Øvelser med operationsforstærkeren på fumlebrættet

[gryn]

Hvad er en operationsforstærker og hvad bruger man den til?
En operationsforstærker er en komponent, der forstærker en spændingsforskel. I kredsløbsdiagrammer tegnes operationsforstærkeren som en trekant som vist herunder:

Der er to inputs (+ og -) samt et output. Desuden har operationsforstærkeren to ben, Vs+ og Vs-, der forbindes til henholdsvis den positive og den negative strømskinne (s+ og s-).

Den har typisk form som en IC med 8 ben. Man kan også få en IC med to eller fire operationsforstærkere. 

Ovenfor ses et typisk layout for en operationsforstærker. I denne artikel vil vi tage udgangspunkt i en OP27, hvis datablad kan findes her:

http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/OP27.pdf

Har du en anden operationsforstærker kan den fint bruges, men undersøg i så fald om layoutet er det samme som ovenfor.

Denne artikel består af fire øvelser, som du selv kan lave derhjemme på dit fumlebræt.

• Komparatoren
• Operationsforstærkeren som buffer
• Den ikke-inverterende forstærker
• Den inverterende forstærker

Til sidst gives et forslag til et simpelt, men meget anvendeligt kredsløb, som er baseret på artiklens indhold.

Det første vi skal er at lave vores strømskinner på fumlebrættet. Til dette benyttes to almindelige 9V-batterier. På figuren herunder er vist hvordan dette kan gøres på fumlebrættet. Bemærk, at de yderste vandrette spor på fumlebrættet, er jord (0 V) og de inderste vandrette spor er den positive (S+) og den negative (S-) strømskinne.

Vi vil benytte denne opsætning i samtlige af de kommende øvelser.

Bemærk:
Har du ikke to 9V-batterier og to battericlips kan du godt udføre øvelse 1a, 2 og 3, hvor den negative strømskinne i stedet tilsluttes jord.


Øvelse 1: Komparatoren

Til denne øvelse skal bruges følgende komponenter:
To resistorere (F.eks. to med 10 kiloOhm og én med 10 Ohm), en operationsforstærker, to 9V batterier samt battericlips og et fumlebræt, jumperwires.

         

Om kredsløbet
I dette eksempel benyttes operationsforstærkeren til at forstærke spændingsforskellen mellem punkt A og B markeret i kredsløbsdiagrammet. Denne spændingsforskel er ca. 9 mV. I databladet for operationsforstærkeren kan man finde hvor stor forstærkningen (gain) er. For denne type er forstærkningen 1,8 mio. Ganger vi 9 mV med 1,8 mio får vi

9 mV • 1.800.000 = 16.200 V

Da operationsforstærkerens output-spænding ikke kan overstige den positive strømskinnes spænding, vil output-spændingen i stedet blive knap 9V. (De fleste operationsforstærkere kan ikke opnå output-spændinger helt op til strømskinnens spænding.)

Øvelser

• Mål spændingsforskellen mellem batteriets jord (B) og output-benet (C).
• Prøv at bytte om på A og B i diagrammet, således at A nu forbindes til – og B nu forbindes til +. Mål igen spændingsforskellen mellem jord og output-benet (C).  Nu forstærkes i stedet en spændingsforskel på -9 mV og output-spændingen vil derfor lægge sig tæt ved den negative strømskinnes spænding (her -9 V).

Konklusion
Forstærkningen er så høj, at outputtet i praksis altid vil ramme den maksimale eller minimale spænding, som er sat af den positive henholdsvis den negative strømskinne. Operationsforstærkeren virker altså som komparator.

I øvelse 3 og 4 vil vi se hvordan vi med operationsforstærkeren kan opnå en kontrolleret forstærkning.


Øvelse 2: Operationsforstærkeren som buffer
Til denne øvelse skal bruges følgende komponenter:
To resistorer (f.eks. 1k), to LED’er, en afbryder, en operationsforstærker, to 9V batterier samt battericlips og et fumlebræt, jumperwires.

Om kredsløbet

Forbindes operationsforstærkerens output direkte (uden modstande) til (-)-inputtet har vi en såkaldt buffer. Alle konfigurationer, hvor outputtet forbindes til (-)-inputtet siges at have ”negativ feedback” eller ”negativ tilbagekobling”.  Er der negativ feedback er der to regler, som man skal bruge for at analysere kredsen.

• Der løber ingen strøm gennem operationsforstærkerens input-ben. (Gælder også selvom der ikke er negativ tilbagekobling).
• Hvis muligt, vil operationsforstærkeren forsøge at holde de to inputs ved samme spænding.

Lad os så prøve at anlusere ovenstående kredsløb. Lad os sige, at der ved punkt A er en spænding på 5 V. Så vil operationsforstærkeren sørge for at der ved (-)-inputtet også er 5 V og dermed bliver spændingen ved outputtet (punkt B) også 5 V. Altså 5 V ind og 5 V ud.

Hvad er så pointen?
Pointen med kredsløbet kan illustreres ved at sammenligne de to nedestående kredsløb:

 

Til venstre ses et simpelt kredsløb, som består af en LED, der altid lyser samt en LED, der vil lyse, når kontakten aktiveres.

Øvelse: Opbyg kredsløbet ovenfor til venstre og se hvad der sker, når kontakten aktiveres. Bemærk, at den første LED vil lyse lidt kraftigere, når kontakten aktiveres. Det skyldes, at der åbnes en ny vej for strømmet til jord. Dvs. at erstatningsresistansen for kredsløbet falder og dermed øges strømstyrken gennem den første LED.

