Prostownik aktywny Wstęp Opisywany moduł może pełnić rolę liniowego prostownika sygnałów o częstotliwociach zakresu akustycznego. W wersji podstawowej jest to prostownik pełnookresowy, ale można też zbudować wersję uproszczonš - prostownik półokresowy. W każdym przypadku możliwe jest indywidualne dobieranie charakterystyk dynamicznych: czasu ataku i czasu opadania. Układ może wzmacniać prostowane sygnały, i to nawet ponad 100-krotnie. Umożliwia to prostowanie także bardzo małych sygnałów, o amplitudach rzędu pojedynczych miliwoltów, a nawet mniejszych. Moduł przeznaczony jest generalnie do urzšdzeń audio, ale z powodzeniem znajdzie też zastosowanie w aparaturze pomiarowej. Już sam układ, współpracujšcy z woltomierzem pršdu stałego, jest woltomierzem małych sygnałów zmiennych. Prostowniki takie sš konieczne nie tylko do wskaników wysforowania, ale także do wszelkich układów zmiany dynamiki. Do prostowania niewielkich sygnałów audio zwykle nie wystarczš najprostsze prostowniki z diodami krzemowymi. Dawniej do takich układów stosowano diody germanowe, które rzeczywicie często dawały zadowalajšce rezultaty. Ale często do pracy w nowoczesnych urzšdzeniach audio (np. procesorach dynamiki) konieczne sš bardziej precyzyjne prostowniki. Zasada działania Rysunek a przedstawia schemat ideowy jednopołówkowego prostownika aktywnego, rysunek b pokazuje przepływ pršdów i rozkład napięć w sytuacji, gdy na wejcie podany jest sygnał dodatni, natomiast rysunek c - gdy ujemny. Przebiegi napięć w najważniejszych punktach sš pokazane na rysunku d i e. W sumie działanie tego układu opiera się na podstawowym fakcie, że napięcia na obu wejciach wzmacniacza operacyjnego sš równe (teoretycznie - w praktyce sš równe z dokładnociš do napięcia niezrównoważenia) i że wejcia wzmacniacza praktycznie nie pobierajš pršdu. Inaczej mówišc, na wejciu odwracajšcym wzmacniacza operacyjnego podczas pracy napięcie zawsze jest równe napięciu masy. Przez rezystor RA płynie pršd: I = Uwe/RA Taki sam pršd musi być dostarczony przez wyjcie wzmacniacza operacyjnego. W zależnoci od biegunowoci napięcia wyjciowego, pršd ten płynie albo przez diodę D1 (sš to "niewykorzystane" połówki przebiegu; na wyjciu napięcie jest równe zeru), albo przez D2 i RB (sš to użyteczne połówki, bo na wyjciu występuje napięcie Uwy = IxRe). W najprostszych prostownikach z diodami krzemowymi wg rysunku, diody przewodzš dopiero przy napięciach wejciowych większych od napięcia przewodzenia tych diod (około 0,6V), wobec czego przebiegi o amplitudach mniejszych niż te 0,6V w ogóle przez prostownik nie przechodzš. Prostowane sš tylko sygnały o amplitudzie większej niż 0,6V. Inaczej jest w prezentowanym prostowniku aktywnym. Tutaj prostowane sš nawet maleńkie sygnały. Praca prostownika aktywnego zwišzana jest przede wszystkim z przepływem pršdów. Wielkoć i kształt pršdu płynšcego przez rezystor RA wyznaczona jest przez kształt napięcia wejciowego. Potem przez jednš z diod płynie pršd o takiej samej wartoci (nawet bardzo mały), a napięcie na wyjciu tak się ustali, by w każdej chwili napięcie w punkcie B było równe zeru. Spadek napięcia na diodach nie ma tu żadnego znaczenia, ponieważ sygnałem wyjciowym jest napięcie występujšce na rezystorze RB, A napięcie to nijak nie zależy od spadku napięcia na diodzie D2, a tym bardziej D1, a jedynie od pršdu płynšcego przez rezystor RA. Tym samym w roli diod D1, D2 mogš być użyte dowolne diody: zwykłe krzemowe, diody Schottky'ego, czy nawet diody LED! Prostownik będzie pracował jednakowo dobrze, nieco inne będš tylko napięcia na wyjciu wzmacniacza operacyjnego (punkt D). Z jednym wszak zastrzeżeniem: jeli prostownik ma pracować przy sygnałach o częstotliwoci do 20kHz. nie mogš to być typowe "powolne" diody prostownicze typu 1N4001...7. Zwykle w roli diod D1, D2 stosuje się szybkie diody impulsowe 1N4148 lub podobne. Warto zauważyć, że prostownik aktywny może wzmacniać (lub osłabiać sygnał) w stosunku wyznaczonym przez rezystancję RB/RA. W układzie, na wyjciu C otrzymuje się ujemne napięcia. Ale tak być nie musi. Wystarczy zmienić kierunek włšczenia obu diod, a na wyjciu pojawiš się napięcia dodatnie. Rysunek przedstawia prostownik aktywny dwupołówkowy. Wzmacniacz U2 pracuje jako najzwyklejszy liniowy sumator napięć z punktów A i C. W punkcie A występuje oryginalny zmienny sygnał wejciowy, natomiast w punkcie C - tylko ujemne "połówki" sygnału wejciowego. Cała tajemnica układu tkwi w odpowiednim zsumowaniu obu przebiegów. Jeli przebiegi w punktach A i C majš jednakowš amplitudę (czyli RB = RA), i rezystor RD ma wartoć dokładnie dwukrotnie większš niż Rc, wtedy na wyjciu (w punkcie E) wystšpi przebieg wyprostowany dwu połówkowe. W prostowniku dwupołówkowym również można łatwo zmieniać wypadkowe wzmocnienie układu, ale nie przez zmianę stosunku RB/RA, tylko przez zmianę rezystancji RE. W praktyce dla wygody stosuje się Jednakowe rezystory RA= RB = Rc = R oraz RD = 2R czyli o dwukrotnie większej wartoci. Rezystancja RE Wyznaczajšca wypadkowe wzmocnienie jest praktycznie dowolna. Pełny schemat modułu prostownika aktywnego jest pokazany na rysunku. Dodatkowy wzmacniacz wstępny U1A jest buforem o dużej rezystancji wejciowej (równej praktycznie R1), i może dodatkowo wzmacniać sygnał wejciowy, nawet do 50 razy. Wzmocnienie wynosi: G = 1+ R3/R2 Pojemnoć C2 nie może być za mała, by nie ograniczać od dołu pasma przenoszenia. Reaktancja kondensatora C2 dla najniższych częstotliwoci pasma akustycznego musi być liczbowo mniejsza niż rezystancja R2. W układzie uwagę zwraca obwód wyjciowy z elementami D3, R7, R9 i C4 oraz buforem U2B. Jak pokazano na rysunku, na wyjciu prostownika dwupołówkowego występuje przebieg tętnišcy. W praktyce zawsze prostownik zawiera filtr wygładzajšcy to tętnišce napięcie. W zależnoci od zastosowania, potrzebne sš albo prostowniki z filtrem "szczytowym", albo uredniajšcym. Prostownik szczytowy daje na wyjciu sygnał, czyli napięcie stałe proporcjonalne do wartoci szczytowych prostowanego przebiegu; prostownik uredniajšcy - napięcie zbliżone do matematycznej wartoci redniej wyprostowanego przebiegu. Różnica pokazana jest na rysunku. W prostowniku szczytowym (rysunek a) kondensator wyjciowy szybko ładuje się do wartoci zbliżonej do napięcia szczytowego, a potem powoli rozładowuje się przez dużš rezystancję R. W prostowniku z filtrem uredniajšcym (rysunek b) kondensator zarówno ładuje się, jak rozładowuje przez tę samš dużš rezystancję RX. W układzie z rysunku kondensator C4 ładuje się głównie przez małš rezystancję