Download - Cap. 3.1.2. SEEMI AP. ELECTRONICE
-
8/9/2019 Cap. 3.1.2. SEEMI AP. ELECTRONICE
1/11
3.1.2. Aparate de msur electronice
Pentru a efectua masurarea unei marimi fizice, aparatele electrice consuma
energie din proces, aceasta fiind necesara miscarii organului mobil. Dacamarimea de masurat are o energie mica, comparabil cu energia necesara
aparatului de masurat, atunci procesul este puteric perturbat si masurareacomplet eronata. In vederea evitarii acestui inconvenient si pentru cresterea
preciziei masurarii, a fost necesara realizarea aparatelor electronice.
Schema bloc de principiu i elementele componente principale ale unuiaparat de msurat electronic sunt urmtoarele:
- amplificatorul A;
- aparatul indicator I;
- sursa de alimentare Sa.
Amplificatorul are impedanta de intrare mare pentru a nu perturba procesul
si a permite masurarea unor marimi electrice foarte mici.
Aparatul indicatoreste in mod obisnuit de tip magnetoelectric. Aparatul demasura electronic, consuma din proces o energie foarte mica, care apoi este
amplificata pana la valoarea necesara producerii cuplului activ al aparatului
indicator I. Restul energiei necesare este preluata de la sursa de alimentare Sa.
Amplificatoarele de masurare, dupa tipul marimii ce se masoara, sunt de
curent continuu sau de curent alternativ.
3.1.2.1. Amplificatoare electronice de curent continuuSunt utilizate la masurarea de tensiuni si curenti continui i pot fi de
tipurile urmtoare:
- amplificatoare care au cuplaj direct;
- amplificatoare cu modulare-demodulare;
- amplificatoare cu izolare galvanic.Aplificatoarele care au cuplaj directpot fi:
-amplificatoare operationale (A.O.)-amplificatoare instrumentale (A.I.)
23
-
8/9/2019 Cap. 3.1.2. SEEMI AP. ELECTRONICE
2/11
Amplificatoare operaionaleGeneraliti privind amplificatoarele operaionale
Amplificatoarele operationale (A.O.) sunt amplificatoare de curent
continuu cu amplificare mare, care permit realizarea diferitelor operatiimatematice si indeplinesc functii speciale in echipamentele electronice.
Principaele proprietati ale unui A.O. ideal sunt:- amplificare infinita si independenta de frecventa;- rezistenta de intrare infinita;- curenti de intrare egali cu zero;- rezistenta de iesire egala cu zero;- tensiune de iesire egala cu zero cand tensiunea de intrare este egala cu zero;- tensiunea de iesire urmareste instantaneu variatia tensiunii de intrare.
Desi A.O. se pot realiza cu dispozitive electronice discrete, aparitia
circuitelor integrate a facut posibil ca A.O. sa fie privit ca o componenta
electronica de circuit.
Termenul de operational se aplica la inceput amplificatoarelor incorporate
in circuite de calcul pentru a efectua operatii matematice cum ar fi: adunare,
derivare integrare, logaritmare, sinus etc. (in calculatoarele analogice).
Deoarece tensiunile de intrare si de iesire ale unui A.O. pot lua valori atat
pozitive cat si negative, A.O. necesita doua surse de alimentare: U+
si U-.
Simbolul unui A.O. folosit n schemele electronice este urmtorul:
U+
U-
Uo
UNUI
+
-
Borna inversoare se noteaza cu -, iar cea neinversoare cu +.
Notam AUd amplificarea diferentiala asu amplificarea in bucla deschisa a
A.O. si avem:
Uo = AUd.Ud = AUd
.(UN UI)
Relatia este valabila numai daca Uo este cuprinsa intre U+
si U-
conform
caracteristicii statice (nu se ating zonele de saturatie pozitiva sau negativa) .Excursia semnalului de iesire este in domeniul (U
-,U
+).
24
-
8/9/2019 Cap. 3.1.2. SEEMI AP. ELECTRONICE
3/11
AUd105
pentru circuitul integrat A 741.
U+
Uo[V]
Ud[V]
U-
Deoarece tensiunea de iesire este in faza cu tensiunea UN
si in antifaza cu
tensiunea UI, borna notata cu + se numeste borna neinversoare, iar borna notata
cu se numeste brona inversoare.
Diferenta de tensiune care trebuie aplicata intre cele doua intrari pentru a
aduce tensiuena de iesire la valoarea zero se numeste tensiune de decalaj la
intrare sau tensiune de offset.
Uoffset = UN UI a.i. Uo = 0
La A.O. reale rezistenta de intrare este finita, avand valoarea de ordinul
sutelor de k, curentii de intrare ai A.O. au valori de ordinul nanoamperilor,rezistenta de iesire are valori cuprinse intre 100 si 2k.
Aplicaii ale amplificatoarelor operationale
A.O. sunt concepute sa funcitoneze neconditionat stabil intr-o bucla de
reactie negativa. Amplificarea de valoare mare mentionata pana aici constituie
asa-numita amplificare in bucla deschisa a A.O.
Reactiile negative asigura o functionare stabila, dar micsoreaza
amplificarea. Valoarea amplificarii poate fi stabilita la o valoare dorita cuajutorul circuitelor de reactie.
Reactia negativa se realizeaza prin conectarea intre terminalul de iesire si
terminalul inversor al unui circuit, corespunzator scopului urmarit. De
asemenea, intre sursa de semnal si intrarea amplificatorului se conecteaza un alt
circuit, care face parte din circuitul de reactie.
a) Amplificatorul inversor
A.O. este inchis in bucla de reactie negativa si astfel, amplificareacircuitului nu mai depinde de amplificator, ci numai de circuitul exterior.
25
-
8/9/2019 Cap. 3.1.2. SEEMI AP. ELECTRONICE
4/11
RN = R1 // R2 RN se conecteaza pentru anularea erorii statice datorate
curentilor de polarizare ai A.O.
Deoarece curentul de intrare in A.O. este zero, rezulta:
i1 + i2 = 0
i1 = (Ui UI) / R1 i i2 = (Uo UI) / R2
Rezult c (Ui UI) / R1 + (Uo UI) / R2 = 0
Pentru A.O. stim ca Uo = AUd.(UN UI)
Deoarece A.O. ideal are amplificarea infinita, atunci
AUd = Uo/(UN - UI) daca UN = UI
si cum borna neinversoare este legata la masa, rezulta c UN = UI = 0
-
A.O.
R2i2
R1i1
Ui
+ Uo
-
A.O.
i1
i2 R2
R1
Ui RN
+ Uo
26
-
8/9/2019 Cap. 3.1.2. SEEMI AP. ELECTRONICE
5/11
Ui / R1 + Uo / R2 = 0 Uo = -(R2/R1).Ui
Notam cu AUr amplificarea circuitului cu reactie i putem scrie
. Atunci avemiuro
uAu =
AUr= R2/R1
b) Amplficatorul neinversor
-
A.O.
+
R1
R2
Uo
Ui
Uo = AUd.(UN UI)
AUd = Uo/(UN UI) daca UN = UI = Ui
Caderea de tensiune pe R1 este
UI = Ui = [R1 / (R1+R2)].Uo
Rezulta
21
1
RR
R
uu io
+= iio uR
R
R
RRuu
+=
+=
1
2
1
21 1
AUr= 1 + R2/R1
c) Repetorul de tensiune
Pornim de la amplificatorul neinversor pentru care avem AUr= 1 + R2/R1.Dac R1 atunci AUr 1.
27
-
8/9/2019 Cap. 3.1.2. SEEMI AP. ELECTRONICE
6/11
R2
Uo
-
A.O.
+
Ui
-
A.O.
+Uo
Ui
Pentru cea de-a doua schem R1, R
2= 0 A
Ur 1 deci
Uo = Ui.
d) Amplificatorul sumator
-
A.O.
+ Uo
i4R4
RN
i1 R1
i2 R2
R3
Ui1
Ui2
Ui3
i3
Amplificatorul mai este cunoscut i sub denumirea de circuit de sumare
ponderata.
Deoarece curentul de intrare in A.O. este zero:i1 + i2 + i3 + i4 = 0
Deoarece AUd UN = UI si cum borna neinversoare este legata lamasa, avem UN = UI = 0.
Ui1 / R1 + Ui2 / R2 + Ui3 / R3 + Uo / R4 = 0
Uo = -(R4/R1).Ui1 - (R4/R2)
.Ui2 - (R4/R3)
.Ui3
RN are rolul de a micsora eroarea introdusa de curenti de intrare si secalculeaza cu relatia:
28
-
8/9/2019 Cap. 3.1.2. SEEMI AP. ELECTRONICE
7/11
1/RN = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4 RN = R1//R2//R3//R4
e) Amplificatorul diferential
Chiar A.O. este un amplificator diferential care prezinta o amplificarefoarte mare in circuit deschis. Fara reactie A.O. nu se poate utiliza.
R2
-
A.O.
+
Ui1
Uo
R1
R3
Ui2R4
Deducerea expresiei tensiunii de iesire se efectueaza aplicand principiul
superpozitiei, deoarece circuitul functioneaza in regim liniar.
