|
De in het vorige artikel uit deze serie beschreven 'ideale diode' mag dan de positieve ingangsspanning tot op de millivolt nauwkeurig volgen, met negatieve ingangsspanningen doet zij niets. Niet erg praktisch en vandaar dat wij in dit artikel de ideale diode uitbreiden tot een echt bruikbare gelijkrichter. |
Het principe van dubbelzijdige gelijkrichting
Inleiding
De ideale diode uit het artikel 'Op-amp cursus: ideale diode' laat de positieve helften van de aangeboden wisselspanning door en spert de negatieve delen. Dat is een niet erg economische manier van werken en vandaar dat men gelijkrichters heeft ontworpen die zowel de positieve als de negatieve helft van het ingangssignaal omzetten. Meestal noemt men dit soort gelijkrichters, welbekend uit voedingsschakelingen, 'dubbelzijdige' gelijkrichters. Eigenlijk zouden we echter moeten praten over een 'volle periode' gelijkrichter. Maar, de naam 'dubbelzijdig' is zó ingeburgerd, dat wij die ook maar blijven gebruiken. Onderstaande figuur geeft het onderscheid tussen de uitgangsspanning U2 van de ideale diode uit het vorige artikel en de uitgangsspanning U3 van de in dit artikel behandelde schakeling.
 |
| Vergelijking van de uitgangsspanning van de ideale diode en de dubbelzijdige gelijkrichter. (© 2017 Jos Verstraten) |
Het principe van de schakeling is getekend in onderstaande figuur. Een elektronische omschakelaar schakelt de uitgang ofwel rechtstreeks aan de ingangsspanning, ofwel aan de uitgang van een inverterende versterker met versterkingsfactor van exact -1. De schakeling klapt om bij de nuldoorgang van de ingangsspanning. Voor het positieve deel van het ingangssignaal staat de schakelaar in stand A. Het ingangssignaal verschijnt rechtstreeks aan de uitgang. Bij een negatief ingangssignaal klapt de schakelaar om naar stand B en wordt de uitgang van de omkeerversterker verbonden met de uitgang. Deze heeft er voor gezorgd dat het negatieve ingangssignaal is omgezet in een even groot, maar positief variërend signaal.
 |
| Het principe van de werking van de schakeling. (© 2017 Jos Verstraten) |
Het schema van deze schakeling
Het praktisch schema is getekend in onderstaande figuur. U herkent de basisopzet van een omkeerversterker: weerstand R1 tussen de ingang van de schakeling en de inverterende ingang van de op-amp, even grote weerstand tussen de uitgang en de genoemde ingang. Alleen staat er nu een extra diode tussen de op-amp uitgang en uitgang van de schakeling. Het zal duidelijk zijn dat deze diode dient als elektronisch omschakelaar, die ofwel de ingang rechtstreeks verbindt met de uitgang, ofwel de omkeerversterker tussenschakelt.
 |
| Het schema van de dubbelzijdige gelijkrichter. (© 2017 Jos Verstraten) |
Experimenteer mee met deze cursus!
U kunt de experimenten die in deze cursus worden beschreven zélf uitvoeren.
Daarvoor moet u echter eerst onze 'analoge trainer' nabouwen.
De uitgebreide beschrijving van de zelfbouw van dit apparaat treft u aan op de onderstaande link:
Hobby-lab: bouw een analoge trainer
De dubbelzijdige gelijkrichter op uw experimenteerprint
In onderstaande figuur is de noodzakelijke bedrading op uw experimenteerprint getekend. Ondertussen weet u natuurlijk hoe u de schakeling kunt testen: de ingangsspanning stapsgewijs instellen tussen bijvoorbeeld -5 V en +5 V, de resultaten op de meetpunten aflezen en het geheel in een tabel en/of grafiek samenvatten.
 |
| Het schema op uw experimenteerprint. (© 2017 Jos Verstraten) |
De werking van de schakeling wordt besproken aan de hand van de grafieken van onderstaande figuur. Stel dat u een positieve spanning aan de ingang legt. Deze spanning gaat via R1 naar de inverterende ingang van de op-amp. De positieve ingang ligt aan massa, de op-amp zal het spanningsverschil tussen beide ingangen versterken. Kortom, de uitgang wordt negatief. Deze negatieve spanning kan echter nergens naar toe. De diode wordt gesperd (anode negatief) en de uitgang zal de uitgangsspanning van de op-amp niet overnemen. Een en ander heeft tot gevolg dat de op-amp in open-lus werkt, de uitgang wordt maximaal negatief. Bovendien dringt de positieve spanning op de ingang via weerstand R2 door naar de uitgang. De uitgang wordt positief.
Als u een negatieve spanning aanlegt aan de ingang van het systeem, dan zal de inverterende ingang negatief worden. De uitgang van de op-amp wordt bijgevolg positief en de diode gaat geleiden. De terugkoppelweerstand R2 zorgt er nu voor dat de spanning op de negatieve ingang gelijk wordt aan de spanning op de positieve ingang (nul volt). De schakeling werkt nu als gewone omkeerversterker, de uitgangsspanning is absoluut even groot als de ingangsspanning, maar met tegengestelde polariteit. Kortom, ook nu gaat de uitgang positief worden.
De volle periode gelijkrichting is een feit!
 |
| De werking van de schakeling grafisch verklaard. (© 2017 Jos Verstraten) |
Deze schakeling is erg eenvoudig en toch ziet u haar niet vaak in een praktische schakeling. Dat komt door een erg vervelende eigenschap. Zoals reeds geschreven zal de diode de op-amp uitschakelen voor positieve ingangsspanningen. Er staan dan twee weerstanden R1 en R2 tussen de in- en de uitgang geschakeld. Wilt u een precisiegelijkrichter opbouwen, dan mag er over deze weerstanden geen spanning vallen. Dan zou immers de uitgangsspanning kleiner worden dan de ingangsspanning en dat is zeer zeker niet de bedoeling. De gelijkrichter wordt echter steeds belast door een volgende schakeling, die een bepaalde ingangsweerstand heeft. Als gevolg van deze belasting gaat er een stroom I door de twee weerstanden vloeien, met als gevolg dat een deel van de ingangsspanning als spanningsval over R1 en R2 blijft staan. Dat kunt u simuleren door een weerstandje R4 aan te sluiten tussen uitgang en massa, zoals getekend in het schema. U zult dan zien dat de uitgang varieert bij een positief ingangssignaal. Dan, immers, kan de uitgeschakelde op-amp met zijn zeer lage uitgangsweerstand de belasting niet opvangen. Om deze reden zult u de dubbelzijdige gelijkrichter steeds volgens een iets ingewikkelder schema terug vinden. Wij komen daar op terug in het volgende artikel uit deze reeks.
|
|