Nabouw: op-amp tester

(gepubliceerd op 01-07-2017)

Met dit kleine apparaatje test u al uw op-amp's in min-DIL uitvoering en met de standaard aansluitingen van de 741. De tester is geschikt voor bipolaire en FET op-amp's en test de onderdelen in een dynamische omgeving. Een rode LED geeft uitsluitsel over de staat van de op-amp.

Het principe van de schakeling

Inleiding
Hoewel er natuurlijk veel mis kan gaan in het interne van een operationele versterker ligt het voor de hand aan te nemen dat een beschadigd of defect exemplaar zelfs de meest eenvoudige opdracht niet meer naar behoren zal uitvoeren. Bouwt u rond de te testen operationele versterker een inverterend versterkertje, dan zal een goede op-amp het ingangssignaal keurig inverteren en een defect exemplaar iets anders op de uitgang produceren. Dit idee is de basis van de hier beschreven op-amp tester en is blokschematisch geschetst in onderstaande figuur.

Het blokschema van de tester voor operationele versterkers. (© 2017 Jos Verstraten)

De schakeling bestaat uit een driehoekspanning generator en een sommeerversterker. De generator levert de ingangsspanning voor de te testen operationele versterker DUT (Device Under Test). De sommeerversterker vergelijkt de ingangsspanning met de uitgangsspanning. Werkt het IC naar behoren, dan zal de versterker geen uitgangssignaal afgeven. De som van de ingangsspanning en de uitgangsspanning is immers precies gelijk aan nul! Doet de op-amp vreemd, dan zal er aan de uitgang van de versterker een verschilsignaal ontstaan en met dit signaal kunt u een rode LED aansturen. Door de versterkingsfactor van de versterker op te schroeven kunt u niet alleen grove fouten (bijvoorbeeld een op-amp die intern kortgesloten is naar een van de voedingsspanningen), maar ook exemplaren met een te grote offset opsporen. De uitgang zal dan wat vorm betreft wel precies het inverse zijn van het ingangssignaal, maar er zal op de uitgang ook nog eens een vrij grote offsetspanning aanwezig zijn, die door de versterker wordt versterkt en de LED doet branden.


De driehoekspanning generator 
De driehoekspanning generator is samengesteld rond twee operationele versterkers. Het schema is getekend in onderstaande figuur. In wezen bestaat de schakeling uit een comparator OP1, die een deel van de uitgangsspanning vergelijkt met de massa en een integrator OP2, die de condensator C1 met een constante stroom laadt of ontlaadt en voor een lineair stijgende of dalende spanning op de uitgang zorgt.

De schakeling van de driehoekspanning generator. (© 2017 Jos Verstraten)

