Amplificatoare Operaționale

Amplificatoarele operaţionale sunt larg folosite pentru măsurarea mărimilor electrice. Fiind amplificatoare diferenţiale de tensiune, este evident că mărimea direct măsurabilă este diferenţa a două tensiuni sau tensiunea electrică (dacă una dintre tensiuni este nulă). În cursul în care aţi studiat bazele electronicii, aţi învăţat principiul de funcţionare al unui amplificator diferenţial de tensiune şi conexiunile de bază în care lucrează un amplificator operaţional. Puteţi folosi acum aceste cunoştinţe pentru a face un pas înainte şi a înţelege modul în care amplificatoarele operaţionale sunt folosite pentru măsurarea şi a altor mărimi electrice.

Convertor curent-tensiune

Una dintre metodele folosite pentru măsurarea unui curent este convertirea lui într-o tensiune. Cea mai simplă schemă pentru conversia curent-tensiune cu ajutorul amplificatorului operaţional este prezentată în fig.1.

RMPUNCT VIRTUAL DE MASAv = -iRi

Fig.1

Funcţionarea convertorului curent-tensiune se bazează pe următoarele caracteristici ale amplificatorului operaţional şi consecinţele care decurg din ele:

impedanţa de intrare a amplificatorului operaţional fiind foarte mare, practic se pot neglija curenţii care intră în amplificator prin intrările inversoare şi neinversoare () - întreg curentul de intrare i trece prin rezistenţa R. 0,0≅≅−+ii

în prezenţa reacţiei negative, dacă intrarea neinversoare este conectată la masă, intrarea inversoare are şi ea potenţialul masei - tensiunea de ieşire este egală şi de semn contrar cu căderea de tensiune pe rezistenţa de reacţie.

În concluzie, se poate observa că tensiunea de ieşire este proporţională cu intensitatea curentului de intrare, constanta de proporţionalitate (care poate servi şi drept factor de scală) fiind valoarea rezistenţei R. RRRRsRus += uuinisis

Convertor tensiune-curent

Atunci când în procesul de măsurare este nevoie ca o tensiune să fie convertită într-un curent poate fi folosită o schemă cu amplificator operaţional ca cea din Fig.2. După cum se poate observa, schema derivă din schema generală a conexiunii diferenţiale, în care s-a adăugat o rezistenţă de reacţie pozitivă şi una dintre tensiunile de intrare este nulă. Curentul de ieşire este curentul care parcurge rezistenţa Rs.

Fig.2

Pentru calculul expresiei curentului de ieşire se poate folosi metoda cunoscută a schemelor echivalente pentru fiecare intrare, scheme prezentate în Fig.3.

( )u+R( )u-vRabRvRisRsuin

Fig.3

Pe baza schemelor din Fig.2 şi Fig.3 pot fi scrise următoarele ecuaţii: ssssRuRui+== (1) 2v=−u (2) ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++=+sinRRuu212v (3)

Ţinând seama de faptul că şi rezolvând sistemul de ecuaţii (1) – (3) în raport cu i−+≅uus, se obţine următoarea expresie pentru curentul de ieşire:

Ruiins=

Intensitatea curentului de ieşire este direct proporţională cu tensiunea de intrare şi este independentă de valoarea rezistenţei pe care o traversează.

Conversia frecvenţă-tensiune

Conversia frecvenţei unui semnal periodic într-o tensiune proporţională cu ea se face în două etape:

FORMATOR DE IMPULSURIuinv2R3R1R2C2D1D2C1D3D412v1

transformarea semnalului periodic de intrare într-un semnal periodic dreptunghiular cu amplitudine fixă, independentă de amplitudinea semnalului de intrare.

obţinerea unui semnal continuu cu o tensiune direct proporţională cu frecvenţa semnalului format.

O schemă care realizează cele două etape este prezentată în Fig.4. Formatorul de impulsuri este format dintr-un comparator (primul amplificator operaţional), urmat de un limitator de amplitudine. Comparatorul transformă semnalul de intrare într-un semnal dreptunghiular cu faza inverstă şi amplitudinea determinată de tensiunile de saturaţie pozitivă şi negativă ale amplificatorului operaţional. Limitatorul, format din rezistenţa R2 şi diodele stabilizatoare D1 şi D2, micşorează amplitudinea semnalului dreptunghiular la o valoare egală cu suma dintre tensiunea de stabilizare a unei diode şi tensiunea de polarizare directă a unei joncţiuni semiconductoare pn (în fiecare alternanţă a semnalului de intrare una din diode este polarizată direct şi cealaltă invers). Această micşorare a tensiunii este necesară pentru ca amplificatorul operaţional care converteşte frecvenţa în tensiune să nu intre în saturaţie (tensiunea de la ieşirea sa trebuie să fie dependentă doar de frecvenţa semnalului de intrare). În alternanţa pozitivă a semnalului astfel format, condensatorul C2 se încarcă prin condensatorul C1 şi dioda D4. În alternanţa negativă, condensatorul C1 se descarcă aproape instantaneu prin dioda D3 iar condensatorul C2 se descarcă prin rezistenţa R3 cu o constantă de timp determinată de produsul R3C2. La ieşirea celui de al doilea amplificator operaţional va fi măsurată o tensiune continuă egală şi de semn contrar cu valoarea medie a tensiunii pe condensatorul C2: