|
De verschilversterker is een rekenkundige schakeling, die de bewerking A - B = C uitvoert, waarbij A, B en C analoge spanningen zijn. Verschilversterkers hebben in de analoge elektronica heel veel toepassingen, bijvoorbeeld het onderdrukken van het nulpunt van een voltmeter of het wegfilteren van brom of andere stoorsignalen. |
Het principe van een verschilversterker
Elektronica kan dus rekenen
De in het vorig artikel beschreven mengversterker was in feite niets meer dan een optelschakeling, die de waarde van twee ingangsspanningen bij elkaar optelde:
A + B = C
De in dit artikel beschreven verschilversterker is ook een rekenkundige schakeling, die de bewerking:
A - B = C
uitvoert, waarbij A, B en C staan voor spanningen. De momentele waarde van de ene spanning wordt afgetrokken van de momentele waarde van de tweede spanning en het resultaat wordt onder de vorm van een verschilspanning aan de uitgang gepresenteerd.
Het basisschema van een verschilversterker
Onderstaande figuur geeft het basisschema van de verschilversterker. Deze schakeling wordt gekenmerkt door vier identieke weerstanden, die op de getekende wijze met de op-amp worden verbonden. R1 is geschakeld tussen de eerste ingang en de inverterende ingang van de op-amp, R2 staat tussen de tweede ingang en de positieve ingang van de versterker, R3 is als terugkoppelelement opgenomen tussen de uitgang en de ingang van de operationele versterker en R4 staat gewoon tussen de niet-inverterende ingang en de massa geschakeld.
 |
| Het basisschema van een verschilversterker. (© 2017 Jos Verstraten) |
Voorwaarde voor een goede werking is dat alle weerstanden precies aan elkaar gelijk zijn, zodat u in de praktijk 1 % weerstanden moet toepassen.
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 uw experimenteerprint
Aan de hand van onderstaande figuur zal het u wel niet veel moeite kosten deze verschilversterker op onze experimenteerprint op te bouwen. Geen idee wat wij bedoelen met 'onze experimenteerprint'? Lees dan het artikel 'De 741 operationele versterker' en u kunt de experimenteerschakeling in elkaar solderen.
 |
| De verschilversterker op de experimenteerprint. (© 2017 Jos Verstraten) |
Meten maar!
In onderstaande tabel hebben wij een paar voorbeelden gegeven van geschikte spanningen die u, nadat u de schakeling op de experimenteerprint hebt opgebouwd, van elkaar kunt aftrekken. Stel de ingangsspanningen in aan de hand van de spanningen die u meet op de meetpunten M1 en M2 en lees het resultaat af op meetpunt M3.
 |
| Resultaten van uw metingen. (© 2017 Jos Verstraten) |
De werking van de schakeling berust, het wordt vervelend om het nog maar eens te schrijven, op het door de operationele versterker wegregelen van spanningsverschil tussen zijn beide ingangen. Stel dat u U1 instelt op -1 V en U2 op +2 V. De positieve ingang van de op-amp staat dan op een spanning van +1 V. De weerstanden R2 en R4 vormen immers een spanningsdeler. Bovendien zijn beide weerstanden aan elkaar gelijk, zodat hun knooppunt op de helft van de ingangsspanning staat. De schakeling zal de uitgangsspanning zó regelen, dat via de terugkoppelweerstand R3 dezelfde spanningsgrootte op de negatieve ingang verschijnt.
Over weerstand R1 staat bijgevolg een spanning van 2 V, want de linker aansluiting voert -1 V en de rechter +1 V. De stroom I2 doorloopt R1 en R3. Beide weerstanden zijn even groot, de door de stroom opgewekte spanningsvallen eveneens. Over R3 valt ook 2 V, waarbij de linker aansluiting negatief is ten opzichte van de rechter. De linker aansluiting staat op +1 V, de rechter staat bijgevolg op +3 V. Dat is dan ook de uitgangsspanning van de verschilversterker.
De schakeling heeft de wiskundige bewerking:
Uuit = U2 - U1
uitgevoerd, ga maar na:
Uuit = +2 V - (-1 V) = +2 V + 1 V = +3 V
Toepassingen
Onderdrukken van het nulpunt
De verschilversterker is een zeer handige schakeling, die u vaak uit schijnbaar onoplosbare problemen komt bevrijden. Eén toepassing van de verschilversterker is getekend in onderstaande figuur. Als u de conditie van een accu wilt weten, meet u de klemspanning. Bij een goede accu ligt die tussen 11 V en 15 V. Met een normaal meetinstrumentje heeft u een schaalindeling van 0 V tot +15 V, waarbij het nuttige meetgebied slechts één derde van de schaal beslaat. U kunt nu door het tussenschakelen van een verschilversterker het nulpunt van de meter onderdrukken, waardoor de schaalindeling loopt van +11 V tot en met +15 V. De verschilversterker hoeft van de variërende accuspanning een vaste spanning van +11 V af te trekken. De uitgang van de versterker zal dan variëren tussen 0 V en +5 V. De meter heeft dan in feite een schaal die loopt van 0 V tot +5 V, maar in werkelijkheid ijkt u de schaal natuurlijk van +11 V tot +15 V. Dit geeft een duidelijker en breed uitgesmeerde aflezing van de accuspanning.
 |
| Meten van de accuspanning met onderdrukt nulpunt. (© 2017 Jos Verstraten) |
Een andere toepassing van de verschilversterker is getekend in onderstaande figuur. Als u kleine signalen over lange afstanden moet transporteren is de bekende afgeschermde kabel niet zo geschikt. Ondanks de afscherming pikt deze toch nog stoorsignalen op. Het is dan aan te bevelen te werken met symmetrisch transport. De twee aansluitingen van de signaalbron, bijvoorbeeld een microfoon, worden getransporteerd via een symmetrische kabel. De afscherming zit nu rond beide aders. Het voordeel is dat stoorsignalen nu in even grote mate in beide aders terecht komen. Voor de verdere signaalverwerking hebt u echter weer een asymmetrisch signaal nodig, één hete ader die spanning voert ten opzichte van de massa. Met behulp van een verschilversterker kan dat en bovendien raakt u eventuele stoorsignalen kwijt.
 |
| Het onderdrukken van stoorsignalen. (© 2017 Jos Verstraten) |
Uader1: Ua + Ustoor
Uader2: Ub + Ustoor
Beide signalen hebben dus een stoorpuls opgepikt.
Op de uitgang van de verschilversterker staat:
Uuit = Uader1 - Uader2
Uuit = (Ua + Ustoor) - (Ub + Ustoor)
Uuit = Ua + Ustoor - Ub - Ustoor
Uuit = Ua - Ub
Het stoorsignaal is dus uit de signaalspanning verdwenen!
Samenvatting
De laatste figuur van dit artikel geeft weer een samenvatting van de beschreven eigenschappen van de verschilversterker.
 |
| Samenvatting van de eigenschappen van de verschilversterker. (© 2017 Jos Verstraten) |
|
|