TYÖ 2: OPERAATIOVAHVISTIMEN PERUSKYTKENTÖJÄ Työselostus xxx yyy, ZZZZZsn 25.11.20nn Automaation elektroniikka OAMK Tekniikan yksikkö
SISÄLLYS SISÄLLYS 2 1 JOHDANTO 3 2 LABORATORIOTYÖN TAUSTA JA VÄLINEET 4 2.1 Ei-invertoiva vahvistin 4 2.2 Komparaattori, jolla on hystereesiä 4 2.3 Tarvittavat välineet 4 3 KYTKENNÄT JA MITTAUKSET 5 3.1 Ei-invertoiva vahvistin 5 3.2 Komparaattori, jolla on hystereesiä 7 4 POHDINTA 9 LÄHTEET 10 2
1 JOHDANTO Työssä kokeiltiin tunneilla läpikäytyjä operaatiovahvistinkytkentöjä käytännössä ja tutkittiin kytkentöjen toimintaa oskilloskoopilla. Työ kuuluu opintojakson Automaation elektroniikka laboraatioihin. Ryhmään kuuluivat Raino Räisänen, Sami Viittanen ja Mikko Virtanen. 3
2 LABORATORIOTYÖN TAUSTA JA VÄLINEET 2.1 Ei-invertoiva vahvistin Ei-invertoiva vahvistin on operaatiovahvistimen peruskytkentä, joka vaatii op.ampin lisäksi vain kaksi vastusta, joilla säädetään vahvistuksen suuruus negatiivisen takaisinkytkennän avulla. Vahvistus Au määräytyy takaisinkytkentävastuksen Rf ja tulovastuksen R1 suhteen kaavan 1 mukaisesti. U out = (1 + R f R 1 ) U in A u = 1 + R f R 1. KAAVA 1 2.2 Komparaattori, jolla on hystereesiä Komparaattorikytkennässä operaatiovahvistimen invertoivaan tuloon tuodaan vertailujännite, johon ei-invertoivaan tuloon tuotavaa jännitettä vertaillaan. Komparaattorin lähtö menee käyttöjännitteen rajoittamaan maksimiinsa tai minimiinsä sen mukaan, onko tulojännite suurempi vai pienempi kuin vertailujännite. Hystereesillä varustetussa komparaattorissa on positiivinen takaisinkytkentä, jolla voidaan jänniteenjaon avulla määrätä hystereesi, eli välys, jonka ylittyessä komparaattorin lähtö menee maksimi- tai minimiarvoonsa (invertoiva, tulon kasvaessa yli hystereesin, lähtö menee minimiinsä ja päinvastoin). 2.3 Tarvittavat välineet Tehtävän suorittamiseen tarvittiin seuraavat välineet ja komponentit: operaatiovahvistin 741, DIL8-kotelo vastukset 3,32 kω ja 9,53 kω koekytkentäalusta jännitelähde (työpöydän) signaaligeneraattori oskilloskooppi 4
3 KYTKENNÄT JA MITTAUKSET 3.1 Ei-invertoiva vahvistin Aluksi piirrettiin kytkentäkuva (kuva 1) ja pääteltiin annettujen komponenttien arvoista kumpi vastus tuli takaisinkytkentävastukseksi, jotta vahvistukseksi saataisiin vaadittu yli 2, sekä laskettiin kytkennän tuottama vahvistus kaavalla 1: A u = 1 + R f R 1 = 1 + 9,53 kω 3,32 kω 3,87. Uin U2 +15 V R1 + LM741 OUT Uout 3.32k - Rf -15 V 9,53k KUVA 1. Ei-invertoiva vahvistinkytkentä Kytkentä toteutettiin koekytkentäalustalle. Tulosignaali otettiin signaaligeneraattorilta ja käyttöjännite op.ampille työpöydän jännitelähteestä. Oskilloskoopilla tarkasteltiin tulosignaalia ja vahvistimen lähtöä (kuva 2) KUVA 2. Kytkentä käytännössä 5
Tulosignaaliksi asetettiin sinikäyrä 1,0 V amplitudilla ja 1,0 khz taajuudella. Oskilloskoopilta otettiin kuva josta nähtiin mittaustoiminnolla molempien signaalien jännitteiden huipusta-huippuun-arvot (kuva 3). Vahvistus vastaa kohtalaisen hyvin laskettua. KUVA 3. Uin kanavalla 1, Uout kanavalla 2 Seuraavaksi asetettiin tulosignaalin taajuudeksi 100 khz ja otettiin jälleen kuva oskilloskoopilla (kuva 4). Kuvassa ilmenee hyvin kuinka op.ampin Slew-rate rajoittaa lähdön jännitteen kasvua taajuuden noustessa. KUVA 4. Slew-rate ei riitä 100 khz signaalille 6
Kursoreilla mitattiin kuvasta signaalin nousureunan kaksi pistettä, joista laskettiin kulmakerroin. Kulmakerroin antaa suoraan arvon jännitteen muutosnopeudelle, eli op.ampin Slew-raten: SR = y x 3,297 V = 0,88 V 3,740μs μs. LM741:n SR on datasheetin mukaan tyypillisesti 0,5 V/µs, eli mitattu arvo on samoilla seutuvilla ja hieman parempikin. 3.2 Komparaattori, jolla on hystereesiä Komparaattorille piirrettiin kytkentäkuva ja pääteltiin vastusten kytkentä jännitteenjaossa, jotta hystereesiksi saataisiin alle 10 V (kuva 5). R1 Uref = +-3,875 V 3.32k Uin +15 V U2 + LM741 OUT - Rf 9,53k Uout -15 V KUVA 5. Komparaattorin kytkentäkuva Kytkentä koottiin ja tulosignaaliksi asetettiin siniaaltoa 5,0 V amplitudilla ja 1,0 khz:n taajuudella. Oskilloskoopilta otettiin kuva, josta näkyy komparaattorin toiminta (kuva 6) ja toinen josta mitattiin kursoreilla jännitteen arvot joilla vahvistimen lähtö heilahtaa äärestä toiseen (kuva 7). 7
KUVA 6. Komparaattorin toiminta KUVA 7. Komparaattorin vertailujännitteet 8
4 POHDINTA Kytkennät ja mittaukset onnistuivat kohtalaisen sujuvasti eikä isompia virheitä päässyt tapahtumaan. Tulokset heittivät muutamia prosentteja. Ei-invertoivan vahvistimen vahvistus oli noin 2,5 % laskettua pienempi ja komparaattorin kynnysjännitteet olivat alle 2 % sisällä lasketuista arvoista. Tehdyt kytkennät havainnollistivat hyvin op.ampin toimintaa sekä toiminnan mittaamista ja analysointia. 9
LÄHTEET Rantala, Pekka 2013. Työ 2: Operaatiovahvistimen peruskytkentöjä, työohje. 10