnie są większe od amplitud Uwe i Uwy (i to pomniejszonych o owe "odstępy" napięć od szyn zasilania), masa jest "pośrodku" więc i sygnał we. oraz wy. są w zakresie dozwolonym/obsługiwanym przez ten WO i tak zasilany.
Jeśli wzmacniasz ku=2 stałe napięcie Uwe=0,000V ÷ 1V, to chcesz uzyskać Uwy=0,000V÷2V i dla zasilania ±10V uzyskasz to, bo ten zakres napięć leży wewnątrz dopuszczalnych Uwe i Uwy oraz wewnątrz Uzas - z dala od "szyn zasilania" - czyli z dala od -10V i +10V. Dla zasilania pojedynczego 20V uzyskasz ok.0,02V÷2V bo Uwy nie może być =0,000V - nie istnieje taki WO, który osiągnie Uwy=napięciu którejś z szyn zasilania.
W skrócie - zasilanie symetryczne powoduje, że sygnały są wewnątrz napięcia zasilania, a nie przy jednej z szyn zasilania (z dala od nich) - bo napięcie sygnału jest określone wzgl. masy, a ponieważ masa jest z dala od szyn zasilania to i sygnał jest daleko od nich.
Przykładem poprawnej analizy Uwe i Uwy jest problem uzyskania maksymalnej dynamiki Uwy wzmacniacza audio przy zasilaniu pojedynczym - np. 12V. W takim przypadku stosuje się t.zw. sztuczną masę - czyli rezystorowy dzielnik napięcia polaryzujący stałoprądowo wejście WO i ustalający napięcie stałe na jego wyjściu – Rys.3.
Zwykle stosuje się R1=R2 co daje stałe Uwe=Uwy=0,5VDD=6V. Maksymalna amplituda napięcia zmiennego Uwy (zależna od amplitudy sygnału we. oraz od wzmocnienia ku) wyniesie wtedy po stronie dodatniej (maxUwy-6V)=[(12V-1,5V)-6V]=4,5V (przyjęto odstęp od szyny VDD typowy=1,5V jako że prąd obciążenia jest znikomy), a po stronie ujemnej (względem Uwy=6V) wyniesie (maxUwy-6V)=0V-6V=-6V (zaniedbano VOL=5/20mV). Widać, że max. wartość amplitudy niezniekształconego sygnału to ±4,5V. Ale gdyby dzielnikiem sztucznej masy ustalić napięcie (12V-1,5V)/2=5,25V (a jeszcze lepiej ok. 5,3V co uwzględni VOL=5/20mV) to uzyskamy amplitudę na wyjściu ±5,2V (0,1V do 10,5V).
Problem tym większej wagi, im mniejsze jest napięcie zasilania.
4. Sztuczki i sposoby.
Często zachodzi potrzeba uzyskania Uwy=0 przy zasilaniu pojedynczym, a min. Uwy=VOL=5÷ 20mV to błąd nie do przyjęcia.
Wówczas można użyć prostego sposobu z diodą na wyjściu - Rys.4:
pod warunkiem, że WO pracuje jako "current source", tzn. że prąd wypływa z wyjścia (np. do masy, jak to pokazano na schemacie - Robc).
Jeśli obciążenie jest drugim końcem zapięte do +Uzas co powoduje, że prąd obciążenia wpływa do wy. WO (np. z VDD) - t.zw. "sink current" - a wtedy VOL może wynieść nawet ok. 1V - to sztuczka z diodą się nie sprawdzi i wtedy trzeba zastosować zasilanie podwójne, niekoniecznie symetryczne, albo użyć jednego z rodzajów sztucznej masy.
Sztuczną masę dla sygnałów zmiennych (audio) małej mocy omówiono powyżej (Rys.3).
Innym rodzajem sztucznej masy (dla sygnałów zmienno- i stałoprądowych) jest układ przedstawiony na rys. 5:
Wszystkie napięcia ozn. kolorem fioletowym na schemacie podano wzgl. sztucznej masy GND1 (masa GND to masa zasilania zewn. 24V - kolor zielony).
Sztuczną masę utworzono za pomocą diody Zenera 4,3V, przez którą płynie prąd polaryzacji stabilizatora L78L05 (ok.4mA) oraz inne prądy np. z VR2, R16. Należy zadbać o bilans prądów wpływających do/wypływających ze sztucznej masy, aby przez diodę Zenera zawsze płynął do GND prąd >Izmin, jednak nie większy niż Izmax=Pmax/Uz. Jeśli bilans jest taki, że Iz<Izmin, to należy go tam dostarczyć z +Uzas np. przez odpowiedniej wartości opornik (na schemacie z Rys.5 - równolegle do C2).
Słaba stabilizacja napięcia 4,3V jest tu bez znaczenia, skoro wszystkie sygnały są odniesione do wspólnego punktu jakim jest owa sztuczna masa GND1.
Tworzenie sygnału z czujnika PT100, oraz przetwarzanie sygnałów (np. Vref=479mV) odbywa się wzgl. sztucznej masy i dopiero sygnał końcowy jest odnoszony/przesuwany do masy GND (nie pokazano).