De schakeling wordt ontleed aan de hand van de grafieken, rechts in de illustratie. Stel dat op een bepaald moment de uitgangsspanning UC van de schakeling maximaal positief is op tijdstip t1. Deze grote uitgangsspanning wordt aangeboden aan spanningsdeler R1-R2. Nu kunt u niet zonder meer de spanning op het knooppunt van beide weerstanden bepalen, want u weet nog niet op welke spanning de uitgang van OP1 zich bevindt. Toch is deze spanning niet moeilijk te beredeneren. Zoals geschreven werkt OP1 als comparator. De spanning op de niet-inverterende ingang wordt vergeleken met de spanning op de inverterende ingang en deze laatste is nul. Zelfs als de spanning op de niet-inverterende ingang maar een paar mV positief is, zal de uitgang van de comparator vastlopen tegen de positieve voedingsspanning. Nu wordt er via R2 een positieve spanning aangeboden en de kans dat de niet-inverterende ingang van OP1 positief is, is dan ook vrij groot. De uitgang van de comparator staat dan op +Ub. Spanningsdeler R1-R2 ligt dan aan de bovenzijde aan +Ub en aan de onderzijde aan een onbekende, maar wel positieve spanning. U kunt besluiten dat de geponeerde veronderstelling klopt, het systeem is in evenwicht.
De positieve uitgangsspanning van de comparator stuurt een stroom I1 door R3. Deze stroom kan alleen via de condensator C1 afvloeien want OP2 heeft een oneindig hoge ingangsimpedantie. Maar er is meer! De niet-inverterende ingang van OP2 ligt aan massa, u kunt aannemen dat ook de inverterende ingang dit potentiaal zal verkiezen. Over R3 valt een constante spanning, namelijk +Ub en het rechtstreekse gevolg is dat de stroom I1 constant is! Condensator C1 wordt door een constante stroom opgeladen en zoals u weet betekent dit dat de spanning over het onderdeel lineair stijgt of daalt. De linker plaat van de condensator wordt echter op nul volt gehouden door de werking van de operationele versterker (spanningsverschil tussen beide ingangen nul). Het kan dus niet anders dat de uitgangsspanning van IC2 lineair gaat dalen. De stroom I1 wekt immers over C1 een spanning op en de stroomrichting bepaalt dat de linker aansluiting van het onderdeel positief is ten opzichte van de rechter aansluiting.
Het lineaire dalen van de uitgangsspanning heeft echter gevolgen voor de spanning op de niet-inverterende ingang van OP1. Omdat de spanning op de onderste aansluiting van R2 daalt, zal de spanning op punt A ook dalen. Op een bepaald moment t2, afhankelijk van de verhouding tussen de weerstanden R1 en R2, wordt de spanning op punt A gelijk aan nul. De comparator klapt om, de uitgang gaat naar de negatieve voedingsspanning -Ub. Hetgeen weer tot gevolg heeft dat ook de spanning op punt A plotseling negatief wordt. De bovenste aansluiting van R1 wordt immers sterk negatief en de uitgang van de schakeling (dus de spanning op R2) is eveneens negatief. Ook het knooppunt wordt negatief. De stroomrichting van de stroom door R3 verandert. De stroom I2, die nu door dit onderdeel en door condensator C1 vloeit, gaat de spanning op de uitgang van de schakeling laten stijgen. Deze stijging wordt teruggekoppeld naar R2. Op een bepaald moment t3 zal de spanning op het knooppunt van beide weerstanden weer gelijk worden aan nul. De comparator klapt om en u bent terug bij het startpunt t1 van de cyclus.
Op de uitgang van de schakeling verschijnt dus een symmetrische driehoekspanning, waarvan de waarde wordt bepaald door de grootte van de voedingsspanningen en de verhouding tussen R1 en R2. De frequentie van dit signaal hangt af van de stromen I1 en I2, dus van R3 en van de waarde van de condensator.

De sommeerversterker
De sommeerversterker is getekend in onderstaande figuur. De werking van dit gedeelte van de schakeling is zeer eenvoudig. De uitgang van de driehoekspanning generator (A) wordt door middel van R1 aangeboden aan de te testen operationele versterker DUT. De schakeling rond dit IC is een inverterende x1-versterker. R1 en R3 zijn even groot. De uitgang van het DUT is dus omgekeerd aan de ingangsspanning. Deze spanning op punt B wordt vergeleken met de spanning op punt A. Zijn beide spanningen absoluut gezien even groot, maar ten opzichte van elkaar geïnverteerd, dan zullen er door de twee even grote weerstanden R4 en R5 even grote, maar tegengestelde stromen vloeien. Door weerstand R7 vloeit dan geen stroom, de uitgang van OP2 blijft op nul. Wijkt de spanning op punt B af van het ideale verloop, dan zal de stroomgelijkheid worden verbroken. Er vloeit een verschilstroom door R7. Deze stroom wekt over deze weerstand een spanning op en daar de linker aansluiting op massapotentiaal staat zal de rechter aansluiting een bepaalde onbekende, maar in ieder geval van nul afwijkende spanning voeren. Dit uitgangssignaal wordt gedetecteerd en stuurt een LED.

De schakeling van de verschilversterker. (© 2017 Jos Verstraten)

De grafieken geven een voorbeeld van een goed werkende DUT (links) en een situatie waarbij deze op-amp intern kortgesloten is naar de positieve voedingsspanning (rechts). De uitgang van het DUT levert dan een constante hoge spanning af, het gevolg is dat er op de uitgang van de sommeerversterker een negatieve restspanning ontstaat, die alleen even naar nul gaat op het moment dat de spanning op punt A in absolute zin gelijk wordt aan de foutieve uitgangsspanning van de te testen schakeling.