Den altid tændte LED kunne være et mere kompliceret kredsløb, hvor igennem vi ikke ønsker at ændre strømstyrken, når kontakten aktiveres. Her kan bufferen benyttes, som vist i kredsløbet til højre. Kredsløbene er identiske med undtagelse af bufferen.

Øvelse: Opbyg kredsløbet ovenfor til højre og se hvad der sker, når kontakten aktiveres.

Vi udnytter nu regel nummer 1 om at ingen strøm løber gennem operationsforstærkerens inputs. Det betyder at strømstyrken gennem den første LED ikke ændres, når kontakten aktiveres.
 

Øvelse 3: Den ikke-inverterende forstærker
Til denne øvelse skal bruges følgende komponenter:
Fire resistorer (f.eks. 10k, 1k, 220 og 10), en LED, et potentiometer, en operationsforstærker, to 9V batterier samt battericlips og et fumlebræt, jumperwires.

Om kredsløbet
Når en operationsforstærker har negativ feedback som vist ovenfor kan den bruges som en spændingsforstærker.

Inputspændingen (punkt A) vil blive forstærket, så outputspændingen (punkt B) vil være højere:

Outputspænding (B) =  (Rf/R1+1) • (Inputspænding (A))

Dvs., at hvis feedbackresistoren (Rf) er 10 gangen højere end R1, så vil spændingen i punkt B være 11 gange højere end spændingen i punkt A.

Udledning af udtrykket for forstærkningen
Vi bruger igen de to regler fra før til at analysere kredsløbet. Lad os for nemheds skyld sige, at inputspændingen i punkt A er 1 V. Så vil spændingen i punkt C ligeledes være 1 V.  Med en spændingsforskel på 1 V over resistoren R1, fortæller Ohms lov os, at der løber en strøm gennem R1 på I = 1V/R1. Samme strøm er nødt til at løbe gennem Rf, for ifølge regel 1 løber ingen strøm gennem inputtet på operationsforstærkeren. Vi kan så bruge Ohms lov til at beregne spændingsforskellen over Rf: 

U(B)-U(C) = Rf • I = Rf • 1V / R1

Således bliver spændingen i punkt B altså :

U(B)= Rf • 1V / R1+ 1V = (Rf/R1+1) • (1V)

Praktisk eksempel

Ovenfor ses et kredsløbsdiagram, hvor en spænding på 9 mV forstærkes med en operationsforstærker. Det forstærkede signal bruges til at få en LED til at lyse. Feedbackresistoren er byttet ud med et potentiometer således at forstærkningen er justérbar. LEDens lysstyrke kan således kontrolleres. Nedenfor er vist hvordan denne kreds kan opbygges på et fumlebræt.

Bemærk at 10k-resistoren og 10-resistoren blot tjener som spændingsdeler, så vi kan få en lille inputspænding.


Øvelse 4: Den inverterende forstærker
Til denne øvelse skal bruges følgende komponenter:
Fire resistorer (f.eks. 10k, 1k, 220 og 10), en LED, et potentiometer, en operationsforstærker, to 9V batterier samt battericlips og et fumlebræt, jumperwires.

Om kredsløbet
Den inverterende forstærker laves ved igen at forbinde operationsforstærkerens output til (-)-inputtet via en feedbackresistor. Til forskel fra den ikke-inverterende forstærker forbindes (+)-inputtet direkte til jord, og inputspændingen forbindes til operationsforstærkerens (-)-input gennem en resistor (R1)

Forstærkningen i dette kredsløb er givet ved

Outputspænding (B) =  - Rf/R1 • (Inputspænding)

Vi ser, at otputspændingen bliver negativ, hvis inputspændingen er positiv. Formlen ovenfor kan udledes ved brug af de to regler nævnt i øvelse 2. Dette efterlades som en øvelse til læseren.

Operationsforstærkerens (-)-input vil ifølge regel 2 have samme spænding som (+)-inputtet, og siden dette er forbundet til jord bliver dette 0 V.  Punkt A i kredløbet ovenfor kaldes derfor ofte ”virtuel jord”.

 
Praktisk eksempel

Kredsløbet ovenfor vil forstærke en spænding på 9 mV med en inverterende forstærker. Det forstærkede signal bruges til at få en LED til at lyse. Det er vigtigt at bemærke, at LEDen vender omvendt af hvad den gjorde i øvelse 3. Dette skyldes, at outputspændingen er negativ.

Kredsløbet er vist på fumlebrættet herunder. Bemærk at det kun kræver nogle få ændringer at lave om på kredsløbet fra øvelse 3, så vi har nedenstående.

Videre med operationsforstærkeren
Igennem de fire øvelser i denne artikel har vi set fire forskellige anvendelser af operationsforstærkeren, men der er mange flere.

Den kvikke læser har måske bemærket, at kredsløbet i øvelse 3 minder lidt om en spændingsregulator. I hvert fald hvis vi kan regne med at den positive strømskinne har en konstant spænding.

Nedenfor ses et lidt bedre bud på en justérbar spændingsregulator.

Bemærk følgende

• I stedet for at bruge to modstande til at lave en spændingsdeler (som vi gjorde i øvelse 3 og 4), bruger vi her en zenerdiode, som vil give en konstant spænding (Uz) ved operationsforstærkerens (+)-input.
• Transistoren sikrer, at strømmen til outputtet ikke ledes gennem operationsforstærkeren (Hvilket var tilfældet i øvelse 3 og 4). Således kan denne spændingsregulator trække en større strøm (afhængig af hvilken transistor man bruger).

Med denne kreds kan du bygge din første justérbare strømforsyning. Se f.eks. http://elektronik-forum.dk/index.php?topic=540&asproject(af gerd).

God fornøjelse.[/list]