Elektronica-hobby blog van Jos Verstraten (655 artikelen): Op-amp cursus 19: nauwkeurige gelijkrichter

(gepubliceerd op 01-12-2017)

Als u een wisselspanning zo goed mogelijk wilt gelijkrichten is de in dit artikel besproken schakeling ideaal. Weliswaar hebt u twee op-amp's en een aantal 1 % weerstanden nodig, maar de schakeling werkt met een ongekende nauwkeurigheid en heeft een grote bandbreedte.

Het principe van de nauwkeurige gelijkrichter

Nadelen van de vorige schakeling
De dubbelzijdige gelijkrichter uit het vorige artikel (zie 'Op-amp cursus: dubbelzijdige gelijkrichter') heeft een nadeel dat u weliswaar niet op uw experimenteerprintje kunt ontdekken, maar des te vervelender is bij praktische schakelingen. Zoals u hebt ontdekt werkt de op-amp gedurende een halve periode van het ingangssignaal in open lus. De uitgangsspanning loopt dan vast tegen de voedingsspanning. Na de nuldoorgang van de ingangsspanning gaat de op-amp onmiddellijk het ingangssignaal volgen. In dat 'onmiddellijk' zit nu net de moeilijkheid. Niets in de elektronica gaat traagheidsloos, dus ook niet het omschakelen van een op-amp uitgang van een forse -10 V naar + 0,5 V. Dat kost een bepaalde tijd, bepaald door de eigenschappen van de gebruikte op-amp. Voor lage frequenties van het ingangssignaal is dat geen probleem. Het omschakelen neemt dan een verwaarloosbaar tijdsinterval in beslag, slechts enige procenten van de totale periodeduur. Stijgt de frequentie van het ingangssignaal, dan neemt het procentuele aandeel van het omschakelen van open-lus naar gesloten-lus in de totale duur van één periode toe en valt niet meer te verwaarlozen. De gelijkrichter gaat niet meer goed werken. Vandaar dat men heeft gezocht naar een schakeling, waarbij de op-amp nooit in open lus werkt en die bovendien zonder beïnvloeding van de nauwkeurigheid kan worden belast.

Een nauwkeurig alternatief
De in dit artikel behandelde volle periode gelijkrichter maakt gebruik van twee op-amp's en is een zeer nauwkeurige wisselspanning- naar gelijkspanning-omzetter. Zo nauwkeurig, dat u deze schakeling ook kunt gebruiken in het gelijkrichterdeel van digitale universeelmeters, die de spanning aan de ingang meten met een nauwkeurigheid van enige tienden procent en dit over een breed frequentiegebied.

Het schema van de schakeling
Het schema van de schakeling is getekend in onderstaande figuur. Rond op-amp IC1 herkent u voor een deel de vorige schakeling. R1, R3 en D1 vormen de reeds behandelde schakeling, die zorgt voor het omzetten van de positieve halve perioden in negatieve uitgangssignalen. Het in open-lus werken van de op-ramp wordt vermeden door het toevoegen van een extra terugkoppelkring R4-D2. Als de ingangsspanning negatief wordt, dan zal D1 weliswaar gaan sperren maar D2 gaat geleiden, waardoor er toch een terugkoppeling ontstaat tussen uit- en ingang van de op-amp.
De tweede op-amp IC 2 is niets meer dan de reeds eerder behandelde inverterende menger (zie het artikel 'Op-amp cursus: mengversterker'. Deze telt de signalen op de punten M1 en M3 op. De weerstandsverhouding tussen R5, R6 parallel aan R7 en R9 zorgt voor een mooi gelijkgericht signaal aan de uitgang.

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 nauwkeurige gelijkrichter op uw experimenteerprinten
U kunt de schakeling aan de hand van onderstaande figuur opbouwen op twee universele experimenteerprinten.

De werking van de schakeling in beeld
In onderstaande figuur zijn de spanningen op de diverse punten van de schakeling weergegeven, als u aan de ingang een driehoekvormige spanning aanlegt. U ziet nu dat IC1 zich inderdaad keurig gedraagt. De plotselinge grote spanningssprong naar een van de voedingsspanningen treedt nu niet meer op. Dat komt door de dubbele terugkoppeling en draagt, zoals reeds geschreven, bij tot het goede hoogfrequente gedrag van de schakeling.

De signalen op de voornaamste punten van de schakeling in
beeld. (© 2017 Jos Verstraten)

De werking van de schakeling
De gedetailleerde werking van de schakeling kunt u het beste volgen aan de hand van de grafieken in onderstaande figuur.
Even wat oude kennis recapituleren:

Stroom loopt steeds van + naar -, aan de hand van de richting van de stroom door een weerstand kunt u bepalen hoe de polariteit is van de spanningsval over die weerstand.
Bij de inverterende mengversterker ligt de negatieve ingang van de op-amp virtueel aan aarde, de spanning op dat punt is nul.
De ingangsweerstand van de inverterende ingang is zeer hoog, de stroom die in of uit de op-amp vloeit is te verwaarlozen.
De weerstanden tussen de twee ingangen en de inverterende ingang en de terugkoppelweerstand verhouden zich als 1 tot 0,5 tot 1 (vandaar de parallel geschakelde weerstanden R6 en R7).

Situatie 1: een positieve spanning aan de ingang
(De stromen en spanningen zijn in bovenstaande figuur in volle lijn getekend.)
Deze spanning vindt u, door de werking van IC1, even groot maar negatief terug op punt M3. Door weerstand R5 loopt een bepaalde stroom I in de getekende richting, dus naar de op-amp toe. Door weerstand R6/R7 loopt een tweemaal zo grote stroom in tegengestelde richting. Op het knooppunt tussen alle weerstanden (de inverterende ingang) komt een stroom I aan en gaat een stroom 2 • I weg.

Er ontbreekt dus een komende stroom I en deze kan alleen via de terugkoppelweerstand R9 worden aangeleverd. Door R9 vloeit een stroom in de getekende richting, hetgeen betekent dat de uitgang van de op-amp op een positieve spanning staat. Omdat R9 en R5 even groot zijn, moeten ook de spanningsvallen over beide weerstanden gelijk zijn. Over R5 staat de ingangsspanning, dus u meet ook over R9 dezelfde spanning. De inverterende ingang staat op nul volt, u kunt besluiten dat de uitgangsspanning gelijk is aan de ingangsspanning. Een positieve spanning op de ingang wordt omgezet in precies dezelfde spanning op de uitgang.

Situatie 2: een negatieve spanning op de ingang
(De stromen en spanningen zijn in bovenstaande figuur in stippellijn getekend.)
Op punt M3 staat nu geen spanning, want diode D1 spert en de inverterende ingang van IC1 staat op nul volt. Er vloeit dus nu geen stroom door de weerstand R6/R7. Door R5 vloeit wél stroom, maar nu van het knooppunt weg. Als er een stroom I wegvloeit uit het knooppunt, dan moet er van elders een even grote stroom naar dat punt toe vloeien. Dat kan natuurlijk alleen maar via R9, die over deze weerstand een spanning opbouwt, precies gelijk aan de spanning bij een positieve ingang.

Besluit

Negatief wordt positief
Een negatieve spanning aan de ingang wordt omgezet in een even grote, maar positieve spanning. Waarmee de werking van de ideale gelijkrichter is verklaard.

Alles hangt van de weerstanden af
De nauwkeurigheid van de schakeling hangt af van de precieze weerstandsverhoudingen.
Deze luiden:
R1 = R3 = R5 = R9
en
R6/R7 = ½ • R1
Het gebruik van 1 % weerstanden is absoluut noodzakelijk!