|
Als u de grootte van een piek in een wisselspanningssignaal wilt meten kunt u gebruik maken van een topdetector. Dergelijke schakelingen worden op grote schaal toegepast in VU-meters in geluidstudio's waar zij ervoor zorgen dat geen enkel instrument wordt opgenomen met oversturingsvervorming. |
Het principe van de topdetector
Gelijkrichters afvlakken met een condensator
De in de twee vorige artikelen beschreven gelijkrichters vormen een wisselspanning om in een pulserende gelijkspanning. Deze spanning is niet zonder meer geschikt voor verdere bewerking. Vaak zult u immers de grootte van de wisselspanning willen meten en dan moet u een zo glad mogelijk verlopende spanning hebben. Dat kunt u bereiken door over de uitgang van de gelijkrichter een condensator te plaatsen. Deze condensator laadt zich bij iedere halve periode van de ingangsspanning op tot de topwaarde en gaat tussen twee halve perioden weer langzaam ontladen. Het resultaat is een gladgestreken signaal, wel met een aanzienlijke rimpel. Deze rimpel kunt u nog kleiner maken door het uitgangssignaal van de gelijkrichter af te vlakken met een RC-netwerkje. Over de condensator ontstaat dan een gelijkspanning, waarvan de grootte overeenkomt met de gemiddelde waarde van de wisselspanning. Zoals uit onderstaande figuur blijkt reageert deze schakeling vrij snel op variaties aan de ingang. Als het wisselspanningssignaal wegvalt zal de gelijkspanning op de uitgang vrij snel naar nul gaan door het ontladen van de condensator C1 via de weerstand R1 en de zeer lage uitgangsimpedantie van de op-amp. Die snelle reactie is in dit geval ook noodzakelijk, want u wilt uiteraard geen half uur wachten op de resultaten van de wisselspanningsmeting.
 |
| Een RC-netwerk zet de gelijkgerichte wisselspanning op in een meetbare gelijkspanning. (© 2017 Jos Verstraten) |
Er zijn echter ook toepassingen te verzinnen, waarbij u de spanning op de condensator zo lang mogelijk wilt vasthouden. Denk bijvoorbeeld aan een VU-meter, die niet het gemiddelde signaal moet weergeven, maar de pieken uit het signaal. Voor zo'n geval kunt u een beroep doen op een zogenaamde topdetector, waarvan het meest eenvoudige schema in onderstaande figuur is weergegeven. De schakeling koppelt het positieve uitgangssignaal terug naar de inverterende ingang via de geleidende diode D1 en schakelt de op-amp uit voor negatieve uitgangsspanningen. Een systeem, bekend van de werking van de ideale diode.
 |
| Het basisschema van een topdetector. (© 2017 Jos Verstraten) |
Aan de hand van de grafieken van onderstaande figuur kunt u de werking van de schakeling doorgronden. Als u aan de ingang geen spanning aanbiedt, met andere woorden, als de ingang op nul volt staat, zal de uitgangsspanning van de op-amp niet exact te voorspellen zijn. Het kan zijn dat de uitgang vastloopt tegen de negatieve voeding of er kan een kleine positieve spanning te meten zijn. Een en ander is afhankelijk van de offset van de op-amp. Vandaar dat in de grafieken dat gebied gearceerd is weergegeven. Hoe dan ook, de ingang van de schakeling, af te takken van de inverterende ingang is nul. Bij vastlopen van de op-amp tegen de negatieve voedingsspanning spert de diode D1, bij een positieve uitgangsspanning zal de geleidingsspanning van de diode ervoor zorgen dat de inverterende uitgang op hetzelfde potentiaal staat als de positieve ingang: nul volt.
Aan de ingang biedt u vervolgens een pulsvormige spanning van +5 V aan. Bij het verschijnen van deze positieve ingangspuls ontstaat er in eerste instantie een groot spanningsverschil tussen beide ingangen. De uitgang reageert hierop door vast te lopen tegen de positieve voedingsspanning. De diode D1 gaat geleiden, de condensator C1 wordt opgeladen via de lage uitgangsimpedantie van de op-amp. De uitgangsspanning van de topdetector stijgt dus vrij snel tot de topwaarde van de ingangspuls. Op tijdstip t2 is de spanning op de uitgang gelijk aan de ingangsspanning. De comparator klapt om. Zolang de ingangspuls aanwezig blijft zal de uitgang van de op-amp steeds omslaan tussen de positieve en de negatieve voedingsspanning. De condensator ontlaadt immers en bovendien zorgt ieder rimpeltje op de ingangsspanning voor het ompolen van het spanningsverschil tussen beide ingangen.
 |
| De spanningen op de belangrijkste punten van de schakeling. (© 2017 Jos Verstraten) |
Met dit eenvoudige schakelingetje kunt u dus een zeer gevoelige VU-meter opbouwen.
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 topdetector op uw experimenteerprint
In onderstaande figuur is de bedrading van de topdetector op de universele experimenteerpint getekend. Op de ingang V1 moet u een pulsje van +5 V aanleggen, maar de ingang mag niet open blijven als u deze puls niet aanlegt. De eenvoudigste manier om dat te doen is een weerstandje van 10 kΩ aan te sluiten tussen het punt V1 op de print en de massa. U gebruikt een platte batterij van 4,5 V om de ingangspuls te simuleren. De negatieve pool gaat naar de massa, op de positieve pool soldeert u een draadje. Als u de schakeling wilt activeren raakt u even met dit draadje de ingang V1 aan. Om de reactie van de schakeling op deze puls te observeren kunt u het beste een analoge voltmeter op de uitgang M3 aansluiten.
 |
| De topdetector op uw experimenteerprint. (© 2017 Jos Verstraten) |
Toepassingen van de topdetector
Een LED VU-meter
Bij muziekelektronica is het van belang te weten hoe groot de pieken in het geluidssignaal zijn. Aan de uitgang van de topdetector kunt u een LED-meter aansluiten, zie onderstaande figuur. Deze elektronische meters zijn, vanwege hun traagheidsloze reactie op de ingangsspanning, uiteraard ideaal voor het opbouwen van top VU-meters. Aan de ingang van de schakeling kunt u een LF-spanning aanbieden, bijvoorbeeld de uitgangsspanning van een muziekinstrument. De topdetector zal het verloop van de (positieve) ingangsspanning volgen en na een piek langzaam teruglopen. De korte piekspanning, die zonder topdetector niet eens zichtbaar zou zijn op de uitlezing, wordt nu als het ware verbreed zodat u een prettige uitlezing van het maximale uitgangssignaal van het muziekinstrument verkrijgt en u uw installatie (bijvoorbeeld een mengpaneel) kunt afregelen op onvervormde opname van de grootste piek.
 |
| De werking van een VU-meter rond de topdetector. (© 2017 Jos Verstraten) |
De besproken schakeling heeft één groot nadeel en dat is dat ze alleen reageert op positieve toppen. Vandaar dat echte piekmeters zijn uitgerust met twee topdetectoren, die zowel de positieve als de negatieve pieken omzetten in een spanning die een meter kan sturen.
Het eenvoudigste schema van zo'n uitgebreide schakeling is getekend in onderstaande figuur. De op-amp's IC2 en IC3 zijn de twee topdetectoren. Er is slechts één condensator C1 noodzakelijk, de detector die de grootste ingangsspanning te verwerken krijgt, zal de condensator opladen. IC1 is niets anders dan een inverterende x1 versterker. Deze inverteert het ingangssignaal. Een positieve top verschijnt dus even groot, maar negatief van polariteit, aan de uitgang. De ingang van IC2 gaat rechtstreeks naar de ingang van de schakeling en verwerkt de positieve toppen. De negatieve toppen worden door IC1 geïnverteerd en sturen de tweede topdetector rond IC3.
 |
| Een schakeling die zowel op positieve als op negatieve toppen reageert. (© 2017 Jos Verstraten) |
|
|