Základní elektrotechnická zapojení v praxi

Měření na derivačním čláku

Schéma zapojení

Teoretické průběhy napětí

Multimetr

Multimetr je jedním ze základních měřících přístrojů pro měření elektrických obvodů. Obr.č.*****. Na obrázku je vyfocen multimetr měřící základní elektrické veličiny. Střídavý a stejnosměrný proud, napětí a odpor. K tomu ještě umí měřit polovodičové přechody a zesilovací činitel tranzistorů. Multimetry případně ještě mohou měřit další veličiny jako například kapacitu, kmitočet, indukčnost. 

Multimetr na obrázku má tak zvaný tři a půlmístný displej. To znamená, že přístroj má tři proměné číslice a na čtvrtém místě vlevo buď nesvítí nic nebo případně se tam zobrazí jednička. Přepínač multimetru na obrázku je nastaven na rozsah 20V, tudíž na tomto rozsahu můžeme měřit napětí do 19,99V. Desetinná tečka udává hodnotu. V našem případě napětí ve voltech. Bude-li například přepínač na rozsahu 200mV, potom desetinná tečka bude veličinu udávat v milivoltech. Rozvítí-li se na displeji pouze jednička, zvamená to, že měřená veličina je větší než nastavený rozsah.

Multimetr má čtyři svorky. Obr.č.****.

• COM - společná svorka pro všechny měření

• V/Ω - svorka určená pro měření stejnosměrného a střídavého napětí a odporu

• A - svorka určená pro měření stejnosměrného a střídavého proudu do 2A

• 20A - svorka určená pro měření stejnosměrného a střídavého proudu do 20A

Z bezpečnostních důvodů je velikost měřeného napětí omezana na 1000 V stejnosměrných a 750V střídavých.

Rozsah pro měření proudů do 20A je doba měření omezena asi na 7s. Tudíž není možné měřidlo používat jako tak zvané panelové, tedy k dlouhodobému měření proudu. Svorka není nijak jištěna a při neodborné manipulaci hrozí nebezpečí úrazu a zničení prístroje.

Multimetr je ovládám jedním přepínačem, jehož polohy jsou rozděleny do několika segmentů. Obr.č.*****.

Segment označený:

• OHM – polohy přepínače pro měření odporu. Dále poloha označená diodou je určena na měření polovodičových přechodů, případně je-li odpor menší než asi 200Ω, multimetr vydává pískavý tón.

• DCV - polohy přepínače určené pro měření stejnosměrného napětí

• ACV - polohy přepínače určené pro měření střídavého napětí

• ACA - polohy přepínače určené pro měření střídavého porudu

• DCA - polohy přepínače určené pro měření stejnosměrného proudu

• h_FE - poloha přepínače určená pro měření zesilovacího činitele tranzistorů

Praktická práce:

Změřte dvacet kusů odporů. Odpory seřaďte na papír podle velikosti od nejmenšího do největšího a napiště ke každému odporu naměřenou hodnotu a hodnotu, kterou chtěl výrobce dosáhnout. Tedy hodnotu s řady E12.

Dále spočítejte procentuální chybu měřeného odporu.

Při měření odporů je nutné dávat pozor, abychom nedrželi vývody odporu oběma rukama. Je to z toho důvodu, že lidské tělo má určitý odpor řádově desítky až stovky kiloohmů. A tento odpor lidského těla by se připojil paraelně k měřenému odporu a zkresloval by naměřenou hodnotu. Čím větší ohmická hodnota měřené součástky, tím větší chyba při měření.

Řada E 12:

Pasivní elelktronické součástky, tedy odpory a kondenzátory se vyrábí v tak zvaných řadách, což je řada absolutních čísel v jedné dekádě. Nejznámější používanou řadou je řada E12, což znaměná, že v jedné dedádě je dvanáct absolutních hodnot.

1.0; 1.2; 1.5; 1.8; 2.2 ; 2.7; 3.3; 3.9; 4.7; 5.6; 6.8; 8.2 ;

Příklad:

Naměříte-li 11,89kΩ, potom v řadě E12 je nejbližší absolutní číselná hodnota 1,2 . Tudíž výrobce chtěl vyrobit odpor 12kΩ a vyrobil ho s přesnotí:

• Odchylka:

12000 – 11890 = 110Ω , tedy o 110Ω menší.

• Potom:

  (100% • 110)/ 12000 = 0.91%

Odpor byl vyroben s přesností do 1%.

Měření napětí a proudu

Měření napětí a proudu je jedno ze základních měření v elektronice případně v elektrotechnice. Měření se provádí nejčastěji multimetry, s nímž jsme se seznámili v kapitole, případně ručkovými měřidly. Měříme-li napětí, Vmetr připojíme k měřenému bodu nebo součástce paraelně, při měření proudu Ametr musíme do obvodu, kde chceme změřit proud vložit, tedy musíme obvod rozpojit a Ametr zapojit do serie, tak jak je to znázorněno na obrázku Obr.č. ***

Praktická práce:

Spočítej a měřením ověř druhý Kirhofův zákon. Spočítané a naměřené hodnoty zapiš do tabulky.

Schéma zapojení:

file:///C:/Users/standastanda/Desktop/www%20p

Zadání:

Un = 10V. Vyberte si tři rozdílné libovolné odpory v rozsahu 500Ω až 15kΩ.

Postup:

file:///C:/Users/standastanda/Desktop/www/Spočítejte všechny proudy a napětí v obvodu a spočítané hodnoty zapište do tabulky. Následně obvod sestrojte dle schema a všechny proudy a napětí v obvodu změřte a zapište do tabulky. Spočítané a naměřené hodnoty porovnejte.

Příklad výpočtu elektrického obvodu:

Un = 10V , R₁ = 2Ω, R₂ = 5Ω, R₃ = 3Ω

• celkový odpor Rc = R_{1 +} R_{2 +} R₃ = 10Ω

• celkový proud Ic = = 1A

• úbytek napětí na odporu R₁ U_R1 = R₁ • Ic = 2V

• úbytek napětí na odporu R₂ U_R2 = R₂ • Ic = 5V

• úbytek napětí na odporu R₃ U_R3 = R₃ • Ic = 3V

Druhý Kirhofův zákon říká: Součet všech úbytků napětí v elektrickém obvodu je roven napájecímu napětí

Un = U_R1 + U_R2 + U_R3 = 2V + 5V + 3V = 10V

Tabulka:

Praktická práce:

Spočítej a měřením ověř první Kirhofův zákon. Spočítané a naměřené hodnoty zapiš do tabulky.

Schéma zapojení:

Zadání:

Un = 10V. Vyberte si tři rozdílné libovolné odpory v rozsahu 500Ω až 15kΩ.

Postup:

Spočítejte všechny proudy a napětí v obvodu a spočítané hodnoty zapište do tabulky. Následně obvod sestrojte dle schema a všechny proudy a napětí v obvodu změřte a zapište do tabulky. Spočítané a naměřené hodnoty porovnejte.

Příklad výpočtu elektrického obvodu:

Un = 10V , R₁ = 20Ω, R₂ = 50Ω, R₃ = 30Ω

• celkový odpor = _{+ +}

  Rc = 9,67Ω

• celkový proud Ic = = 1,03A

• proud odporem R₁ I_R1 = = 0.5A

• proud odporem R₂ I_R2 = = 0.2A

• proud odporem R₃ I_R3 = = 0.33A

První Kirhofův zákon říká: Proud do uzlu přitékající se rovná porudu z uzlu odtékající. V našem obvodu to znamená, že součet proudů v jednotlivých větvích obvodu se musí rovnat proudu tekoucímu ze zdroje.

Ic = I_R1 + I_R2 + I_R3 = 0.5A + 0.2A + 0.33A = 1.03A

Tabulka:

file:///C:/Users/standastanda/Desktop/www/

Stabilizovaný zdroj

Popis funkce stabilizovaného zdroje:

Po připojení vstupního napětí se otevře tranzistor T₁ přes odpor R₁. Teoreticky se na výstupu stabilizátoru objeví plné vstupní napětí. Začne protékat proud děličem R₃ a R₄. Je-li úbytek napětí na odporu R₄ U_R4 > U_ZD1 + U_BET2, otevře se tranzistor T₂ a do báze tranzistoru T₁ začne přivádět záporné napětí. Tranzistor T₁ se začne zavírat a výstupní napětí klesat. Obvod se ustálí v okamžiku, kdy U_R4 = U_ZD1 + U_BET2. Z popisu je zřejmé že poměrem odporů R₃ a R₄ se nastavuje hodnota stabilizovaného napětí U_stab. Připojíme-li na výstup stabilizátoru spotřebič, se vzrůstajícím proudem spotřebičem na T₁ roste úbytek napětí, které má za následek pokles U_stab. Na to tranzistor T₁ reaguje větším otevřením a to tak, aby U_R4 = U_ZD1 + U_BET2. Odpor R₁ současně pracuje jako kolektorový odpor tranzistoru T₂ .Kondenzátor zabraňuje rozkmitání stabilizovaného zdroje. C1 = 100nF

Zadání:

vstupní napětí stabilizovaného zdroje U_vst. = 12V,

výstupní stabilizovné napětí U_stab. = 8V,

maximální odebíraný proud ze stabilizovaného zdroje I_Rzmax = 250mA,

zenerova dioda D₁ = 5V

z důvodů dobrého nasycení T₁ volte 2I_BT1

proud báze tranzistoru T₂ , I_BT2 = 30μA

proud děličem I_D = 10I_{B T2}

Postup:

• potenciometrem R_z postupně zvyšujte odebíraný, proud ze stabilizovaného zdroje až do hodnoty I_Rzmax. . Napětí U_stab. zapište do tabulky

• v případě, že by pokles napětí při I_rzmax. byl větší než 0.2V, vhodně upravte příšlušné odpory

• na vstup připojte usměrňovač s filtračním kondenzátorem C₁ = 1G a napětím U_C1 = 12V, spočítejte vzlnění na kondenzátoru C₁ a zvlnění na výstupu stabilizovaného zdroje U_stab. při proudu I_rzmax. 

• hodnoty zvlnění porovnejte a zapište do tabulky

• spočítejte odpory R₁ – R₄ dle zadání

• obvod setavte

• na vstup připojte laboratovní zdroj s napětím 12V změřte a do tabulky zapište napětí na výstupu U_stab.

• vstupní napětí změňte o ± 2V. Napětí U_stab. zapište do tabulky

Příklad výpočtu elektrického obvodu:

vstupní napětí stabilizovaného zdroje U_vst. = 15V,

výstupní stabilizovné napětí U_stab. = 10V,

maximální odebíraný proud ze stabilizovaného zdroje I_Rzmax = 250mA

zenerova dioda D₁ = 6V

z důvodů dobrého nasycení T₁ volte 2I_BT1

proud báze tranzistoru T2 I_BT2 = 30μA

proud děličem I_D = 10I_{B T2}

• zvolím vhodný tranzistor T₁,

  výkonová ztráta na tranzistoru T₁

  úbytek napětí naT₁, U_T1 = U_vst. - U_stab. = 15V – 10V = 5V

  P_T1 = U_T1 * I_rzmax = 5V * 250mA = 1,25W

  Z katalogu volím tranzistor I_Cmax > 250mA a P_max > 1,25W

  například BD135-16 I_Cmax = 1,5A a P_max = 8W, h_21E = 160

• výpočet odporu R₁

  přes odpor R1 se otevírá T1, potom musí být navržen na proud I_BT1

  I_BT1 = = = 1,56mA, dle zadání volím 2IB = 3,12mA

  napětí na odporu R_1, U_R1 = U_vst. – U_BET1 = 15V – 0,6V = 14,4V

  R1 = = = 4 615Ω, z řady E12 volím 4k7

• výpočet odporu R₄

  napětí na odporu R_4, U_R4 = U_ZD1 + U_BET2. = 6V + 0,6V = 6,6V

  proud odporem R₄ dle zadání I_R4 = 6I_BT2

  R₄ = == 22 000Ω, z řady E12 volím 22k

• výpočet odporu R₃

  napětí na odporu R_3, UR3 = Ustab. - UR4 = 10V – 6,6V = 3,4V

  proud odporem R_{3 ,} I_R3 = 7I_BT2

  R₃ = == 10 303Ω, z řady E12 volím 10k

Napěťové a proudové poměry ve spočítaném obvodu

Tabulka:

Schmittův klopný obvod

Schmittův klopný obvod , SKO má dva aktivní prvky , tranzistory T₁ a T₂ na společném emitorovém odporu. Podobně jako u BKO vždy jsou v inverzních stavech. Po připojení napájecího napětí se tranzistor T₂ otevře a T₁ zůstane uzavřen přivedeme-li na vstup SKO určité napětí, tranzistory se lavinovitě překlopí do opačného stavu. Pokud napětí klesne pod danou úroveň, tranzistory se překlopí zpět do původního stavu. SKO se mimo jiné hlavně používá jako tvarovač, neboli z jakéhokoliv průběhu napětí vyrobí obdélníkový průběh napětí. Hlavní oblast použití je číslicová technika. Pomocí SKO jsou například ošetřeny všechny vstupy digitálních zařízení.

Schéma zapojení :

Popis funkce SKO

Po připojení napájecího napětí se otevře tranzistor T₂ přes odpor R₁ děličem v bázi tranzistoru R₂ a R₄. Napětí v bodě „A“se bude blížit napájecímu napětí. Proud kolektoru trazistoru T₂ na společném emitorovém odporu R5 vytvoří určitý úbytek napětí, pro názornost předpokládejme například 1V. Postupně budeme zvyšovat vstupní napětí do báze tranzistoru T₁. Ten se ale může otevřít pouze v případě, když mu bude protékat proud bází a to je v okamžiku, je-li báze T₁ o 0,6V kladnější než napětí na emitoru tranzistoru T₁. V našem případě to nastane, dosáhne-li vstupní napětí úrovně 1,6V. Následně dojde k dvěma procesům vzájemně se podporující. Jednak jak se otevírá T₁ tak klesá napětí v bodě“A“, tím se snižuje proud děličem R₂ a R₄ a tím se snižuje napětí v bodě „D“. A jak se otevírá T₁ jeho proud kolektoru postupně zvyšuje úbytek napětí na společném emitorovém odporu R₅. Tím T₂ dál ztrácí spád napětí mezi bází a emitorem. Celý proces vede k prudkému, říkáme lavinovitému překlopení tranzistorů T₁ a T₂. Odpor R₆ se má ochranou funkci, aby nedošlo k překročení maximálního proudu báze a na funkci SKO nemá vliv. Obvod pracuje s hysterezí, to znamená, že spínací napětí je vyšší, než napětí, při které se obvod překlápí zpět do klidového stavu.

Praktická práce: 

Spočítejte a měřením odzkoušejte Schmitův klopný obvod jak staticky, to znamená měřením napětí a proudů v obvod, tak i dynamicky pomocí generátoru a osciloskopu.

Schéma zapojení: Obr.č.****

Zadání:

I_C = 5mA, U_n = 10V, U_CEsat. = 0,1V I_b spočítejte ze zesilovacího činitele tranzistoru

proud děličem I_d = 6I_B , T₁ a T₂ jsou univerzální tranzistory malého výkonu, například BC546

Napětí v bodě „B“ U_B = 1V

Postup:

• spočítejte odpory R₁ - R₅ dle zadání

• obvod setavte, změřte a do tabulky zapište napětí v bodech „A“, „B“, „C“, „D“.

• nesouhlasí-li napětí se zadáním a s teorií funkce SKO, vhodně upravte příslišné odpory

• postupně zvyšujte potenciometrem P₁ vstupní napětí až do okamžiku, kdy dojde k překlopení SKO. Hodnout vstupního napětí zapište do tabulky

• postupně snižujte vstupní napětí, až do okamžiku, kdy dojde ke zpětnému překlopení SKO. Hodnotu vstupního napětí zapište do tabulky

• spočítejte hysterezi odbvodu a hodnotu zapište do tabulky

• odpojte potenciometr P₁ a na vstup SKO přes kondenzátor 10M připojte generátor se sinusovým průběhem napětí o kmitočtu 1kHz. Obr.č.****

• osciloskopem ověřte výstupní průběh napětí

• plynule nastavujte amplitudu vstupního napětí a sledujte výstupní průběh napětí na osciloskopu

          do sešitu zakreslete průběh napětí na obrazovce dvoukanálového osciloskopu U_vst./U_výst.

Příklad výpočtu elektrického obvodu:

I_C = 2mA, U_n = 12V, U_CEsat. = 0,15V, UB = 0,5V,

I_b spočítejte ze zesilovacího činitele tranzistoru,

proud děličem I_d = 6I_B

T₁ a T₂ jsou univerzální tranzistory malého výkonu, například BC546

• výpočet proudu báze pro zesilovací činitel h_21E = 250

  h_21E = , IB = = = 8μA

• výpočet odporu R₅

  vzhledem k tomu, že je otevřen vždy jenom jeden tranzistor, potom odporem R5 teče proud 2mA a napětí na odporu R₅ = U_B = 0,5V

  R5 = = = 250Ω, z řady E12 volím 270

• výpočet odporů R₁ a R₃

  z druhého kirhochova zákona platí, U_n = U_R5 +U_CEsat. + U_R3

  U_R3 = U_n - ( U_R5 + U_CEsat.)

