Automaation elektroniikka T103403, 3 op SAH3sn Pekka Rantala kevät 2015 Opinto-opas 2013 Osaamistavoitteet: Opintojakso perehdyttää opiskelijat automaatiotekniikan sovelluksissa käytettäviin elektroniikan komponentteihin ja piiriratkaisuihin. Opintojakson suoritettuaan opiskelija osaa analysoida ja suunnitella analogiaelektroniikan kytkentöjä. Sisältö: Operaatiovahvistimen perusominaisuudet ja peruskytkennät, säätimet ja instrumentointivahvistimet. Jännitevakavointipiirit. A/D- ja D/A-muuntimet. 1
Opintojakson toteutus Lähiopiskelua luokassa yhdellä periodilla 4 tuntia / viikko (sisältää kokeet) Laboratoriotunteja 4 viikolla Opiskelijalla 3 tuntia / viikko Opintojakson laskennallinen työmäärä 3 3 op = 3 27 h = 81 tuntia Itsenäistä opiskelua tästä noin puolet Opintojakson toteutus, jatkuu Laboratoriotöissä 100 % läsnäolopakko 1 selostus /opiskelija Oppimateriaali: Tuntimuistiinpanot Opettajan laatima materiaali Kirja: Analogiaelektroniikka, Edita 2004 Silvonen, Tiilikainen, Helenius Tukimateriaalia netissä: http://huhtama.kapsi.fi/ele/index.php http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/39-05/op_amp_applications_handbook.html 2
Opintojakson arviointiperusteet Koemenestys (suurin painoarvo) Tuntiaktiivisuus ja asiallinen käyttäytyminen Laboratoriotyö-osuus, noin 1 numero Läsnäolovaatimus 100 % Asiallinen käyttäytyminen Ohjeiden noudattaminen TURVALLISUUS! Tehtäviin paneutuminen Työselostus: siisteys, asiaan paneutuminen 1 selostus per opiskelija Opintojakson aiheita Kertausta Operaatiovahvistin Instrumentointivahvistin AD- ja DA-muunnin Tehoelektroniikkaa Säätimet Taajuusmuuttaja 3
Kertausta Vastusjako, trimmeri, E-sarja, värikoodit R+C, kaksi vaihtoehtoa Diodi (anodi, katodi) DIL-kotelo Kuormittaminen, sink, source Ideaalinen vahvistin Bipolaaritransistori Kanavatransistori Desibeli Operaatiovahvistin Operation amplifier = op.amp. = oppari Valmis elektroniikan peruskomponentti, jolla voidaan toteuttaa monia erilaisia sovelluksia. Todellinen op.amp komponentti on niin lähellä ideaalista op.amppia, että sen toiminnan analysointi on helppoa. Ei tarvitse ymmärtää op.ampin sisäistä kytkentää. Riittää, kun ymmärtää ulospäin näkyvän toiminnan. 4
741- operaatiovahvistin Klassikko-op.amp, kaikkien op.amppien äiti Parempiakin jo löytyy, mutta hyvä perusoppari Op.ampin perustoiminto Op.amp vahvistaa tulojen erojännitteen Udiff IN U+ Udiff = U+ - U- OUT Uout = Av Udiff U- 5
Ideaalinen op.amp suora tulo U+ Udiff = U+ - U- U- invertoiva tulo Zin U Zout Uout = Av Udiff Tuloimpedanssi Zin = Ω Lähtöimpedanssi Zout = 0 Ω Jännitevahvistus Av = = AOL Open Loop U+ U- Todellinen op.amp +V -V Uout Tarvitaan aina käyttöjännitteet, yleensä kaksipuolinen tyypillisesti ±12 V tai ±15 V (joskus on yksipuolinen V+ ja nolla) Usein käyttöjännitteitä ei piirretä näkyviin (on silti oltava) Lähdön vaihtelualue (= swing) rajoittuu ±V:hen Uout ei voi olla yli V+ tai alle V- Piirille ei tule 0-tasoa lainkaan (= maata) käyttöjännitteenä! 6
Kytkentään tarvitaan takaisinkytkentä (paitsi komparaattori) Koska suora (open loop) vahvistus on hyvin suuri ( ), jo äärimmäisen pienikin tulon erojännite saa lähdön menemään joko + tai ääripäähän. Lähtöjännite saadaan pysymään hallitusti järkevällä toiminta-alueella (+V:n ja V:n välissä), kun kytkentään lisätään negatiivinen takaisinkytkentä (feedback). Alla kaksi operaatiovahvistimen peruskytkentää HUOM!! Kummassakin takaisinkytkentä tulee tuloon! Op.amp-sääntöjä Op.ampin tulonastojen virta = 0 A = 0 µa (koska Zin = Ω) Tulonastojen erojännite = 0 V (kun negat. takaisinkytkentä) (Miten tämä on selitettävissä?) -tulossa on virtuaalinen maa (tässä kytkennässä) (koska kumpikin tulonasta on samassa potentiaalissa ja + -tulo on maassa) 7
Kytkennän analysointi I1 If X Kaksi peruskytkentää 8
Op.amp-sovelluksia Kääntävä vahvistin (= invertoiva vahvistin) Ei-kääntävä vahvistin (= non-inverting) Summaava vahvistin Erotusvahvistin Jänniteseuraaja (Voltage follower) Komparaattori Integraattori, derivaattori Vakiovirtageneraattori Instrumentointivahvistin Operaatiovahvistimen jatkojaloste Erotus- eli differentiaalivahvistin Sopii esim. anturisignaalien (DC) vahvistukseen Vahvistus voidaan säätää esim. yhdellä vastuksella tai jumpperilla U1 RG Uout U2 9
Erojännite (Differential) ja yhteismuotoinen jännite (Common Mode) Instrumentointivahvistin vahvistaa erojännitteen, mutta on hyvin immuuni yhteismuotoiselle jännitteelle Esimerkkitilanne: Mitkä ovat U diff ja U CM? U1 4,3 V Udiff 3,9 V U2 Uout 0 V CMRR = Common Mode Rejection Ratio 10
CMRR-esimerkki CMRR = 10 000 ja A diff = 15 Mitä on U out? U1 Udiff 4,3 V 3,9 V 0 V U diff = 4,3 V 3,9 V = 400 mv U2 Uout U CM = ½ (4,3 V + 3,9 V) = 4,1 V U out = A diff U diff + A diff /CMRR U CM U out = 15 400 mv + 15/10 000 4,1 V U out = 6 V + 6,15 mv = 6,006 mv CMRR desibeleinä 11