Uzyskano napięcia zasilania względem GND1: -4,3V i +5V (np. do zasilania przetwornika ICL7106) oraz +19,7V do zasilania przetwornika U/I. WO typu LM324 i OP07 są zasilane -4,3V i +19,7V, co umożliwia uzyskanie ich Uwy= -1V do +16V wzgl. GND1.
Podobny sposób jest przedstawiony na Rys.6:
Dodatkowe elementy to dioda małej mocy i ewentualnie dodatkowy opornik R.
Ip i Im to prądy pobierane przez zasilany WO, zwykle o jednakowej wartości. Prąd Iwy wpływając do wyjścia WO płynie do szyny -0,3V i dalej do zasilacza, można więc uznać że Ip i Im bilansują się.
Aby utworzyć napięcie -0,3V należy zapewnić prąd ID=kilka mA (min.1mA), a ponieważ Ip=Im, więc trzeba zapewnić ów prąd ID dostarczając go ze stabilizatora napięcia +Up. Jeśli prąd Is stabilizatora (w tym i ewentualnego dzielnika oporowego ustalającego jego napięcie wyjściowe) nie dostarcza takiego prądu, to należy zastosować dodatkowy opornik R o odpowiedniej wartości tak, aby Is+IR=ID=min.1mA.
Należy pamiętać, że obecnie masą jest zero (jest to "nowa" masa, t.zw. sztuczna masa, zaś "stara" masa jest teraz na szynie -0,3V). Dlatego sygnały we. i wy. WO muszą być odniesione do "nowej", sztucznej masy (zera).
Należy pamiętać, że w takim układzie WO jest zasilany sumarycznym napięciem o wartości Up+0,3V.
Układ takiego zasilania wymaga napięcia wejściowego tylko o 0,3V wyższego niż sam stabilizator co nie czyni znaczącej różnicy dla zasilacza (prostownik, akumulator).
Teoretycznie w takim układzie można zasilać każdy WO: typu R2R - dioda Schottky, np. BAT85 (ok.0,3V), np. LM324 - zwykła dioda krzemowa np. 1N4148 (ok.0,7V) nawet typy o dużym odstępie Uwy od szyn zasilania rzędu 3V (np.741, TL08x) - wówczas zamiast diody Schottky czy Si należy zastosować odpowiednią diodę Zenera. Jednakże wtedy Uwe (prostownik, akumulator) musi mieć odpowiednio wyższą wartość. Można taki układ zaprojektować jako nowy, można adaptować istniejący układ z zasilaczem.
Niekiedy można zastosować t.zw. symetryzator - Rys.7:
Jako WO najlepiej użyć układu o szerokim zakresie Uwe - np. LM358/324. Typ 741 czy TL08x/07x - tylko dla większych napięć wejściowych Uzas>10V. Tranzystory należy dobrać, np. BC547/557 czy BD135/136 w zależności od prądu wyjściowego I (układ zalecany do prądów rzędu max. kilkadziesiąt mA) oraz Uzas: moc tracona na jednym tranzystorze P=Uwy x I, gdzie Uwy=0,5Uzas lub równe większemu z napięć wyjściowych.
Wbrew nazwie, układ ten nie musi dostarczać na wyjściu napięć symetrycznych - mogą one mieć różne wartości, np. z Uzas=12V można uzyskać +11V, -1V przy użyciu np. LM358. Projektując taki układ należy zadbać również o odpowiednie wartości oporników dzielnika, oraz o dobór WO (zakresy Uwe, Uwy przy danym zasilaniu).
5. Jak czytać noty katalogowe.
Warto czytać noty katalogowe (datasheet), nawet nie tylko aby poznać parametry danego przyrządu, którego chcemy użyć. Datasheet często zawierają wiele innych cennych informacji - sposobów zasilania, warunków termicznych, sposobów wykorzystania (aplikacje), doboru elementów itp.
Zazwyczaj najmniej ważnym jest początek noty (pierwsza strona), którą redaguje dział marketingu, a do podanych tam informacji należy podchodzić ze sceptycyzmem.
Nie wolno mylić parametrów dopuszczalnych ("Absolute Maximum Ratings") z zalecanymi warunkami pracy ("Recommended Operating Conditions").
Zawsze należy dokładnie czytać notki i przypisy pod tabelami/wykresami/schematami.
W tabelach podano wartości parametrów min/typ/max, zaś na wykresach wartości typowe. Podano wartości min. - np. VOH= min. 27V co należy rozumieć jako "nie mniej niż 27V" i jest oczywiste, że nie można tu było podać wartości max - bo ona niczego by nie gwarantowała. Podobnie wartości max - np. prąd zasilania podano typ. 1,5mA oraz max. 3mA - bo tu wartość min. byłaby bezużyteczna.
W notach katalogowych niestety zdarzają się też błędy i pomyłki.
Proszę o konstruktywną krytykę - co jest źle, co zmienić, co dodać.
W założeniu ten poradnik miał być krótki i poruszać tematy, które co raz pojawiają się na forum jako pytania początkujących.
Będzie gdzie odsyłać.
Cool? Ranking DIY