  U_R3 = 12V - ( 0,5V + 0,15V ) = 11,35V

  R₃ = = = 5 675Ω, z řady E12 volím 5k6

  R₃ = R₁

• výpočet odporu R₄

• U_R4 = U_B + U_BET1 = 0,5V + 0,6V = 1,1V

• R4 = = = 22 916Ω, z řady E12 volím 22k

• výpočet odporu R₂

  z druhého kirhochova zákona platí, U_n = U_R4 + U_R2 + U_R1

  U_R2 + U_R1 = U_n - U_R4 = 12V – 1.1V = 10,9V

  U_R1 = R₁ * 7IB = 5 675Ω * 56μA = 0.31V

  U_R2 = U_R2 + U_R1 - U_R1 = 10,9V - 0.31V = 10,59V

  R₂ = = = 189kΩ, z řady E12 volím M22

  Napěťové a proudové poměry v spočítaném SKO 

Monostabilní klopný obvod

Monostabilní klopný obvod, MKO je elektronický obvod mající jeden stabilní stav. Skládá se ze dvou aktivních prvků, tranzistorů T₁ a T₂. V základním stavu je tranzistor T₁ uzavřen a T₂ otevřen. Překlopit tranzistory do opačného stavu je možné dvěma způsoby. Kladným impulsem do báze tranzistoru T₁ nebo jak je znázorněno na obrázku záporným impulsem do báze otevřenému tranzistoru T₂. Ten se uzavře a na to se tranzistor T₁ otevře. Obvod se zpět překlopí po určitém čase, který je dán časovou konstantou Tau, Τ = R₂ * C₁.

Monostabilní klopný obvod vyrobí impuls o určité přesně definované délce t1 = T T = R2 * C1, která je nezávislá na délce vstupního impulsu. V podstatě je to časovač se zpožděným vypnutím. Hlavní oblast použití je oblast číslicové techniky, ale i v analogové elektronice má hojné využití.  

Popis funkce MKO

Po připojení napájecího napětí se otevře tranzistor T₂ přes odpor R₂ proudem do báze tranzistoru T₂. Napětí v bodě „C“ bude rovno U_{CESat T2}. Nebo-li se bude blížit nulovému napětí. Z toho důvodu se nemůže otevřít tranzistor T₁. Jakmile přijde do bodu „B“ záporný impuls, tranzistor T₂ se uzavře, napětí v bodě „C“ se bude rovnat napájecímu a na to se otevře tranzistor T₁. Napětí v bodě „A“ klesne k nule , tím se v bodě „B“ vygeneruje záporná špička napětí ( viz teorie derivační článek  ) a kondenzátor C₁ se začne nabíjet přes R₂ a otevřený tranzistor T₁. Jakmile v bobě „B“ dosáhne hodnota napětí úrovně 0,6V , tranzistor T₂ se otevře, napětí v bodě „C“ klesne k nulové hodnotě napětí a T₁ se uzavře. Doba překlopení je dána časovou konstantou Tau T = R₂ * C_1.

Funkce obvodu MKO je graficky znázorněna na. Je to průběh napětí v závislosti na čase v různých místech MKO označeny velkými písmeny. Průběh označený například symbolem U_D je průběh napětí v bodě „D“ a podobně. Případně je možné výstupní napětí odebírat i z bodu „A“ a tento průběh napětí je inverzní oproti průběhu napětí v bodu „C“

Přibližnou dobu překlopení MKO je možné vypočítat ze vztahu

t₁ = 0.7 * R₂ * C₁

Praktická práce:

Spočítejte a měřením odzkoušejte Monostabilní klopný obvod jak staticky, to znamená měřením napětí a proudů, tak i dynamicky pomocí generátoru a osciloskopu.

Zadání:

I_C = 5mA, U_n = 10V, U_CEsat. = 0,1V I_b spočítejte ze zesilovacího činitele tranzistoru,

z důvodů dobrého nasycení tranzistorů volte 2I_b

T₁ a T₂ jsou univerzální tranzistory malého výkonu, například BC546

Doba překlopení t1 = 1ms

Postup:

• spočítejte odpory R₁ - R₄ dle zadání

• obvod setavte, změřte a do tabulky zapište napětí na tranzistorech T₁ a T₂

• nesouhlasí-li napětí se zadáním a s teorií funkce MKO, vhodně upravte příslišné odpory

• vodivě spojte bázi s emitorem tranzistoru T₂. Ten se musí uzavřít a otevřít T₁

• změřte a do tabulky zapište napětí na tranzistorech T₁ a T₂

• po uvolnění propojky se obvod po čase t1 musí vrátit zpět do původního stavu

• na vstup MKO přípojte generátor napětí a na výstup MKO osciloskop

• na generátoru nastavte obdélníkový průběh kmitočtu s co největší amplitudou o kmitočtu 300Hz ( doba periody vstupního signálu musí být delší než doba překlopení MKO, T > t1)

• osciloskopem ověřte výstupní průběh napětí a porovnejte se zadáním

• do sešitu zakreslete průběh napětí na obrazovce dvoukanálového osciloskopu Uvst,/ Uvýst

Příklad výpočtu elektrického obvodu:

I_C = 2mA, U_n = 12V, U_CEsat. = 0,15V,

I_b spočítejte ze zesilovacího činitele tranzistoru, volte 2I_B T₁ a T₂ jsou univerzální tranzistory malého výkonu, například BC546

Doba překlopení t1 = 0.5ms

• výpočet proudu báze pro zesilovací činitel h_21E = 150

  h_21E = , I_B = = = 13μA

• výpočet odporů R₁ a R₄

  napětí na odporu U_R1 = U_n – U_CEsat. = 12V – 0,15 = 11,85V

  R₁ = = = 5925Ω, z řady E12 volím 5k6

  R₄ = = = 5925Ω, z řady E12 volím 5k6

  R₁ = R₄

• výpočet odporů R₂

  napětí na odporu U_R2 = U_n – U_BE = 12V – 0,6 = 11,4V

  R₂ = = = 446kΩ, z řady E12 volím M47

• výpočet kondenzátoru C₁

• ze vztahu t₁ = 0.7 * R₂ * C₁

• C₁ = = = 1,6nF, z řady E12 volím 1k5

Obrazovka osciloskopu:

přepínač vstupního děliče:
V/ dílek ******

přepínač časové základny:
čas / dílek ****

Tabulka:

	T1	T1	T2	T2
	báze	kolektor	báze	kolektor
otevřený
uzevřený

Operační zesilovače

Operační zesilovač (zkratka OZ) je univerzální stejnosměrně vázaný zesilovací analogový elektronický obvod, jenž je základním prvkem analogových elektronických systémů. Operační zesilovače byly původně vyvinuty pro realizaci matematických operací (odtud pak jejich název) v éře analogových počítačů.

První operační zesilovače byly konstruovány z elektronek a později se přešlo na diskrétní polovodičové součástky. Dnešní operační zesilovače jsou téměř výhradně konstruovány jako integrované obvody, přičemž často jeden takový obvod sdružuje několik OZ. První integrované operační zesilovače pocházejí z konce 60. let 20. století. Vůbec první byl obvod μA709, ale ten byl brzy vytlačen obvodem μA741, který je naprostou klasikou ve světě operačních zesilovačů a vyrábí jej mnoho firem v mnoha provedeních dodnes. Oba dva uvedené typy jakož i řada dalších OZ jsou konstruovány pouze z bipolárních tranzistorů. Teprve v 70. letech se začaly v OZ používat unipolární tranzistory. Tyto součástky výrazně zlepšují parametry OZ, takže se téměř blíží ideálnímu OZ. Konstrukce mnohých OZ vybavených unipolárními tranzistory ovšem stále vychází z klasického obvodu 741, u něhož je pouze několik bipolárních tranzistorů zaměněno za unipolární.

Operační zesilovač je v podstatě diferenciální, nebo-li rozdílový zesilovač, který má dva vstupy , invertující a neinvertující a jeden výstup. Signál přivedený na invertující vstup je zpracován na výstupu s otočenou fází o 180 stupňů. Signál přivedený na neinvertující vstup je zpracován ve fázi. Přívádíme-li současně napětí na oba vstupy výstupní napětí je potom dané rozdílem vstupních napětí. Invertující vstup je označován znaménkem „ -“, neinvertující vstup je označován znaménkem „+“.

Operační zesilovač bývá nejčastěji napájen symetrickým napájecím napětím, a to z toho důvodu, aby výstupní napětí mohlo nabývat kladných a záporných hodnot vůči svorce 0V. Nebo-li abychom nemuseli operačnímu zesilovači nastavovat pracovní bod, tak jak jsme si to ukázali u tranzistorových obvodů, jestliže zpracováváme střídavé napětí mající kladnou a zápornou půl vlnu.

Operační zesilovač je často v praxi pro výpočty nahrazován ideálním operačním zesilovačem, jehož základní vlasnosti jsou:

Ideálních vlastností OZ není možné dosáhnout, ale v mnoha případech se k nim blížíme s dostatečnou přesností. Asi největší slabinou OZ ze všech parametrů je šířka kmitočtového pásma, kde kmitočtová charakteristika univezzálního OZ je totožná s dolní kmitočtovou propustí. To znamená, že do určitého kmitočtu tak zvaného mezního je, označován fg, má univerzální OZ stálé zesílení 10⁵, což je bohatě postačující, ale se zvyšujícím se kmitočtem klesá zisk OZ o 6dB na oktávu, až na kmitočtu označovaném ft má zesílení rovno jedné, tehdy už nezesiluje.

Na Obr.č.*** je znázorněno zjednodušené vnitřní zapojení OZ. My už všechny části obvodu známe, už jsme je zapojovali a měřili. Modře orámované tranzistory T₁ a T₂ je rozdílový zesilovač. Do bází těchto tranzistorů jsou připojeny invertující a neinvertující vstup OZ. Zeleně orámovaný tranzistor T₃ je zdroj konstantního proudu. Má za úkol udržovat na emitorech tranzistorů T₁ a T₂ konstantní teplotně nezávislé napětí. Purpurovou barvou je označen budící stupeň koncového zesilovače a tranzistory T₆ a T₇ jsou koncové tranzistory zesilovače ve třídě AB.

Na Obr.č.*** je schématická značka operačního zesilovače s popsanými jednotlivými vývody. Některé typy OZ mají ještě kompenzační vstupy napěťové nesymetrie, případně kompenzační vstup kmitočtu. V principielních schématech většinou nejsou uváděny a ani nebývají kresleny vstupy pro napájení. Bere se jako samozřejmost , že OZ je napájen symetrickým napětím. Ale ne vždy to tak musí být. Jsou vyvinuty OZ, které jsou specielně určeny pro nesymetrické napájení. Není to typické a potom samozřejmě musí být napájení příšlušně označeno.

Základní funkce OZ

1. Přivedeme-li na invertující vstup například kladné napětí, výstupní napětí bude záporné

2. Přivedeme-li na neinvertující vstup kladné napětí, výstupní napětí bude kladné.

3. Přivedeme-li na oba vstupy napětí stejné velikosti i polarity, tak potom výstupní napětí je nulové

Invertující operační zesilovač

Invertující zesilovač je jedno z nejpoužívanějších zapojení. Na výstupu se objeví vstupní napětí vynásobené napěťovým zesílením A_u nebo-li ziskem OZ., ale s obrácenou fází o 180⁰ (tedy zinvertované). Velikost zesílení je daná poměrem odporů R₂ a R₁, Obr.č.***

A_u =

Ovšem pozor - tento vzorec platí jen tehdy, je-li zdrojem signálu obvod s nulovým vnitřním odporem (tedy obvod, chovající se jako ideální zdroj napětí).

Pro výstupní napětí platí vztah U_výst = - U_vst * 

Vstupní impedance je schodná s ohmickou hodnotou odporu R₁. Z_vst = R₁. Protože Oz se snaží mezi vstupy udržet nulové napětí (viz teorije rozdílový zesilovač) potom na invertujícím vstupu je t.zv. plovoucí zem nebo říkáme že v tomto místě je virtuální nula. Při výpočtu odporů R₁ a R₂ si odpor R₁ zvolíme a druhý dopočteme dle zadání. Odpor R₁ nejčastěji volíme desítky kiloohmů.

Praktická práce:

Spočítejte a měřením ověřte invertující operační zesilovač

Zadání:

U_n = ±15V,

napěťový zisk A_U = 2

vstupní napětí v rozsaho -2V ÷ +2V

R₁ = 10kΩ

Popis funkce:

Vlastní OZ je popsán v předešlé kapitole. Tento obvod je doplněn odporem R₃, který pracuje jako kompenzace proudové nesymetrie OZ. Na vlastní činnosti OZ se nijak nepodílí. Pro malá zesílení se volí R₃ = R₁. V zapojení je použit snad nejpoužívanější a nejznámější OZ μA741. Je zde použita kompenzace napěťové nesymetrie dle katalogu výrobce na vývodech OZ 1 a 5 trimrem 10k.

Postup:

• spočítejte odpory R₁, R₂, R₃

  A_u =

• spočítejte a do tabulky napište teoretická výstupní napětí v rozsahu -2V ÷ +2V po 0,2V

  U_výst = – U_vst *

• setrojte obvod dle schéma

• vstupní svorku vodivě spojte se svorkou 0V a ověřte výstupní napětí. Mělo by být nulové. V opačném případě nulové výstupní napětí nastavte trimrem 10k

• postupně nastavujte vstupní napětí -2V ÷ +2V po 0,2V

• změřte a do tabulky zapište výstupní napětí a porovnějte s teoretickými hodnotami

• na vstup OZ připojte generátor tvarových průběhů a ověřte činnost OZ při různých kmitočtech od 10Hz až do 1MHz, ale i různých typů průběhů napětí

• určete, v jakém kmitočtovém rozmezí by bylo reálné použítí daného OZ

Tabulka:

Výstupní napětí neinvertujícího zesilovače je ve fázi se vstupním napětím. Zisk neinvertujícího zesilovače je dán vztahem.  

A_u = 1+ R2/R1

Pro výstupní napětí potom platí.

U_výst = U_vst *  R2/R1

Z matematických vztahů je zřejmé, že neinvertující zesilovač má zisk vždy větší než jedna.

Hlavní výhodou tohoto zapojení je velký vstupní odpor, který je nezávislý na ohmických hodnotách odporů R₁ a R₂. Reálná hodnota vstupního odporu je 1MΩ ÷ 10TΩ. Hodnotu odporu R₁ volíme nejčastěji v jednotkách, případně desítkách kiloohmů.

Zvláštním případem neinvertujícího zesilovače je sledovač napětí.  Napěťový zisk je roven jedné a napětí vstupní a výstupní je ve fázi. Má velmi velkou vstupní impedanci, 1MΩ ÷ 10TΩ, a malou výstupní impedanci. Sledovač se používá pro oddělení vysokoimpedančního vstupu a nízkoimpedančního výstupu.

U_výst. = U_vst.

Z_vst. = nekonečnu

Praktická práce:

Spočítejte a měřením ověřte neinvertující operační zesilovač

Zadání:

U_n = ±15V,

napěťový zisk A_U = 2

vstupní napětí v rozsahu -2V ÷ +2V

R₁ = 10kΩ

Popis funkce:

V zapojení použijte OZ μA741 s kompenzací napěťové nesymetrie dle katalogu výrobce na vývodech OZ 1 a 5 trimrem 10k.

Postup:

• spočítejte odpory R₁, R₂

A_u = 1+ R2/R1

• spočítejte a do tabulky napište teoretická výstupní napětí v rozsahu -2V ÷ +2V po 0,2V

U_výst = U_vst *  R2/R1

• sestrojte obvod dle schéma

• vstupní svorku vodivě spojte se svorkou 0V a ověřte výstupní napětí. Mělo by být nulové. V opačném případě nulové výstupní napětí nastavte trimrem 10k

• postupně nastavujte vstupní napětí -2V ÷ +2V po 0,2V

• změřte a do tabulky zapište výstupní napětí a porovnejte s teoretickými hodnotami

• na vstup OZ připojte generátor tvarových průběhů a ověřte činnost OZ při různých kmitočtech od 10Hz až do 1MHz, ale i různých typů průběhů napětí

• určete, v jakém kmitočtovém rozmezí by bylo reálné použití daného OZ

Tabulka:

Rozdílový zesilovač

Rozdílový zesilovač můžeme v literatuře nalézt taky pod názvem diferenciální zesilovač. Zpracovává napětí současně z obou vstupů. Jsou-li vstupní napětí nesouhlasná polaritou hodnoty napětí sečte a vynásobí ziskem OZ. Jsou-li polaritou souhlasná, napětí od sebe odečte a výsledek vynásobí ziskem OZ.  

A_u =  R2 / R1

Vztah pro výpočet výstupní napětí.

U_výst. = (Uvst.2 - Uvst1)  * R2 / R1 

K vytvoření pracovních podmínek obou vstupů je třeba aby R₁ = R₃, R₂ = R₄. Pak se jako užitečný signál uplatní pouze rozdíl vstupních napětí a rušivé signály jsou potlačeny. Diferenciální zesilovač obvykle vyžaduje kompenzaci napěťové nesymetrie.

Praktická práce:

Spočítejte a měřením ověřte rozdílový zesilovač

Schéma zapojení: