Spænding / Strømomformer OpAmp Circuits

Skye: Have Fun. Get Dirty. (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Spænding / Strømomformer OpAmp Circuits

Analoge integrerede kredsløb


Spørgsmål 1

Lad ikke bare sidde der! Byg noget !!

At lære at matematisk analysere kredsløb kræver meget undersøgelse og praksis. Normalt praktiserer eleverne ved at arbejde igennem masser af prøveproblemer og kontrollere deres svar mod dem fra lærebogen eller instruktøren. Mens dette er godt, er der en meget bedre måde.

Du vil lære meget mere ved faktisk at opbygge og analysere rigtige kredsløb, så din testudstyr giver svarene "i stedet for en bog eller en anden person. Følg disse trin for succesfulde øvelser i kredsløbsopbygning:

  1. Mål og registrer omhyggeligt alle komponentværdier forud for kredsløbsopbygningen.
  2. Tegn skematisk diagram for kredsløbet, der skal analyseres.
  3. Opbyg forsigtigt dette kredsløb på et brødbræt eller andet passende medium.
  4. Kontroller nøjagtigheden af ​​kredsløbets konstruktion, efter hver ledning til hvert forbindelsessted, og kontroller disse elementer en for en på diagrammet.
  5. Matematisk analysere kredsløbet, løse for alle spændings- og strømværdier.
  6. Mål forsigtigt alle spændinger og strømme for at kontrollere nøjagtigheden af ​​din analyse.
  7. Hvis der er væsentlige fejl (mere end et par procent), skal du kontrollere dit kredsløbs konstruktion grundigt på diagrammet, og genkalder derefter værdierne og genmåles omhyggeligt.

Undgå at bruge model 741 op-amp, medmindre du vil udfordre dine kredsløbsdesign færdigheder. Der er mere alsidige op-amp modeller almindeligt tilgængelige for begynderen. Jeg anbefaler LM324 til DC og lavfrekvente AC-kredsløb, og TL082 til AC-projekter, der involverer lyd eller højere frekvenser.

Som sædvanlig, undgå meget høje og meget lave modstand værdier, for at undgå målefejl forårsaget af meter "loading". Jeg anbefaler modstandsværdier mellem 1 kΩ og 100 kΩ.

En måde du kan spare tid på og reducere muligheden for fejl er at begynde med et meget simpelt kredsløb og trinvis tilføje komponenter for at øge dens kompleksitet efter hver analyse, i stedet for at opbygge et helt nyt kredsløb for hvert øvelsesproblem. En anden tidsbesparende teknik er at genbruge de samme komponenter i en række forskellige kredsløbskonfigurationer. På den måde må du ikke måle en komponents værdi mere end én gang.

Reveal svar Skjul svar

Lad elektronerne selv give dig svarene på dine egne "praksisproblemer"!

Bemærkninger:

Det har været min erfaring, at eleverne kræver meget praksis med kredsløbsanalyse at blive dygtige. Til dette formål giver instruktører normalt deres elever mange øvelsesproblemer til at arbejde igennem og giver svar til, at eleverne tjekker deres arbejde imod. Mens denne tilgang gør eleverne dygtige i kredsløbsteori, undlader det at uddanne dem fuldt ud.

Studerende behøver ikke bare matematisk praksis. De har også brug for rigtige, praktisk praktiske bygningskredsløb og brug af testudstyr. Så jeg foreslår følgende alternative tilgang: eleverne skal bygge deres egne "praksisproblemer" med virkelige komponenter og forsøge at matematisk forudsige forskellige spændings- og aktuelle værdier. På den måde kommer den matematiske teori "levende", og de studerende får praktisk færdighed, de ikke ville vinde ved blot at løse ligninger.

En anden grund til at følge denne fremgangsmåde er at lære eleverne videnskabelig metode : processen med at teste en hypotese (i dette tilfælde matematiske forudsigelser) ved at udføre et rigtigt eksperiment. Studerende vil også udvikle rigtige fejlfindingskompetencer, da de lejlighedsvis laver kredsløbsbyggeri fejl.

Tilbring et par øjeblikke med din klasse for at gennemgå nogle af de "regler" for bygningskredsløb, før de begynder. Diskuter disse spørgsmål med dine elever på samme socratiske måde, som du normalt vil diskutere arbejdsarkets spørgsmål, snarere end blot at fortælle dem, hvad de burde og ikke burde gøre. Jeg ophører aldrig med at blive overrasket over, hvor dårlige eleverne får fat i instruktioner, når de præsenteres i et typisk foredrag (instruktørmonolog) format!

En note til de instruktører, der kan klage over den "spildte" tid, der kræves for at få eleverne til at opbygge virkelige kredsløb i stedet for bare at matematisk analysere teoretiske kredsløb:

Hvad er formålet med eleverne, der tager dit kursus? Panelarkontrolpanelets standardpanel?

Spørgsmål 2

Beregn strømmen gennem modstanden R2 i dette opamp-kredsløb for flere forskellige værdier af R2:


R2Jeg R2


1 kΩ


2 kΩ


3 kΩ


4 kΩ


5 kΩ


6 kΩ


For hver værdi af R2, hvad er det, der etablerer mængden af ​​strøm gennem det "# 2"> Reveal svar Skjul svar


R2Jeg R2


1 kΩ3 mA


2 kΩ3 mA


3 kΩ3 mA


4 kΩ3 mA


5 kΩ3 mA


6 kΩ3 mA


Dette kredsløb virker som et nuværende spejl, undtagen meget mere præcist.

Opfølgningsspørgsmål: hvilken faktor (er) begrænser den største modstandsværdi af R2, at operationsforstærkeren kan opretholde 3 milliamps af strøm igennem?

Bemærkninger:

Ud over at gennemgå formålet med et aktuelt spejlkreds trækker dette spørgsmål elevernes opmærksomhed på en operationsforstærkers nuværende reguleringsfunktioner ved at få dem til at analysere det som om det blot var et ikke-inverterende spændingsforstærkerkredsløb.

Spørgsmål 3

Forklar, hvordan driftsforstærkeren opretholder en konstant strøm gennem belastningen:

Skriv en ligningsopløsning for den regulerede belastningsstrøm, givet eventuelle relevante variabler vist i skematisk diagram (R 1, V Z, V forsyning, A V (OL) osv.).

Reveal svar Skjul svar

Jeg indlæser = V Z


R2

Opfølgningsspørgsmål: Er transistoren sourcing nuværende til belastningen eller synkende strøm fra den "noter skjult"> Noter:

Dette er et godt eksempel på, hvordan driftsforstærkere i høj grad kan forbedre funktionerne i diskrete komponentkredsløb. I dette tilfælde udfører opamp funktionen af ​​et nuværende spejl kredsløb, og gør det med større præcision og pålidelighed end et simpelt nuværende spejl nogensinde kunne.

Det skal bemærkes, at ligningen, der er angivet i svaret, ikke direkte forudsiger strømmen gennem belastningen, men det forudser strøm gennem modstand R2. Dette svarer kun til belastningsstrømmen, hvis transistorens basestrøm er nul, hvilket selvfølgelig ikke kan være. Den virkelige ligning for at forudsige belastningsstrømmen vil være lidt mere kompleks end hvad der er angivet i svaret, og jeg giver det til jeres elever at udlede.

Spørgsmål 4

Forklar, hvordan driftsforstærkeren opretholder en konstant strøm gennem belastningen:

Skriv en ligningsopløsning for den regulerede belastningsstrøm, givet eventuelle relevante variabler vist i skematisk diagram (R 1, V Z, V forsyning, A V (OL) osv.). Beskriv også, hvad der skal ændres i dette kredsløb for at indstille den regulerede strøm til en anden værdi.

Reveal svar Skjul svar

Jeg indlæser = V Z


R1

Opfølgningsspørgsmål: Er transistoren sourcing nuværende til belastningen eller synkende strøm fra den "noter skjult"> Noter:

Dette er et godt eksempel på, hvordan driftsforstærkere i høj grad kan forbedre funktionerne i diskrete komponentkredsløb. I dette tilfælde udfører opamp funktionen af ​​et nuværende spejl kredsløb, og gør det med større præcision og pålidelighed end et simpelt nuværende spejl nogensinde kunne.

Det skal bemærkes, at ligningen, der er angivet i svaret, ikke direkte forudsiger strømmen gennem belastningen, men det forudser strøm gennem modstand R2. Dette svarer kun til belastningsstrømmen, hvis transistorens basestrøm er nul, hvilket selvfølgelig ikke kan være. Den virkelige ligning for at forudsige belastningsstrømmen vil være lidt mere kompleks end hvad der er angivet i svaret, og jeg giver det til jeres elever at udlede.

Spørgsmål 5

Ved første øjekast synes tilbagemeldingen at være forkert i dette strømregulerende kredsløb. Bemærk, hvordan feedbacksignalet går til operationsforstærkerens ikke-inverterende (+) indgang, snarere end den inverterende indgang, som man normalt ville forvente for negativ feedback:

Forklar, hvordan denne op-amp virkelig giver negativ feedback, hvilket selvfølgelig er nødvendigt for stabil strømregulering, da positiv feedback ville være fuldstændig ustabil.

Reveal svar Skjul svar

Hvis strømstigningen forøges, vil tilbagekoblingsspændingen (målt i forhold til jorden) falde, idet du kører op-amp'ens udgang i negativ retning. Dette har tendens til at slukke for transistoren, korrekt korrigering for den for store nuværende tilstand.

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at få eleverne til at indse, at negativ feedback ikke nødvendigvis skal gå ind i det inverterende input. Hvad gør feedbacken "negativ" er dens selvkorrigerende karakter: OP-amp-udgangen drev i retning modsat en forstyrrelse i det målte signal for at opnå stabilitet ved et kontrolpunkt.

Spørgsmål 6

Foregive, hvordan driften af ​​dette nuværende regulator kredsløb vil blive påvirket som følge af de følgende fejl. Overvej hver fejl uafhængigt (dvs. en ad gangen, ingen flere fejl):

Modstand R 1 fejler åben:
Zener diode D 1 mangler kortsluttet:
Modstand R 2 fejler åben:
Zener diode D 1 fejler åben:
Belastning afkortes:
Wire mellem opamp output og transistor base bryder åbent:

For hver af disse betingelser, forklar hvorfor de resulterende virkninger vil forekomme.

Reveal svar Skjul svar

Modstand R 1 fejler åben: Indlæs nuværende fald til nul.
Zener diode D 1 mangler kortsluttet: Indlæs nuværende fald til nul.
Modstand R 2 fejler åben: Indlæs nuværende fald til nul.
Zener diode D 1 fejler åben: Indlæs aktuelle stigninger.
Load fail shorted: Load Current forbliver den samme.
Wire mellem opamp output og transistor base bryder åbent: Indlæs nuværende fald til nul.

Opfølgningsspørgsmål: hvilken af ​​de to opamp-effektterminaler (V- forsyning eller jord) har mere strøm under normal drift, og hvorfor "noter skjult"> Noter:

Formålet med dette spørgsmål er at nærme sig domænet for kredsløbsfejlfinding ud fra et perspektiv om at vide, hvad fejlen er, snarere end kun at vide, hvad symptomerne er. Selvom dette ikke nødvendigvis er et realistisk perspektiv, hjælper det eleverne med at opbygge den grundlæggende viden, der er nødvendig for at diagnosticere et fejlet kredsløb fra empiriske data. Spørgsmål som dette skal følges (til sidst) af andre spørgsmål, der beder eleverne om at identificere sandsynlige fejl baseret på målinger.

Spørgsmål 7

Foregive, hvordan driften af ​​dette nuværende regulator kredsløb vil blive påvirket som følge af de følgende fejl. Overvej hver fejl uafhængigt (dvs. en ad gangen, ingen flere fejl):

Modstand R 1 fejler åben:
Modstand R 2 fejler åben:
Loddebro (kort) over modstand R 2 :
Zener diode D 1 mangler kortsluttet:
Zener diode D 1 fejler åben:
Belastning afkortes:
Wire mellem opamp output og transistor base bryder åbent:

For hver af disse betingelser, forklar hvorfor de resulterende virkninger vil forekomme.

Reveal svar Skjul svar

Modstand R 1 fejler åben: Indlæs nuværende fald til nul.
Modstand R 2 fejler åben: Indlæs nuværende fald til nul.
Loddebro (kort) over modstand R 2 : Belast strømstigninger.
Zener diode D 1 mangler kortsluttet: Indlæs nuværende fald til nul.
Zener diode D 1 fejler åben: Indlæs aktuelle stigninger.
Load fail shorted: Load Current forbliver den samme.
Wire mellem opamp output og transistor base bryder åbent: Indlæs nuværende fald til nul.

Opfølgningsspørgsmål: hvilken af ​​de to opamp-effektterminaler (V- forsyning eller jord) har mere strøm under normal drift, og hvorfor "noter skjult"> Noter:

Formålet med dette spørgsmål er at nærme sig domænet for kredsløbsfejlfinding ud fra et perspektiv om at vide, hvad fejlen er, snarere end kun at vide, hvad symptomerne er. Selvom dette ikke nødvendigvis er et realistisk perspektiv, hjælper det eleverne med at opbygge den grundlæggende viden, der er nødvendig for at diagnosticere et fejlet kredsløb fra empiriske data. Spørgsmål som dette skal følges (til sidst) af andre spørgsmål, der beder eleverne om at identificere sandsynlige fejl baseret på målinger.

Spørgsmål 8

Den enkleste elektroniske enhed, der er i stand til at konvertere et aktuelt signal til et spændingssignal, er en modstand:

Præcisions modstande fungerer typisk meget godt til dette formål, især når mængden af ​​spænding faldt over den har ringe konsekvens. Derfor bruges shunt modstande ofte i strømkredsløb til at måle strøm, et modstandselement med lav modstandsevne "shunt", der taber spænding i nøjagtigt forhold til strømmen, der går igennem den.

Men hvis vi ikke har råd til at tabe nogen spænding på tværs af en modstand i kredsløbet, vil denne teknik af strøm til spænding ikke være meget praktisk. Overvej følgende videnskabelige apparater, der bruges til at måle den fotoelektriske virkning (elektroner udgivet fra en fast overflade på grund af lyset der rammer det):

Den aktuelle udgang ved en sådan fototube er meget lille, og spændingsudgangen ved den er endnu mindre. Hvis vi skal måle strøm gennem denne enhed, bliver vi nødt til at finde anden vej end en shunt modstand for at gøre det.

Indtast driftsforstærkeren, til redning! Forklar, hvordan følgende opamp-kredsløb er i stand til at konvertere fotobåndets svage strømsignal til et stærkt spændingssignal uden at påføre nogen betydelig modstand i fotobåndets kredsløb:

Reveal svar Skjul svar

Udformningen af ​​dette kredsløb er kompliceret af eksistensen af ​​biasstrømme ved opamp-indgangene. Det kan være nyttigt at analysere en forenklet version af det samme kredsløb. Vær opmærksom på, at dette forenklede kredsløb kun ville fungere, hvis opampen slet ikke havde nogen indgående biasstrømme:

Bemærkninger:

Bemærk til dine elever, at dette er et af disse applikationer, hvor selv "små" input-biasstrømme kan påvirke resultaterne. I dette særlige tilfælde udsender fototubeen miniscule strøm i bedste fald, og så skal vi kompensere for eksistensen af ​​opamp bias-strømme.

Spørgsmål 9

Vist her er et simpelt kredsløb til konstruktion af et ekstremt højt input impedans voltmeter på et trådløst brødbræt med en halv af en TL082 dual op-amp:

Tegn et skematisk diagram af dette kredsløb, og bereg den modstandsværdi, der er nødvendig for at give måleren et spændingsmåleområde på 0 til 5 volt.

Reveal svar Skjul svar

R = 5 kΩ

Opfølgningsspørgsmål: Bestem den omtrentlige indgangsimpedans for dette voltmeter, og også den maksimale spænding, den kan måle med enhver størrelsesmodstand i kredsløbet.

Bemærkninger:

Dette er et meget praktisk kredsløb for dine elever at bygge, og de finder det bedre end deres egne (købte) voltmetre i parameteren for indgangsimpedans! Sørg for at spørge dem, hvor de fandt oplysningerne om indgangsimpedans for TL082 op-amp, og hvordan de kunne bestemme den maksimale indgangsspænding for et kredsløb som dette.

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →