|
Mengschakelingen zult u vaak toepassen als u zélf schakelingen gaat ontwikkelen. Denk maar aan mixers voor geluidsstudio’s, eenvoudige mengertjes voor de geluidshobbyist en allerlei geluidseffectschakelingen (echo, nagalm, basisbreedteregeling) waar steeds een mengschakeling een fundamenteel onderdeel van de elektronica vormt. |
Het principe van een mengversterker
Een inverterende versterker met meerdere ingangen
De in het vorig artikel:
'Op-amp als inverterende versterker'
beschreven schakeling vormt de basis van iedere (goede) mengversterker. Men noemt deze schakeling een actieve menger omdat er een actief element, in dit geval een operationele versterker, bij betrokken is. Dit in tegenstelling tot passieve mengers, die alleen met weerstanden werken. Op de voor- en nadelen van beide schakelingen komen we in de loop van dit artikel terug.
Een tweekanaals menger
Eerst maar eens naar de eenvoudigste menger, een schakeling met slechts twee ingangen. De spanningen U1 en U2 verschijnen gemengd op de uitgang. U herkent zeer duidelijk de basisopzet van de inverterende versterker. De twee ingangsspanningen sturen ieder via een eigen weerstand de inverterende ingang van de op-amp. Om het wat spannender te maken sluiten we U2 aan via een parallel schakeling van twee weerstanden. De weerstandswaarde tussen ingang 2 en de op-amp is nu gelijk aan de helft van de weerstandswaarde tussen ingang 1 en inverterende ingang.
 |
| Het basisschema van een mengversterker. (© 2017 Jos Verstraten) |
In onderstaande figuur is de experimenteerschakeling van de tweekanaals menger getekend. We stellen U1 en U2 in op 0 V en constateren dat ook de uitgang op 0 V staat. Voer via ingang U1 een spanning toe van +2 V. Op de uitgang lezen we een spanning van -2 V af. Deze spanningsverdeling voldoet aan de werking van de inverterende versterker.
De weerstanden R1 en R4 zijn aan elkaar gelijk en als we ingang 2 even buiten beschouwing laten, dan voldoet de schakeling met alleen R1 en R4 aan het basisschema van de inverterende versterker. R1 is bovendien gelijk aan R4, dus de trap werkt als inverterende x(-1)-versterker.
Hetzelfde verhaal geldt als u U1 gelijk aan nul maakt en een spanning aanbiedt aan de tweede ingang. Maar omdat R2 en R3 parallel staan, voldoet de trap aan het schema van een x(-2)-versterker. Vandaar zult u -4 V op de uitgang meten, als u +2 V op de ingang aanlegt.
 |
| De experimenteerschakeling van een mengversterker. (© 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 schakeling op de experimenteerprint
Als u de experimenteerprint heeft nagebouwd kunt u de experimenteerschakeling volgens onderstaande figuur in elkaar solderen. Op de punten V1 en V2 moet u de twee instelbare ingangsspanningen aansluiten. De punten M1, M2 en M3 zijn weer de punten die naar de rode klem van uw universeelmeter gaan. De zwarte massa klem gaat, zoals steeds, naar de massa van de schakeling.
 |
| De mengversterker op de experimenteerprint. (© 2017 Jos Verstraten) |
Wat nu, als u op beide ingangen van nul afwijkende spanningen zet? De twee afzonderlijke inverterende versterkers werken dan samen en het gevolg is dat de uitgangsspanning gelijk wordt aan de algebraïsche som van beide deeluitgangssignalen. In de onderstaande tabel zijn enige voorbeelden gegeven. Stel U1 en U2 in op +1 V. De verschilversterker met alleen ingang 1 zou een spanning van -1 V aan de uitgang leveren. Zijn soortgenoot met alleen U2 zou, werkend als x(-2)-versterker, een uitgangsspanning van -2 V opwekken. De uitgangsspanning van de totale schakeling is gelijk aan de som, dus -3 V.
 |
| De spanningen op de twee ingangen en de uitgang. (© 2017 Jos Verstraten) |
Een en ander is ook meer theoretisch te verklaren. De wet van Kirchhoff stelt dat stroom I3 gelijk is aan de som van I1 en I2. Met dit gegeven als uitgangspunt en de wet van Ohm als hulp, komt u er vrij snel achter dat voor de uitgangsspanning geldt:
Uuit = -(U1 + 2 * U2)
Besluit
Aan de uitgang van de menger verschijnt een spanning, die gelijk is aan het inverse van de som van de ingangsspanningen, ieder vermenigvuldigd met de eigen specifieke versterkingsfactor. Deze factor is afhankelijk van de verhouding R4 tot de weerstand tussen de negatieve ingang van de op-amp en de ingang, waarover u het hebt.
Actieve contra passieve menger
Voordelen van de actieve menger
Wat is het grote voordeel van deze mengversterker boven de reeds in de inleiding genoemde resistieve menger? Onderstaande figuur vergelijkt de basisschema’s. Links de resistieve passieve menger, rechts de actieve menger met een operationele versterker.
In het eerste geval ontstaat het mengeffect door de spanningsvallen, die de diverse ingangsstromen opwekken over de mengweerstand R5. In principe gaat dit prima, maar het nadeel is dat alle ingangen elkaar enigszins beïnvloeden. Ga maar na: stel dat U1 spanning voert en alle overige ingangen nul zijn. De stroom I1 zal dan niet alleen via weerstand R5 afvloeien, maar ook via R2, R3 en R4. Deze stromen kunnen de schakelingen, die op U2, U3 en U4 zijn aangesloten beïnvloeden.
Een tweede nadelige eigenschap van de resistieve menger is de niet te verhinderen signaalverzwakking. Tussen een ingang en de uitgang staat steeds een weerstandsdeler. Voor ingang U1 is deze deler opgebouwd uit R1 en de parallel schakeling van R2, R3, R4 en R5. Het grootste gedeelte van de spanning valt over R1, er blijft erg weinig signaal over aan de uitgang.
 |
| Vergelijking van een passieve en een actieve menger. (© 2017 Jos Verstraten) |
Samenvatting
Tot slot nog eens een samenvatting van de eigenschappen van de actieve mengversterker met een operationele versterker.
 |
| Samenvatting van de eigenschappen van de actieve mengversterker. (© 2017 Jos Verstraten) |
|
|