|
Een diode heeft geen lineaire I/U-karakteristiek. De inwendige weerstand is namelijk afhankelijk van de spanning over het onderdeel. Door een diode op te nemen in de terugkoppeling van een op-amp ontstaat een ideale diode. Een schakeling die ideaal is voor het gelijkrichten van zeer kleine wisselspanningen. |
Het gelijkrichten van wisselspanningen
Inleiding
Tot nu toe hebben we ons bezig gehouden met toepassingen van de op-amp als versterker, signaalgenerator, vergelijker en detector. In een nieuwe serie artikelen laten wij u kennismaken met een belangrijk toepassingsgebied van moderne op-amp's: gelijkrichting en alles dat daarmee te maken heeft.
We gaan gelijkrichten!
Algemeen wil gelijkrichten zeggen: het omzetten van een wisselspanning in een gelijkspanning. Dat kan op verschillende manieren. Alle methoden hebben hun specifieke toepassingen, die we in de volgende experimenten zullen onderzoeken.
Wie gelijkrichten zegt, denkt aan een diode. Een diode is inderdaad een elektronisch component dat bij uitstek geschikt is voor het gelijkrichten van wisselspanningen. Een diode is een soort ventiel: als de kathode negatiever is dan de anode, dan geleidt het onderdeel. Als de spanning omkeert, dan spert de diode. De diode is dus een soort schakelaar, die open of dicht is al naar gelang de polariteit van de spanning over de schakelaar. In onderstaande figuur is de meest simpele versie van een gelijkrichter getekend. Een gelijk te richten ingangssignaal Uin wordt aangeboden aan de anode van een diode. De diode vormt met de belastingsweerstand R1 een seriekring tussen de ingang en de massa. Op het knooppunt van beide onderdelen kunt u de uitgangsspanning aftakken.
 |
| De diode als gelijkrichter, uitstekend bruikbaar voor het gelijkrichten van grote spanningen. (© 2017 Jos Verstraten) |
Als de ingangsspanning positief is, dan geleidt het onderdeel. Immers, de anode is dan positief ten opzichte van kathode en er vloeit een stroom Id door de kring. Deze stroom bouwt over de weerstand R1 een spanning op, de uitgangsspanning van de gelijkrichter. Als de ingangsspanning negatief wordt, dan spert de diode. Er vloeit geen stroom, over R1 ontstaat geen spanning, de uitgangsspanning is nul. Alleen de positieve gedeelten van de ingang verschijnen dus op de uitgang.
De onvolmaakte diode
De diode is echter alles behalve een ideale schakelaar. In het artikel 'De op-amp als niet-lineaire versterker' hebt u de stroom/spanning-karakteristiek van een diode opgemeten en geconstateerd dat deze niet lineair is. Ook voor kleine positieve spanningen is er in feite van echt geleiden geen sprake. De diode heeft een zeer hoge inwendige weerstand en deze weerstand vormt met R1 een spanningsdeler. De Ri van de diode is veel groter dan R1, zodoende verschijnt er nauwelijks iets van de kleine positieve ingangsspanning aan de uitgang. Als de ingangsspanning toeneemt, gaat de Ri van de diode dalen. Eerst bij een spanning van ongeveer 1 V kunt u spreken dat de uitgang recht evenredig is met de ingang. Bovendien valt er over een geleidende diode een spanning van ongeveer 0,7 V. Er kan dus nooit sprake zijn dat de ingangsspanning ongeschonden aan de uitgang wordt teruggevonden.
Voor gelijkrichter toepassingen in voedingen is een diode ideaal. De gelijk te richten spanningen zijn groot, de spanningsval over de diode doet het rendement van de gelijkrichter weliswaar iets dalen, maar dat nemen we voor lief.
De op-amp als ideale diode
Het gelijkrichten van kleine wisselspanningen
Anders is het als u bijvoorbeeld de uitgangsspanning van een laagfrequent voorversterker (grootte-orde 100 mV) wilt gelijkrichten voor het sturen van een dB-meter of een ruisonderdrukker. Dan kunt u met het schema van bovenstaande figuur niets beginnen. Dan maar een op-amp, duivel doet al, redder in alle nood, ingeschakeld! Het principiële schema van een ideale diode is getekend in onderstaande figuur en dat moet u als dusdanig opbouwen op uw experimenteerprint.
 |
| De op-amp, geschakeld als ideale diode. (© 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 ideale diode op uw experimenteerprint
In onderstaande figuur is het bedradingsschema van de ideale diode getekend. Als diode kunt u gelijk welke siliciumdiode gebruiken, zoals de bekende 1N4148.
 |
| Het schema van de op-amp als ideale diode op de experimenteerprint. (© 2017 Jos Verstraten) |
Aan de ingang moet u spanningen kunnen aanbieden tussen +1 V en -1 V. Als u niet werkt met de analoge trainer kunt u weer gebruik maken van twee batterijtjes van 1,5 V, overbrugd door een potentiometer van 10 kΩ. Op de loper van dit onderdeel staat de instelbare ingangsspanning ter beschikking.
 |
| Op deze goedkope manier kunt u de noodzakelijke instelbare ingangsspanning van ±1 V fabriceren. (© 2017 Jos Verstraten) |
U gaat natuurlijk meten wat u van deze ingangsspanning op de uitgang terugvindt. Als u de ingangsspanning in stappen van 0,1 V laat stijgen van -1 V tot +1 V, dan stelt u vast dat er voor negatieve ingangen geen uitgangsspanning verschijnt en voor positieve ingangsspanningen dezelfde grootte aan de uitgang wordt gemeten als op de ingang. De ideale diode is hiermee een feit! Geen uitgang voor negatieve ingangsspanningen, volledige doorkoppeling (tot op de millivolt nauwkeurig) voor positieve ingangen! De resultaten van uw metingen zou u op onderstaande manier in een grafiekje kunnen vastleggen.
 |
| Uit de metingen kunt u deze grafiek afleiden. (© 2017 Jos Verstraten) |
Herhaal nu de experimenten, maar meet de spanning op meetpunt M3, dus op de uitgang van de op-amp. Daar ziet u opeens een spanningssprong naar -10 V optreden als de ingangsspanning negatief wordt, zie de onderstaande grafieken. Hoe dat komt volgt uit de verklaring van de werking van de schakeling.
 |
| De spanningen op de diverse punten van de schakeling grafisch voorgesteld. (© 2017 Jos Verstraten) |
Een positieve ingangsspanning zorgt voor een positieve spanning op de niet-inverterende ingang van de op-amp. De uitgang wordt dus ook positief, de anode van D1 wordt positief ten opzichte van de kathode, de diode geleidt. De negatieve ingang van de op-amp is verbonden met de kathode. De op-amp zal, zoals steeds, het spanningsverschil tussen beide ingangen wegregelen. Als de positieve ingang op +2 V staat zal ook de negatieve ingang dat potentiaal opzoeken. De uitgang volgt de ingang, de op-amp werkt in feite als buffer.
Stel nu een negatieve ingangsspanning in. De positieve ingang wordt negatief, de uitgang van de op-amp volgt. De diode gaat nu echter sperren. De uitgangsspanning van de schakeling blijft nul. Maar de niet-geleidende diode verbreekt de terugkoppeling tussen uitgang en inverterende ingang. De op-amp staat dan als comparator geschakeld. De kleine negatieve spanning op de positieve ingang wordt duizenden malen versterkt en de uitgang van de op-amp loopt vast tegen de negatieve voeding.
In frequentie beperkt
Deze forse spanningssprongen op de uitgang van de op-amp hebben tot gevolg dat het frequentiebereik van deze ideale diode nogal beperkt is. Immers, een op-amp schakelt niet oneindig snel van -12 V naar +1 V, dat duurt een tijd. Als u dus een steeds hogere frequentie aan de ingang van deze schakeling aanlegt, dan zal bij een bepaalde frequentie de spanning op de uitgang van de op-amp volledig in de knoop geraken. De op-amp is dan niet meer in staat zijn uitgang in de beperkte tijd die ter beschikking staat van de hoge negatieve waarde terug te schakelen naar de kleine positieve waarde. De schakeling houdt het dan voor gezien en werkt niet meer. In de volgende artikelen zullen wij echter schakelingen aan u voorstellen, die dit nadeel niet hebben.
|
|