|
Een trapspanning zult u waarschijnlijk niet vaak nodig hebben. Maar het is handig om te weten dat u, in zo'n zeldzaam geval, een beroep kunt doen op een op-amp om zo'n spanning te genereren. |
Kennismaking met de trapspanning
Een trapspanning
Een trapspanning ziet er uit zoals getekend in de onderstaande figuur. Zo'n spanning wordt gekarakteriseerd door het gegeven dat de grootte op geregelde tijden een bepaalde, vaste waarde stijgt of daalt. In het eerste geval spreken we van een positieve trapspanning, in het tweede van een negatieve.
Tot het tijdstip t0 is de getekende spanning 0 V. Op dat moment wordt de spanning opeens 1 V groter. Dat blijft zo tot t1. Op dat moment wordt de spanning opnieuw 1 V groter en wordt dus 2 V. De uitgang blijft stabiel tot tijdstip t2, waarop de spanning wordt verhoogd tot 3 V. Natuurlijk kan dat niet eeuwig blijven doorgaan, vandaar dat na tn de spanning in elkaar stort tot 0 V en een nieuwe cyclus kan beginnen.
 |
| Portret van een positieve trapspanning. (© 2019 Jos Verstraten) |
Dergelijke trapvormige spanningen worden bijvoorbeeld gebruikt bij het versturen van diverse signalen over één kabel en bij het ontwerpen van halfgeleider curvetracers. Met een trapspanningsgenerator kunt u dan de basisstroom die u naar een transistor stuurt stapsgewijs verhogen. Als u bij iedere stap het verband tussen de emitter/collector-spanning en de collectorstroom op het scherm van uw scoop schrijft, krijgt u een set karakteristieken die als het ware het paspoort van de halfgeleider vormt.
De hobbyist komt dit soort signalen tegen in bijvoorbeeld muzikale deurbellen, waarbij de trapspanning een frequentiegenerator stuurt en iedere trap overeen komt met één muziektoontje.
Het schema van de trapspanningsgenerator
Het schema waarmee u een trapspanning kunt genereren is getekend in de onderstaande figuur. U herkent de basiseigenschap van een integrator, zie 'Op-amp cursus: integrator'.
Een condensator C2 is geschakeld tussen de inverterende ingang en de uitgang van de op-amp. Op de ingang sluit u een blokgolf aan met een grootte van ongeveer 0,5 V.
 |
| Het schema van de experimentele trapspanningsgenerator. (© 2019 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 trapspanningsgenerator op uw experimenteerprint
Het schemaatje kan volgens de onderstaande figuur op uw experimenteerprint worden opgebouwd.
 |
| De schakeling op uw experimenteerprint. (© 2019 Jos Verstraten) |
Na het inschakelen van de voedingsspanning zal de uitgang van de op-amp op nul volt staan. Bij iedere negatieve sprong van de ingangsspanning ziet u op de meter dat de uitgang ongeveer 1 V positiever wordt en op deze waarde blijft tot de volgende negatieve sprong aan de ingang. De grootte van de trappen aan de uitgang kunt u instellen door het variëren van de grootte van de blok aan de ingang. Hoe kleiner deze spanning, hoe dichter de diverse trappen van de uitgang bij elkaar liggen.
Werking van de schakeling
De grafieken van de onderstaande figuur verduidelijken een en ander. De vierkantgolf van de functiegenerator wordt gedifferentieerd door de condensator C1. Dat wil zeggen dat dit onderdeel alleen de plotselinge spanningsvariaties van +0,5 V naar -0,5 V (en omgekeerd) doorlaat. Een condensator heeft immers een bepaalde wisselspanningsweerstand. Hoe hoger de frequentie van een signaal, hoe minder weerstand een condensator biedt tegen de doorgang van dit signaal. De spanningsvariaties komen overeen met een signaal met een zeer hoge frequentie en de condensator zal deze delen uit het signaal ongehinderd doorlaten. Anders zit dat met de vlakke gedeelten van de vierkantgolf. Deze vertegenwoordigen een zeer lage frequentie en de weerstand van de condensator is dan zo hoog dat dit signaal volledig wordt gesperd.
Besluit: de vierkantgolf van de functiegenerator wordt door de condensator omgezet in korte positieve en negatieve pieken, zogenaamde naaldimpulsen.
Nu komt echter diode D1 op de proppen. Dit onderdeel gaat geleiden als de anode positiever is dan de kathode. Dat is het geval bij een positieve naaldpuls. Deze wordt dan ook door de geleidende diode kortgesloten naar de massa.
Op punt B ontstaat dus de getekende spanning: smalle negatieve naaldimpulsjes bij iedere negatieve sprong van de vierkantgolf op de ingang.
 |
| De grafische verklaring van de werking van de schakeling. ( 2019 Jos Verstraten) |
Vervolgens laat diode D2 van zich horen. Ook deze diode gaat geleiden als de anode positiever wordt dan de kathode. Dat is het geval bij een negatieve naald op punt B. De negatieve ingang van de op-amp wordt dan door de geleidende diode verbonden met de spanning op punt B. Het lijkt dan net alsof u de integrator gedurende een zeer korte tijd stuurt met een negatief spanning.
Zoals u uit een vorige aflevering van deze cursus heeft geleerd, reageert de integrator daarop door het lineair opladen van de condensator. De spanning op de uitgang wordt dan positief (de integrator inverteert immers). Nu gaat dat opladen heel erg snel: tussen de negatieve ingang en de spanning op punt B staat immers geen echte weerstand. De diode heeft uiteraard een kleine inwendige weerstand, maar deze is te verwaarlozen. De stroom I, die vanaf punt B door de geleidende diode D2 en de condensator C2 naar de uitgang van de op-amp vloeit is zeer groot en vandaar dat de spanning over de condensator ook zeer snel gaat stijgen. Nadat de spanning over C2 ongeveer 1 V is gestegen valt de negatieve naaldpuls op punt B weg. De diode D2 gaat sperren, de laadstroom van C2 wordt nul. De spanning over dit onderdeel en dus ook de spanning op de uitgang van de integrator blijft constant.
Bij de volgende negatieve naaldpuls zal er weer heel even een vrij grote stroom door D2 en C2 vloeien, waardoor de spanning over dit laatste onderdeel weer opeens met eenzelfde bedrag stijgt. De volgende trap van de trapspanning is tot stand gekomen.
Het einde van een cyclus
Natuurlijk blijft dit proces zich niet eeuwig herhalen. Na een bepaald aantal stroompulsjes is de condensator opgeladen tot de positieve voedingsspanning en bij volgende negatieve pulsjes blijft de uitgang van de op-amp op +10 V staan. De schakeling loopt vast tegen de positieve voedingsspanning.
Als u nu even via de drukknop van de analoge trainer en via diode D3 een positief pulsje op de negatieve ingang van de op-amp zet, wordt de polariteit van de ingangsspanning van de integrator omgepoold, waardoor de laadstroom van C2 omkeert. De spanning daalt nu zeer snel van +10 V naar ongeveer -8 V, de uiterste negatieve limiet van de op-amp.
Na het loslaten van de drukknop zal de uitgangsspanning van de schakeling weer trapvormig oplopen tot +10 V.
Opmerking
Bij een 'echte' trapspanningsgenerator wordt dat wat u bij dit experiment met de hand doet, namelijk het beëindigen van een cyclus van de trapspanning, uiteraard elektronisch gedaan. Dat gaat vrij eenvoudig: met een comparator (zie 'Op-amp cursus: comparator') vergelijkt u de waarde van de trapspanning met een bepaalde vaste spanning. Als de trapspanning groter zou willen worden dan dit referentieniveau, wekt de comparator een uitgangsspanning op. Deze spanning stuurt een schakelingetje dat even een positief pulsje aanbiedt aan de negatieve ingang van de op-amp. De uitgang van de schakeling wordt maximaal negatief, de volgende trapspanningsperiode kan worden opgebouwd.
|
|