R9, a rozładowuje przez dużš rezystancję R7. Umożliwia to ustawienie potrzebnego czasu ładowania (ataku) - wyznacza go stała czasowa R9C4 oraz czasu rozładowania (opadania) - R7C4. W praktycznych układach audio zazwyczaj ustawia się krótki czas ataku (najwyżej pojedyncze milisekundy) i znacznie większy czas opadania (setki milisekund). Jeli natomiast kto chce zbudować prostownik z filtrem uredniajšcym (na przykład pracujšcy w roli miernika), może zewrzeć diodę D3 i nie stosować R7. Stała czasowa obwodu uredniania będzie równa R9C4. W układzie należałoby uwzględnić wpływ spadku napięcia na diodzie D3. Wynosi on około 0.3...0.4Y. Włanie ze względu na ten spadek napięcia, przebiegi wyprostowane na wyjciu układu U2A powinny mieć wartoć nie mniej niż pojedynczych woltów. W praktycznych układach audio, przy sygnałach na wyjciu prostownika majšcych kilka woltów, wpływ diody D3 jest mało znaczšcy. Jeli kto chciałby uzyskać bardziej precyzyjny prostownik wartoci szczytowej, może zmodyfikować układ według rysunku. W takim wypadku stała czasowa ataku będzie wyznaczona rezystancjš R9, natomiast opadania - wypadkowš rezystancjš równoległego połšczenia R7 i PR1. Dla uzyskania potrzebnych czasów, konieczne będzie wtedy zastosowanie kondensatora C4 o wartoci 2,2... 22uF, a więc kondensatora elektrolitycznego. Moduł może być zasilany zarówno napięciem symetrycznym, jak i pojedynczym. Przy zasilaniu symetrycznym napięcia zasilajšce mogš wynosić ą3...ą18V. Przy zasilaniu napięciem pojedynczym należy stworzyć obwód sztucznej masy za pomocš jednakowych rezystorów R10, R11. Przy zasilaniu pojedynczym napięcie zasilajšce może wynosić 6...25Y i jest ograniczone od góry napięciem pracy kondensatora C7. W każdym przypadku napięcia wyjciowe będš mierzone w stosunku do masy. Przy zasilaniu napięciem pojedynczym, z wyjcia nie należy pobierać pršdów większych niż 0,1mA, ponieważ spowoduje to zmiany napięcia sztucznej masy. Przy zasilaniu symetrycznym takiego ograniczenia nie ma i z wyjcia można pobierać dowolny pršd, ograniczony jedynie wydajnociš wyjcia wzmacniacza U2B. Przy małych napięciach zasilajšcych należy liczyć się z pewnymi ograniczeniami amplitudy przetwarzanych sygnałów. Ogólnie bioršc, czym większe napięcie zasilajšce, tym większe napięcia można uzyskać na wyjciu. Jest to doć istotne w układach, gdzie trzeba pracować w szerokim zakresie napięć wejciowych. Teoretycznie układ prostownika powinien sobie doskonale radzić nawet z najmniejszymi sygnałami o amplitudach rzędu pojedynczych miliwoltów i mniejszych. W rzeczywistoci zastosowane tanie wzmacniacze operacyjne majš usunšć napięcia niezrównoważenia rzędu nawet 5mV. Przy napięciach mniejszych niż to napięcie niezrównoważenia, prostowniki nie będš dawać na wyjciu napięcia dokładnie proporcjonalnego do wielkoci sygnału prostowanego. Oczywicie w układzie można wprowadzić obwody kompensacji napięcia niezrównoważenia lub zastosować prezyzyjne kostki o mniejszym napięciu niezrównoważenia, ale w prostym module chyba nie ma to sensu. Raczej należy pracować przy większych napięciach zasilania i napięciach prostowanych, zwiększajšc wzmocnienie wzmacniacza U1A. Potem można ewentualnie zastosować na wyjciu dzielnik napięcia. Montaż i uruchomienie Montaż jest...
kpieczyrak