Операционный усилитель представляет собой многокаскадный усилитель постоянного тока, обладающий коэффициентом усиления: КОУ=104÷105
Название "Операционный" связано с тем, что на его основе строятся аналоговые устройства, выполняющие математические операции, такие как: сложение, вычитание, умножение, деление, дифференцирование, интегрирование, сравнение сигналов. В схемах автоматически ОУ используется для создания таких регуляторов, как: пропорциональный (П), пропорционально-интегральный (ПИ), пропорционально -интегрально-дифференциальный (ПИД), импульсный, релейный, а также различных видов генераторы.
Схема:
В схеме указаны:
Uвхи - напряжение на инвертирующем входе
Uвхн - напряжение на неинвертирующем входе
Iвх- входной ток ОУ
ОУ имеет 2 входа: инвертирующий и неинвертирующий.
ОУ усиливает разности напряжений между инвертирующим и неинвертирующим входом.
Вход называется инвертирующим, потому что при Uвхи > Uвхн на выходе создаётся сигнал отрицательной полярности ( т.е. происходит инверт. сигнала). Если Uвхн > Uвхи, то на выходе формируется положительный сигнал. Т. к. выходной сигнал не может быть больше напряжения питания, при большом коэффициенте усиления входной сигнал должен быть близкий к нулю.
Такой ОУ выполняет операцию масштабирования( умножения, деления) и на его основе строится П - регулятор.
Схема:
В схеме: I1 - ток создаваемый Uвх
I0 - ток создаваемый цепью обратной связи при R0
U0 - разность напряжений между инвертирующим и не инвертирующим входом.
Iвх - входной то ОУ.
Т. к. коэф. усиления Коу≈∞, U0≈0, Iвх≈0 и по 1-му закону Кирхгофа I1= I0.
На этом свойстве основана работа всех ОУ в системах автоматики.
Т. к. I1 = , I0 = , то
Uвых = * Uвх
Если обозначить = Км - коэф. масштабирования, то
Uвых = Км* Uвх
В рассматриваемой схеме Км > и < 1 ( меньше и больше 1)
Интегрирующий ОУ
Он выполняет ф-цию интегратора входного сигнала (ф-цию интегрирования)
В схеме ; =>
=>
Если принять, что ∫ от лев. части = Uвых(t) и -R1Cо=Tи- постоянная времени интегрирования, то
,(интеграл от 0 до t).
Принцип действия интегратора поясним графически:
На вход подаются прям.импульсы длительности от 0 до t1 и от t2 далее
При подаче на вход прямого импульса на выходе будет формироваться напряжение = интегралу от пост.входного напряжения.
Т.к. Uвых не м.б. > питания в момент t’ происходит насыщение Uвых и это длится до t1. В момент времени t1 Uвх становится =0, при этом Uвых с пост.временем ti будет спадать до 0.
Дифференцирующий ОУ
Выполняет дифференцирование входного сигнала то есть на выходе формируется сигнал пропорциональный первой производной от входного сигнала.
В схеме (t) =
(t) = -
Исходя из принципа действия ОУ запишем (t) = -
Если обозначить - =Tg Tg – постоянная диффер-ия
(t) = Tg
Принцип действия дифференцирующего ОУ. Рассмотрим на графике.
Если на вход диф-его ОУ подать линейно нарастающее напряжение в интервале времени (0, ) в соответствии с принципом действия на выходе получим постоянные отрицательные напряжения.
Компаратор
Компаратор – устройство, на котором в системах автоматики выполняется сравнение 2 сигналов, какой из них больше. Схема компаратора:
Т.к. в схеме отсутствует обратная отрицательная связь (R0=∞), коэффициент масштабирования km тоже близок к 0. Поэтому входной сигнал Uo=Uвх-Uоп≈0. Принцип работы устройства: в момент, когда входные сигналы≈ между собой происходит переключение выхода в 0 или +Uпит. Принцип действия рассмотрим на графиках:
В соответствии с графиком в течение времени от 0 до t1
Uвых=+Uпит («1»). В интервале от t1 до t2 Uвых=0 («0»). На основе компараторов строятся шим-модуляторы.
Шим-модулятор преобразует значение аналогового напряжения (Uоп=) в соответствующую длительность импульса . Если изменять Uоп= на выходе модулятора получим прямоугольные импульсы соответственной длительности. В шим-модуляторах в качестве используется неизменяющееся пилообразное U. Uоп= - это то U, которое необходимо преобразовать в длительность импульса. Принцип действия шим модулятора на графиках:
Триггер Шмидта
В системах автоматики триггер Шмидта выполняет функцию релейного регулятора. Схема имеет вид:
В схеме действует положительная обратная связь по напряжению. Обратная связь-это передача в данном случае напряжения с выхода устройства на его вход. Обр. связь бывает положительная, если напряжение поступающее с выхода складывается с напряжением поступающим на вход. При отрицательной обратной связи напряжение поступающее с выхода вычитается из напряжения, поступающего на вход. В рассмотренной схеме напряжение с выхода через делитель R1 и R2 поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Напряжение положительной обратной связи Uпос снимается с R1. Это напряжение принимает 2 значения:
Принцип действия триггера Шмидта рассматривается на графиках:
Переключение происходит в момент приблизительного равенства переменного Uвых и напряжения положительной обратной связи Uпос
В интервале времени от 0 до t1 напряжение на инвертирующем входе меньше чем на неинвертирующем, следовательно Uвых положительное. Это состояние удерживается до тех пор, пока переменная Uвх не достигнет значения U2(Uпос). В момент совпадения произойдет переключение выхода на обратное состояние, т.е. - Uвых . Это состояние будет удерживаться до момента t2 , когда переменная Uвых сравнивается с U1 (Uпос). и т.д.
В результате для входного сигнала ( ~Uвх). Есть зона нечувствительности (сх. нереагирует на изменение вх. сигнала) .
Статическая характеристика триггера Шмидта имеет вид: