Čím usměrníme 220V ze zásuvky ? Graetzem ! Čím usměrníme 20mV z nějakého robotického čidla ? Taky Graetzovým můstkem který má ubytek napětí 2x úbytek na diodě neboli u konvenčních usměrňovacích diod 1,4V ? Asi ne, asi by to chtělo nějakou "superdiodu" která se chová tak jak se na průmyslovce učí, že se dioda má chovat - v jednom směru dokonale propustná v druhém směru absolutně nepropustná.
Kupodivu takové zapojení existuje a dokonce mu bratři anglosassové říkají "Superdiode". Zdá se to být jasné - dioda je zapojená do zpětné vazby operačního zesilovače, takže ať je úbytek na této diodě jak chce veliký zpětná vazba jej kompenzuje. Celé zapojení má celkem 5 problémečků
- Zapojení je jednocestné - na rozdíl od "Graetze" usměrňuje jenom jednu půlvlnu signálu.
- Při druhé půlvlně signálu je dioda zavřená, zpětná vazba je přerušená a operační zesilovač je buď úplně v krajním záporném napětí, nebo nějak šíleně kmitá, což nedělá dobře situaci, kdy se má "vzpamatovat" a začít znou spořádaně usměrňovat tu "propustnou" půlvlnu.
- Z bodu 2. vyplývá, že maximální frekvence signálu, kterou toto zapojení zpracuje je překvapivě nízká - u operačních zeslilovaču s šírkou pásma do 1 MHZ ( třeba TL072 ) počítejte tak s 1/100 této frekvence - tedy 10 kHz max.
- Ani "superdioda" není tak úplně super - pro zcela miniaturní napětí ( asi tak pod 5 mV ) se začne projevovat parazitní proud diody, která pak "jako by tam nebyla" a zapojení přestává tak malé napětí usměrňovat.
- Běda vám jestli vynecháte odpor RL který by měl být 1K nebo max 10K. Pokud si budete myslet že místo tohoto odporu vystačí třeba vstupní odpor AD převodníku - jste vedle jak ta jedle. Vstupní odpor operačního zesilovače je obrovský i malý zpětný parazitní proud diody způsobí špatné chování dle bodu 4. u daleko vyšších napětí než 5mV.
Jasné ?
.svg/300px-Op-Amp_Precision_Rectifier_(Improved).svg.png)
Takže takdy máme zlepšenou super-diodu. Záporné půlvlny vycházejí z tohoto zapojení jako kladné ( zapojení je invertující ) a zesílené v poměru -R2/R1. Kladné půlvlny projdou přes diodu D2 beze škod do země a na výstupu se neprojeví. ( projeví se jenom jako nepatrný rozdíl úbytků napětí na diodách D1 a D2 ). Toto zapojení má oproti prvnímu zásadní výhodu, která spočívá v tom, že operační zesilovač má "nějakou" zpětnou vazbu pro obě půlvlny signálu takže divoce nekmitá, ale situace ani tak není ideální - existuje totiž oblast -0,7 až +0,7 V kdy ani jedna z diod pořádně nevede a tuto oblast musí operační zesilovač ukrutně rychle překmitnout. Takže u běžného zesilovače se šířkou pásma 1MHz počítejte s maximální frekvencí tak 100 KHz ale lépe méně. ( pro robotické ultrazvuky na 40kHz to stačí ). Poznámka o mizerném usměrňování signálů pod 5mV platí i tady.
Teď takový příkládek - pokud usmerňujeme signál z robotického ultrazvuku ( protože nejsme ubožáci, co kupují špatně navržené čínské moduly na Aliexspress ) má takový signál 40 kHz střídavých. Pokud ho usměrníme jednocestně, bude základní frekvence takového signálu pořád 40 KHz a budeme muset vymýšlet velmi složité a strmé analogové filtry, které nám z takového signálu vyfiltrují "amplitudovou obálku" a zároveň nám do signálu nevnesou veliké zpoždění - což u ultrazvuku znamená nepřesnost měření vzdálenosti. Fundamentální frekvence dvoucestně usměrněného 40khZ signálu je 80kHz takže dvoucestým usměrnením jsme si vlastně v této úloze dosti pomohli, protože jsme "vynásobili frekvenci" a tím zvýšili nutnou "frekvenční vzdálenost" mezi filtrovaným signálem a propustným pásmem filtru.
Ergo by nebylo špatné umět zapojení, které usměrňuje dvoucestně. A hned si předvedeme jedno "učebnicové zapojení" které jsem, na rozdíl od autorů učebnic, opravdu zkoušel a mé doporučení je UTÍKEJTĚ OD NĚJ JAK MŮŽETE. Rozebereme si proč : První operační zesilovač je jasný - na jeho výstupu jsou jednocestně usměrněné půlvlny. Druhý operační zesilovač sčítá jednocestně usměrněné záporné půlvlny přes odpor R3 s nezměněným vstupním signálem přes odpor R4 a navíc záporné půlvlny přes R3 zesiluje 2x zatímco vstupní signál k tomu přičítá bez zesílení - výsledkem je dvoucestně usměrněný signál - tedy usměrněné kladné i záporné půlvlny.
Tušíte proč se tomuto zapojení vyhnout ? Sčítá se totiž původní NEZPOŽDĚNÝ signál se signálem ZPOŽDĚNÝM prvním operačním zesilovačem - tudíž čím větší frekvenci zpracováváte tím větší fázový rozdíl mezi těmito dvěma signály je a asi tak od 2KHz nahoru ( !!! ) bez ohledu na vlastnosti operačního zesilovače začnou z tohoto zapojení lézt nesmysly jako polo usměrněné do záporné polarity překmitávající "velbloudí hrby" atd. Prostě v učebnicích to je, u zkoušky na VUT to namalujte a pak ZAPOMEŇTE.
Další zapojení bylo mé oblíbené a pro signály nad 5mV a pod 100 kHz je zcela bezproblémové. Obvykle se o něm píše, že R1 a R4 musí být stejné hodnoty kvůli "symetrii diod". Opravdu je nutné aby D1 i D2 byly stejné diody ( to je snad jasné !! ) a zatíženy pokud možno stejnými proudy. Proto je třeba aby R2 a R4 byly stejné R1 si udělejte jak chcete.
Zapojení na posledním obrázku původně nebylo mé oblíbené, protože má o jeden odpor více, a to mi jako lakomému elektro - vidlákovi připadal jako neodůvodněné plýtvání součástkami, ale nyní je to moje nejoblíbenější zapojení "precizního dvoucestného usměrňovače". Proč ? Jednak má vlastnosti jako předchozí - to jest pracovní frekvence něco málo pod 1/10 šířky pásma operačních zesilovačů, ale hlavně odpor R1 se může lišit ( být menší ) než ostatní a tak je toto jediný zesilující dvoucestný usměrňovač. Zesílení se s výhodou využije aby se kompenzovala ztráta na výstupním filtru.
Takže nejoblíběnější zapojení je tu, zbývají jenom poslení poznámečky :
Výstupní filtr ? I Graetz. který usměrňuje 220V někde ve spínaném zdroji tak činí tím způsobem, že nabíjí filtrační kondenzátor, který dělá z "tepavého napětí" to pravé DC. POkud byste chtěli usměrňovat 40 KHz ultrazvuk doporučil bych na výstup operačního zesilovače odpor 1K jako "ochranný odpor" pro AD převodník někde v arduínu, a jako filtraci na stranu toho odporu směrem k Arduínu připojit keramický kondenzátor 10nF na zem - tím vznikne RC filtr s dělící frekvecní 16 KHz která vám 80 kHz docela pěkně vyfiltruje.
A poslední poznámečka, kterou v učebnicích nenajdete - měl jsem opravdu všechny zde uvedené obvody zapojené a mám je důkkladně osahané. Mezi předposledním a posledním zapojením je jeden malý, ale důležitý rozdíl. Předposlední zapojení funguje nejlépe když pracuje s diodami, které mají malý úbytek napětí v propustném směru, vhodné jsou tedy Schottky diody třeba má oblíbená BAT48. Poslední zapojení naopak nejlépe funguje s diodami které mají malý ( skoro nulový ) parazitní zpětný proud - třeba 1N4148, i proto je poslední zapojení mé oblíbené, protože mám doma tisíce komunistických ekvivalentů této diody ze zrušené Tesly Rožnov - známé pod jménem KA261.
Jasné ?