مدار یکسوکننده نیم موج و موج کامل با Op-Amp 

مدار یکسوکننده مداری است که جریان متناوب (AC) را به جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌کند. جریان متناوب همیشه جهت خود را با گذشت زمان تغییر می‌دهد، اما جریان مستقیم به طور مداوم در یک جهت جریان می‌یابد. در یک مدار یکسو‌‌کننده معمولی، از دیودها برای اصلاح AC به DC استفاده می‌کنیم. اما این روش فقط در صورتی قابل استفاده است که ولتاژ ورودی به مدار از ولتاژ رو به جلو دیود که معمولاً  0.7 ولت است بیشتر باشد.

یک مدار یکسو کننده

برای غلبه بر این مسئله، مدار دقیق یکسوکننده معرفی شد. مدار یکسوکننده دقیق، یکسوساز دیگری‌ست که AC را به DC تبدیل می‌کند، اما در یک یکسوکننده دقیق برای جبران افت ولتاژ در دیود از یک op-amp استفاده می‌کنیم، به همین دلیل است که افت ولتاژ 0.6V یا 0.7V را در سراسر دیود کاهش نمی‌دهیم، همچنین این مدار از این جهت می‌تواند ساخته شود تا در خروجی آمپلی‌فایر بهره بیشتری را کسب نماییم.

بنابراین، در این آموزش قصد داریم به شما نشان دهیم که چگونه می‌توانید یک مدار یکسوساز دقیق را با استفاده از op-amp بسازید. در کنار آن، در اینجا ما در مورد برخی از جوانب مثبت و منفی این مدار نیز بحث خواهیم کرد.

یک مدار یکسوکننده دقیق چیست؟

قبل از شناختن مدار دقیق یکسوساز، اجازه دهید اصول اولیه مدار یکسوساز را روشن کنیم.

شکل بالا ویژگی‌های یک مدار یکسوکننده ایده‌آل با ویژگی‌های انتقال آن را نشان می‌دهد. این بدان معنی است که وقتی سیگنال ورودی منفی باشد، خروجی صفر ولت خواهد بود و هنگامی که سیگنال ورودی مثبت باشد، خروجی سیگنال ورودی را دنبال می‌کند.

شکل بالا یک مدار یکسو‌کننده عملی با مشخصات انتقال آن را نشان می‌دهد. در یک مدار یکسوساز عملی، شکل موج خروجی 0.7 ولت کمتر از ولتاژ ورودی اعمال شده خواهد بود و ویژگی‌های انتقال آن مانند شکل نشان داده شده در نمودار خواهد ‌بود. در این مرحله، دیود تنها در صورتی انجام می‌شود که سیگنال ورودی اعمال شده کمی بیشتر از ولتاژ رو به جلو دیود باشد.

کار یکسوکننده دقیق

مدار فوق یک مدار یکسوساز دقیق نیم موج با یک LM358 Op-Amp و یک دیود 1n4148 را نشان می‌دهد. برای یادگیری نحوه عملکرد یک op-amp، می‌توانید این مدار op-amp را دنبال کنید. مدار فوق همچنین شکل موج ورودی و خروجی مدار یکسو‌کننده دقیق را نشان می‌دهد که دقیقاً برابر با ورودی است. دلیل این است که ما بازخورد را از خروجی دیود در نظر می‌گیریم و OP-amp هر افت ولتاژ در دیود را جبران می‌کند. بنابراین، دیود مانند یک دیود ایده‌آل رفتار می‌کند.

حال در تصویر بالا، به وضوح می‌توانید ببینید که چه اتفاقی می‌افتد وقتی که یک چرخه نیمه مثبت و منفی سیگنال ورودی در ترمینال ورودی Op-Amp اعمال می‌شود. مدار همچنین مشخصات انتقال مدار را نشان می‌دهد. اما در یک مدار عملی، شما همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است، خروجی دریافت نمی‌کنید، بگذارید به شما بگویم چرا؟

در اسیلوسکوپ، سیگنال زرد ورودی و سیگنال سبز خروجی است. ما به جای یکسوسازی نیم موج، به نوعی یکسوسازی کامل موج دست می‌یابیم.

تصویر بالا هنگام خاموش شدن دیود به شما نشان می‌دهد، نیم چرخه منفی از سیگنال است که از طریق مقاومت به سمت خروجی جریان می‌یابد و به همین دلیل ما در حال یکسوسازی کامل موج مانند خروجی هستیم، اما این مورد واقعی نیست. حالا ببینیم وقتی یک بار به 1K وصل می‌شویم چه اتفاقی می‌افتد.

مدار مانند تصویر بالا است.

خروجی مانند تصویر فوق است.

خروجی به این شکل به نظر می‌رسد زیرا ما عملاً یک مدار تقسیم ولتاژ را با دو مقاومت 9.1K و یک مقاومت 1K تشکیل داده‌ایم، به همین دلیل نیمی از ورودی سیگنال تازه ضعیف شده است.

باز هم، این تصویر بالا به شما نشان می‌دهد چه اتفاقی می‌افتد وقتی مقدار مقاومت بار را از 1K به 220R تغییر می‌دهیم.

تصویر فوق شرایط زیرین را نشان می‌دهد که در آن خروجی مدار به زیر صفر ولت می‌رسد و سپس بالا می‌رود. تصویر بالا برای هر دو مدار فوق‌الذکر، دارای بار و بدون بار، وضعیت زیرین را نشان می‌دهد. به این دلیل است که هر زمان که سیگنال ورودی به زیر صفر برود، op-amp وارد منطقه اشباع منفی شده و نتیجه آن تصویر نشان داده شده است.

دلیل دیگری که می‌توانیم بگوییم، هر زمان ولتاژ ورودی از مثبت به منفی تغییر کند، مقداری از زمان فیدبک op-amps طول می‌کشد و خروجی را تثبیت می‌کند و به همین دلیل ما ولتاژ زیر صفر ولت در خروجی را دریافت می‌کنیم. این اتفاق می‌افتد زیرا ما از LM358 op-amp با میزان Slew پایین استفاده می‌کنیم. شما فقط با قرار دادن یک op-amp با یک میزان Slew بالاتر می‌توانید این مشکل را حل کنید. اما به خاطر داشته باشید که در فرکانس بالاتر مدار نیز چنین خواهد شد.

مدار اصلاح شده Precision Rectifier

شکل بالا یک مدار یکسوکننده با دقت اصلاح شده را نشان می‌دهد که از طریق آن می‌توانیم تمام نقص‌ها و اشکالات فوق را کاهش دهیم. بیایید مدار را بررسی کنیم و بفهمیم که چگونه کار می‌کند. اکنون در مدار بالا، می‌بینید که اگر نیمه مثبت سیگنال سینوسی به عنوان ورودی استفاده شود، دیود D2 هدایت خواهد شد.

اکنون مسیر فوق نشان داده شده (با خط زرد) تکمیل شده و Op-amp به عنوان یک تقویت‌کننده معکوس عمل می‌کند، اگر به نقطه P1 نگاه کنیم، ولتاژ 0V است به عنوان یک زمین مجازی در آن نقطه تشکیل می‌شود، بنابراین جریان نمی‌تواند از طریق مقاومت R19 جریان یابد و در نقطه ی خروجی P2، ولتاژ 0.7V منفی است زیرا op-amp جبران افت دیود است،

بنابراین هیچ راهی وجود ندارد که جریان بتواند به نقطه P3 برود. بنابراین، بدین ترتیب است که هر بار که نیم چرخه مثبت سیگنال در ورودی Op-amp اعمال می‌شود، ما به یک خروجی 0 ولت دست یافته‌ایم. حال فرض کنید که ما نیمی از سیگنال AC سینوسی را بر ورودی آمپر اعمال کرده‌ایم. این بدان معنی است که سیگنال ورودی کاربردی کمتر از 0V است.

در این مرحله، دیود D2 در حالت برعکس قرار دارد و این بدان معنی است که یک مدار باز است. تصویر بالا دقیقاً آن را به شما می‌گوید.

از آنجا که دیود D2 در حالت برعکس است، جریان از طریق مقاومت R22 جریان می‌یابد و یک زمین مجازی را در نقطه P1 تشکیل می‌دهد. اکنون وقتی نیمی از منفی سیگنال ورودی اعمال می‌شود، به عنوان یک تقویت‌کننده معکوس آن یک سیگنال مثبت در خروجی دریافت خواهیم کرد. و دیود انجام خواهد شد و ما در نقطه P3 بازده جبران شده را بدست می‌آوریم.

اکنون ولتاژ خروجی -Vin / R2 = Vout / R1 خواهد‌بود.

بنابراین ولتاژ خروجی Vout = -R2 / R1 * Vin می‌شود.

حال اجازه دهید خروجی مدار یکسوکننده را در اسیلوسکوپ مشاهده کنیم.

خروجی عملی مدار بدون هیچ بار متصل در تصویر بالا نشان داده شده است. حال وقتی صحبت از تجزیه و تحلیل مدار می‌شود، یک مدار یکسو‌کننده نیم‌موج به اندازه کافی خوب است، اما وقتی یک مدار عملی به میان می‌آید، یکسوکننده نیمه موج این حس را به وجود نمی‌آورد.

به همین دلیل، یک مدار یکسوکننده تمام موج معرفی شد، برای دستیابی به یک یکسوساز دقیق موج کامل، فقط باید یک تقویت‌کننده جمع‌کننده درست کنیم، و این اساساً همین است.

مدار یکسوکننده دقیق موج کامل با Op-Amp

برای ساختن مدار یکسوکننده با دقت کامل، فقط یک تقویت‌کننده جمع‌کننده را به خروجی مدار یکسو‌کننده نیمه موج قبلاً ذکر شده اضافه کرده‌ایم. از این نقطه، P1 تا نقطه P2 مدار اولیه یکسوساز دقیق است و دیود به قدری پیکربندی شده است که ما در خروجی یک ولتاژ منفی می‌گیریم.

از نقطه، P2 تا نقطه P3 تقویت‌کننده جمع‌کننده است، خروجی از یکسو‌کننده دقیق از طریق مقاومت R3 به تقویت‌کننده جمع‌کننده می‌شود. مقدار مقاومت R3 نصف R5 است یا می‌توان گفت R5 / 2 است به این ترتیب است که ما می‌توانیم یک بهره 2X راخارج از op-amp تنظیم کنیم.

ورودی از نقطه P1 نیز به کمک مقاومت R4 به تقویت‌کننده جمع‌کننده می‌شود، مقاومت‌های R4 و R5 وظیفه تنظیم بهره op-amp را به 1X می‌دهند.

از آنجا که خروجی از نقطه P2 مستقیماً با افزایش 2X به تقویت‌کننده جمع‌کننده تغذیه می‌شود، بدین معنی است که ولتاژ خروجی 2 برابر ولتاژ ورودی خواهد بود. فرض کنید ولتاژ ورودی حداکثر 2 ولت است، بنابراین ما در خروجی حداکثر 4 ولت خواهیم داشت. در همین زمان، ما به طور مستقیم ورودی را با تقویت‌کننده جمع‌کننده با افزایش 1 برابر تغذیه می‌کنیم.

اکنون هنگامی که عملیات جمع‌بندی اتفاق می‌افتد، ما یک ولتاژ جمع شده در خروجی دریافت می‌کنیم که برابر با (-4v)+(+2v)=-2v و به عنوان op-amp در خروجی است. از آنجا که op-amp به عنوان یک تقویت‌کننده معکوس پیکربندی شده است ، ما در خروجی که نقطه P3 است + 2V می‌گیریم.

همین اتفاق هنگامی رخ می‌دهد که حداکثر منفی سیگنال ورودی اعمال شود.

تصویر بالا خروجی نهایی مدار یکسوکننده را نشان می‌دهد، شکل موج ورودی به رنگ آبی است و شکل موج زرد در خروجی از مدار یکسو‌کننده نیم‌موج است و شکل موج به رنگ سبز خروجی مدار یکسو‌کننده تمام موج است.

اجزای مورد نیاز

• آی سی Op-amp LM358 (2)
• مقاومت 1%، 6.8K (8)
• مقاومت 1K (2)
• دیود 1N4148 (4)
• برد‌بورد (1)
• سیم جامپر (10)
• منبع تغذیه (+-10V) (1)

 نمودار شماتیک مدار یکسوکننده

نمودار مدار یکسوکننده دقیق نیم موج و تمام موج با استفاده از op-amp در زیر آورده شده است:

برای این نمایش، مدار در یک برد‌بورد بدون لحیم و به کمک شماتیک ساخته شده است. برای کاهش اندوکتانس و ظرفیت خازنی، قطعات را تا حد ممکن متصل کرده‌ایم.

تقویت بیشتر

مدار را می‌توان برای بهبود عملکرد آن اصلاح کرد، مانند اینکه می‌توانیم فیلتر اضافی اضافه کنیم تا صداهای با فرکانس بالا از بین برود. این مدار فقط برای اهداف نمایش ساخته شده است. اگر به دنبال استفاده از این مدار در یک برنامه کاربردی عملی هستید، برای رسیدن به ثبات مطلق، باید از مقاومت op-amp و مقاومت بالای 0.1 اهم استفاده کنید.