21. Präzisionsgleichrichter, Absolutwertschaltungen

21.1. Zielsetzung

Ziel dieses Experiments ist es, Präzisionsgleichrichter oder Absolutwertschaltungen zu untersuchen. Gleichrichter oder „Absolutwertschaltungen“ werden häufig als Detektoren verwendet, um die Amplituden von Wechselstromsignalen in leichter zu messende Gleichstromwerte umzuwandeln. Bei dieser Art von Schaltung wird das Wechselstromsignal zunächst hochpassgefiltert, um jegliche Gleichstromanteile zu entfernen, dann gleichgerichtet und eventuell tiefpassgefiltert.

21.2. Anmerkungen

In diesen Tutorials verwenden wir die Terminologie aus dem Benutzerhandbuch, wenn Sie sich auf die Verbindungen zur Red Pitaya STEMlab - Board - Hardware beziehen.

Oscilloscope & Signalgenerator Anwendung wird zum Erzeugen und Beobachten von Signalen auf der Schaltung verwendet.

Die für die Spannungsversorgung -3.3V und +3.3V verwendeten Steckerstifte sind in der Dokumentation aufgeführt.

21.3. Materialien

• Red Pitaya STEMlab

• 1x OP484 Quad-Rail-Rail-Operationsverstärker

• 5x 10 k:math:Omega Widerstände

• 2x kleine Signaldioden (1N914 oder ähnlich)

21.4. Hintergrund

Wie wir in den einfachen Gleichrichterschaltungen mit Dioden gesehen haben, reagiert die Schaltung nicht gut auf Signale, die kleiner als die Diodenschwellspannung (“\(0,7\,V\) für Siliziumdioden“) sind. Dies schränkt ihren Einsatz in Schaltungen ein, bei denen kleine Amplituden gemessen werden sollen. Für Schaltungen, bei denen ein hohes Maß an Präzision gefordert ist, können Operationsverstärker in Verbindung mit Dioden zum Bau von Präzisionsgleichrichtern eingesetzt werden.

Die invertierende Operationsverstärkerschaltung kann durch Hinzufügen von zwei Dioden, wie in Abb. 21.2 dargestellt, in einen „idealen“ (lineare Präzision) Einweggleichrichter umgewandelt werden. Denn die negative Hälfte der Eingangsdiode D1 ist rückwärts vorgespannt und die Diode D2 vorwärts vorgespannt und die Schaltung arbeitet wie ein konventioneller Wechselrichter mit einer Verstärkung von \(-1\). Für die positive Hälfte des Eingangs ist die Diode D1 vorwärts vorgespannt und schließt die Rückführung um den Verstärker herum. Die Diode D2 ist eine umgekehrte Vorspannung, die den Ausgang vom Verstärker trennt. Der Ausgang liegt auf dem virtuellen Massepotential ( - Eingangsklemme) durch den \(10\,k\Omega\) Widerstand.

Abb. 21.1 Anschlussplan für Präzisions-Einweggleichrichter

21.5. Verfahren

1. Bauen Sie die Schaltung aus Abbildung 1 auf dem Steckbrett auf.

Abb. 21.2 Verbindungen auf dem Steckbrett

2. Starten Sie die Anwendung Oszilloskop & Signalgenerator

3. Stellen Sie im Menü OUT1-Einstellungen den Amplitudenwert auf \(0,5\,V\), den DC-Offset auf \(0,1\,V\) und die Frequenz auf \(100\,Hz\) ein, um die Eingangsspannung anzulegen. Wählen Sie im Wellenform-Menü SINE, deaktivieren Sie SHOW und wählen Sie Enable.

4. Stellen Sie sicher, dass IN1 und IN2 \(V/div\) auf der linken unteren Seite des Bildschirms auf \(200\,mV/div\) eingestellt sind (Sie können \(V/div\) einstellen, indem Sie die gewünschten Kanal wählen und vertikalen +/- Regler verwenden)

5. Setze \(t/div\) Wert auf \(2\,ms/div\) (Du kannst \(t/div\) mit horizontalen +/- Regler einstellen)

Abb. 21.3 Präzisions-Einweggleichrichtermessungen

Bemerkung

Aus den auf Abb. 21.3 gezeigten Messungen können wir folgendes beobachten: Die Spitze des gleichgerichteten Ausgangs sollte nun gleich dem Spitzenwert des Eingangs sein (nur Wechselspannungsspitze, beachten Sie, dass der Gleichstrompegel des Eingangssignals nicht auf den Ausgang übertragen wird). Es gibt auch einen scharfen Übergang, da der Eingang den Wert Null überschreitet. Der Laborant sollte die Wellenformen an verschiedenen Stellen in der Schaltung untersuchen, um zu erklären, warum diese Schaltung besser funktioniert als der einfache Dioden-Halbwellengleichrichter.

Für diesen Versuch sollten Sie:

1. Versuchen Sie, den Offset und die Amplitude von OUT1 zu ändern und beobachten Sie die Ergebnisse.

2. Studiere die Schaltung und finde heraus, wie sie funktioniert. Es gibt ein sehr grundlegendes Konzept, das helfen sollte zu verstehen, wie dieser Schaltkreis funktioniert. Wenn ein Operationsverstärker mit negativer Rückkopplung konfiguriert wird, versuchen die invertierenden und nichtinvertierenden Eingangsanschlüsse, den gleichen Spannungspegel zu erreichen, der oft als „virtuelle Masse“ bezeichnet wird.

3. Planen Sie einige Tests, um festzustellen, ob diese Schaltung tatsächlich eine Gleichrichterschaltung ist. Führen Sie diese Tests durch und dokumentieren Sie alle Tests und Ergebnisse vollständig in Ihrem Laborbericht.

4. Messen und notieren Sie sorgfältig die Spannungen an allen Knoten im Stromkreis.

21.6. Fragen

Was passiert, wenn die Richtung der Dioden umgekehrt wird? Wiederholen Sie den Versuch mit umgekehrter Richtung der beiden Dioden.

21.7. Vollwellengleichrichter

Wir können den Halbwellen-Gleichrichter modifizieren, um einen Vollwellen-Gleichrichter oder eine Absolutwertschaltung herzustellen. Die in Abb. 21.4 dargestellte Schaltung ist eine Absolutwertschaltung, die oft als Präzisions-Vollwellengleichrichter bezeichnet wird. Es sollte wie eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung funktionieren, die mit idealen Dioden aufgebaut ist (die Spannung über der Diode, in Vorwärtsleitung, entspricht 0 Volt). Die in der Schaltung verwendeten Dioden haben eine Durchlassspannung von ca. \(0,6\,V\).

Abb. 21.4 Präzisions-Vollweggleichrichter

21.8. Verfahren

1. Bauen Sie die Schaltung aus Abb. 21.4 auf dem Steckbrett auf.

Warnung

Bevor Sie die Schaltung an die STEMlab-Pins -3,3V und +3,3V anschließen, überprüfen Sie Ihre Schaltung nochmals. Die Spannungsversorgungsstifte -3,3V und +3,3V haben keine Schutzschaltung und können im Falle eines Kurzschlusses beschädigt werden.

Abb. 21.5 Verbindungen auf dem Steckbrett

2. Starten Sie die Anwendung Oszilloskop & Signalgenerator

3. Stellen Sie im Menü OUT1-Einstellungen den Amplitudenwert auf \(0,5\,V\), den DC-Offset auf \(0,1\,V\) und die Frequenz auf \(100\,Hz\) ein, um die Eingangsspannung anzulegen. Wählen Sie im Wellenformmenü SINE, deaktivieren Sie SHOW und wählen Sie Enable.

4. Stellen Sie sicher, dass IN1 und IN2 \(V/div\) auf der linken unteren Seite des Bildschirms auf \(200\,mV/div\) eingestellt sind (Sie können \(V/div\) einstellen, indem Sie die gewünschten Kanal auswählen und vertikalen +/- Regler verwenden.

5. Setze \(t/div\) Wert auf \(2\,ms/div\) (Du kannst \(t/div\) mit horizontalen +/- Reglern einstellen)

Abb. 21.6 Präzisions-Vollweggleichrichtermessungen - Absolutwertschaltung

Bemerkung

Wie aus der Fig. 6 ersichtlich ist, ist die in Fig. 4 gezeigte Schaltung tatsächlich ein Vollwellengleichrichter, bei dem Diodenschwellenspannungen KEINE Auswirkungen verursachen, wie dies bei Diodengleichrichtern der Fall ist. Wir können auch sehen, dass der DC-Offset-Wert nicht vom Gleichrichtungsprozess ausgeschlossen ist, was diese Schaltung zu einer Absolutwertschaltung macht. Der Name Absolutwertschaltung ergibt sich aus der Tatsache, dass, wie aus der Abbildung 6 ersichtlich, das Ausgangssignal (IN2) ein Absolutwert des Eingangssignals (IN1) ist.

21.9. Fragen

1. Was passiert, wenn die Richtung der Dioden umgekehrt wird? Wiederholen Sie den Versuch mit umgekehrter Richtung der beiden Dioden.

2. Was passiert, wenn die Richtung einer Diode entgegengesetzt ist? Wiederholen Sie den Versuch mit der umgekehrten Richtung einer Diode (D1).