Het volledig schema

Te klein om te lezen?
In onderstaande figuur is het volledig schema van deze op-amp tester voorgesteld. Als u een en ander te klein weergegeven vindt op uw scherm kunt u op de tekening klikken. U ziet nu het schema in een hogere resolutie op uw scherm. Door te klikken op de pijltjestoets 'terug naar de vorige pagina' van uw browser komt u weer in dit verhaal terecht.

Het volledig schema van de op-amp tester. (© 2017 Jos Verstraten)

Bespreking van de praktische driehoekspanning generator
De schakeling rond OP1 en OP2 vormt de driehoekspanning generator. Omdat de spanningssymmetrie van de uitgangsspanning van deze schakeling echter in hoge mate afhangt van de gelijkheid van de twee voedingsspanningen en de tester uit twee 9 V batterijtjes wordt gevoed kunt u er niet zeker van zijn dat de uitgangsspanning steeds symmetrisch ten opzichte van nul zal verlopen. Vandaar een blokkeertrap C4/R6, die de eventueel aanwezige gelijkspanningscomponent spert. De condensator C4 introduceert echter een ontoelaatbare impedantie in de uitgangskring van de generator. De buffer rond IC3 heft dit nadeel op en levert een mooi symmetrische en laagimpedante driehoekspanning aan de rest van de schakeling.



Bespreking van de praktische DUT en sommeerversterker
De rest volgt de reeds besproken principeschema's op de voet. Zowel de testschakeling rond DUT als de sommeerversterker worden uitgerust met 1 % metaalfilm weerstanden op de plaatsen waar dit echt noodzakelijk is, met als groot voordeel dat u niets hoeft af te regelen.  De versterkingsfactor van de versterker is gelijk aan tien. De versterker kan zowel een positief als een negatief signaal leveren, afhankelijk van het soort defect in de te testen op-amp. Nu straalt een LED slechts licht uit als er stroom door de diode loopt en vandaar dat de LED is opgenomen in een brugschakeling, die er voor zorgt dat de stroom steeds door de lichtgevende diode kan lopen. Als de uitgangsspanning van de sommeerversterker positief is, dan loopt de stroom door weerstand R14 naar massa via de dioden D1, D5 en D4. Is de uitgangsspanning echter negatief, dan geleiden de dioden D2, D5 en D3.

De bouw van de schakeling

Print en componentenopstelling
In de twee volgende figuren worden de print en de componentenopstelling voorgesteld.

De print voor de op-amp tester. (© 2017 Jos Verstraten)

De componentenopstelling van de print. (© 2017 Jos Verstraten)

Het bestukken van de print
Let op de twee draadbruggetjes Ⓐ en Ⓑ. De LED D5 staat loodrecht op de print en is gemonteerd in een kunststof afstandsbusje van 15 mm. Als schakelaar wordt een tweepolige tuimelschakelaar toegepast. Soldeer aan de zes lipjes een stevig draadje, duw deze draadjes door de zes printgaatjes en duw de schakelaar op de print.

Het IC-voetje voor het DUT
Het door een kader aangegeven deel van de print geeft aan waar u een 8-pens IC-voetje ongeveer 1,5 cm boven de print kunt monteren, boven de condensatoren C5 en C6. Hierdoor wordt het mogelijk het te testen IC zonder moeilijke bedradingstoestanden rechtstreeks in dit voetje te duwen. U kunt het best een stukje gaatjesboard gebruiken, waar u het IC-voetje op vast soldeert en dat u met acht draadjes (afgeknipte weerstandsdraadjes) stevig op gepaste afstand van de print soldeert.

Het monteren van het IC-voetje voor het Device Under Test.
(© 2017 Jos Verstraten)

 Het gebruik van de op-amp tester

Zet de verdachte op-amp in het voetje met de pennen 1 en 8 bovenaan. Schakel het apparaat in met de schakelaar. Brandt de LED, dan is de op-amp defect. Eenvoudiger kan niet! U kunt de conditie van de batterijen testen door het apparaat even in te schakelen zonder IC in het testvoetje. Brandt de LED, dan weet u zeker dat het apparaat nog werkingsbereid is. Blijft de LED gedoofd of brandt hij zwak, dan moet u de batterijen vernieuwen.


(Banggood sponsor advertentie)
Vier meetkabels banaan naar banaan, 1 meter