Uo = Uo|Ui2 = 0 + Uo|Ui1=0
-
A.O.
+
Ui1
R1
R2
R3
R4
Uo
-
A.O.
+
R1
R2
R
R4
U
Ui2
UN
Uo|Ui2=0 = -(R2/R1).Ui1 Uo|Ui1=0 = (1+R2/R1)
.UN =
=(1+R2/R1).[R4/(R3+R4)]
.Ui2
Uo = -(R2/R1).Ui1 + (1+R2/R1)
.[R4/(R3+R4)]
.Ui2
Se aleg: R1 = R3, R2 = R4
29
-
8/9/2019 Cap. 3.1.2. SEEMI AP. ELECTRONICE
8/11
Uo = -(R2/R1)
.Ui1 + (1+R2/R1).[R2/(R1+R2)]
.Ui2
Uo = (R2/R1).(Ui2 - Ui1)
3.1.2.2.Aparate electronice pentru mrimi continue
a) Voltmetre electroniceUn voltmetru electronic cu amplificator de curent continuu cu cuplaj direct
are urmtoarea schem de principiu:
K
Ue
Tensiunea de masurat Ui este aplicata amplificatorului operational (AO) in
montaj neinversor. Se obtine o rezistenta de intrare Ri. Diferite domenii de
masurare se obtin prin realizarea diferitilor factori de amplificare, cu ajutorul
divizorului de tensiune R6, R7, R8, R9, R10 si a comutatorului K.
Rezistoarele R1, R2, R3, R4, R5 au drept scop echilibrarea curentilor de
polarizare ai amplificatorului operational.
b) Ampermetre electroniceUn ampermetru electronic pentru masurarea curentilor mici se poate realiza
cu ajutorul unui amplificator operational n montaj de amplifivator neinversor,
utilizand principiul masurarii caderii de tensiune la bornele unei rezistente
cunoscute, produse de curentul de masurat. Schema de principiu se prezint n
figura de mai jos, n care notaia corect cu + i - a bornelor de intrare ale AO
este invers celei din figur.
30
-
8/9/2019 Cap. 3.1.2. SEEMI AP. ELECTRONICE
9/11
Curentul de intrare Ii produce cderea de tensiune Ui pe rezistena Rsk
Ui = Rsk Ii .
Tensiunea de ieire din amplificatorul neinversor este
Ue = (1 + R2/R1)Ui ,
iar curentul de ieire prin dispozitivul de msurare DM
Ie = Ue / (R3 || (R1 + R2) =Ue [(R1 + R2 + R3) / R3(R1 + R2)] Ue / R3
deoarece R3
-
8/9/2019 Cap. 3.1.2. SEEMI AP. ELECTRONICE
10/11
dintre factorul de amplificare al amplificatorului si frecventa semnalului electricmasurat.
Diagramele Bode sunt reprezentari grafice ale
-variatiei factorului de amplificare in functie de frecvent in circuitul deschis(fara reactie)-variatiei fazei semnalului in functie de frecventa.Diagrama Bode amplificare-frecventa pentru AO si AI arat astfel:
Se determina banda de frecventa in care poate fi utilizat amplificatorul
respectiv. Frecventa maxim permisa fB este acea frecventa la care amplificareascade cu 3 dB fata de amplificarea in curent continuu (la o frecven de 0 Hz).
Liniaritatea amplificatorului reprezinta mentinerea constanta a factorului de
amplificare in interiorul benzii de frecventa.Utilizarea mai multor etaje de amplificare in componeta ABL presupune
introducerea condensatoarelor de cuplaj intre etaje, pentru eliminarea
componentelor continue din semnalul util. Acest lucru poate conduce lamicorarea benzii de frecventa.
Voltmetre electroniceVoltmetrele electronice de curent alternativ utilizeaz, ca si cele de curent
continuu, un aparat indicator de tip magnetoelectric (polarizat). Acest lucru
impune conversia curentului alternativ (c.a.) n curent continuu (c.c.).
Convertorul c.a. c.c. furnizeaza la iesire o tensiune continua egala sau
proportionala cu valoarea efectiva, valoarea medie, sau valoarea de varf a
tensiunii alternative de intrare.Tipurile de convertoare c.a. c.c. sunt urmtoarele:
- de valoare efectiva;
- de valoare medie;
- de valoare de varf.
Schema bloc generala a unui voltmetru de curent alternativ este urmatoarea:
32
-
8/9/2019 Cap. 3.1.2. SEEMI AP. ELECTRONICE
11/11
33