GUIDE: Slik funker OPAMPen. Forskjellige koblinger

[St Thicket]

Grunnleggende

Introduksjon

OPAMP er noe av det mest praktiske man har når man skal lage elektronikk. Den kan benyttes til alt fra forsterkere til filter, og også regulatorer. Fordelen med å benytte opamper er at de er billige å bruke, og man sparer konstruksjonstid.

 

Denne tråden skal ikke være en direkte lærebok om opampen, men heller et opslagsverk for deg som funderer på enkle koblinger til dine små prosjekter.

 

OPAMPens egenskaper

Opampen er en forsterkerkrets som er bygd opp av transistorer. I motsetning til transistorer som er ulineære, er en OPAMP konstruert slik at den er lineær, og derfor er den perfekt til å konstruere spenningsforsterkere. Derimot er den ikke spesielt god til å levere strøm, så den er ikke egnet som effektforsterkning. Da trenger man transistorer...

 

En opamp trekker ikke strøm på inngangene, og utgangen leverer heller ikke særlig mye strøm. I en vanlig forsterkerkobling går strømmen normalt gjennom tilbakekoblingen. For de som kan litt reguleringsteknikk er en tilbakekobling en måte å "temme" kretsen på. Man benytter tilbakekoblingen til å "trekke fra" litt forsterkning for å øke båndbredde og for å begrense forsterkningen. En opamp kan feks ha en forsterkning på feks 10 000 ganger eller mer hvis man ikke benytter tilbakekoblingen. Med en slik forsterkning vil man få en betraktelig begreset båndbredde.

Her ser du et eksempel på forsterkning (gain) i forhold til bandbredde (BW) og inngangsresistans (Rin).

 

Mye av informasjonen jeg viser her er ting jeg har sakset ut av ting jeg har funnet. Jeg orker med andre ord ikke å reprodusere ting som allerede er tilgjengelig på internett.

 

Forsterkerkoblinger

 

Inverterende forsterker

Klikk for å se/fjerne innholdet nedenfor

Dette er den vanligste forsterkeren, ettersom den er den enkleste å koble opp. Forsterkningen bestemmes ut fra R1 og R2. Det finner du ut fra formelen. Det er verdt å merke seg at utgangssignalet som kommer ut vil være 180 grader forskøvet i forhold til inngangssignalet.

 

 

Ikkeinverterende forsterker

Klikk for å se/fjerne innholdet nedenfor

Dette er også blant de vanligste forsterkerne. Den skiller seg fra den inverterende med at den ikke har faseforskyvning på utgangssignalet i forhold til inngangssignalet.

 

 

Differanseforsterker

Klikk for å se/fjerne innholdet nedenfor

Dette er en fin forsterker når man kun trenger differansen mellom to signaler. Den har også mulighet for å forsterke opp differansen, slik at utgangssignalet er proposjonalt med differansen mellom inngangssignalene.

 

 

Inverterende summerende forsterker

Klikk for å se/fjerne innholdet nedenfor

Denne forsterkeren summerer flere spenninger. Dette er en fin måte å summere spenninger uten å påvirke kilden, og for å få en stabil summasjon. Inngangsresistansene bør være store for å unngå stort strømtrekk fra kilden.

Utgangssignalet vil være 180 grader forskøvet i forhold til inngangssignalet.

 

 

Ikkeinverterende summerende forsterker

Klikk for å se/fjerne innholdet nedenfor

Som ovenfor, bare at utgangssignalet ikke er forskøvet.

 

 

Spenningsfølger (Buffer)

Klikk for å se/fjerne innholdet nedenfor

Denne koblingen benytter man hvis man skal benytte et signal uten å påvirke kilden. Utgangssignaler et identisk med inngangssignalet, både spenning og fase.

 

2. ordens filter

 

Introduksjon

Passive filtre er ofte 1. ordens. Det vil si at de ikke demper uønskede frekvenser like godt som feks høyere ordens filtre. Ved å benytte OPAMPer kan man øke antallet "knekkfrekvenser" altså øke ordenen. Ved å benytte en opamp kan man få et 2. ordens filter. Ved å benytte flere opamp-koblinger kan man øke til feks 4-ordens eller høyere.

 

Design av filterkoblinger

Klikk for å se/fjerne innholdet nedenfor

NorthWave kom over en link til et filterverktøy fra Analog Devices. Dette verktøyet tar av seg all utregning for opp til 8-ordens filter.

 

Her kan du lage høypass-, lavpass- og båndpassfilter på en enkel måte. Bare tast inn knekkfrekvensen(e) og så velge type filter som feks Bessel eller Butterworth, og så velge hvilken orden man ønsker. Med orden menes hvor mange -20db-knekker man ønsker, og en vanlig sallen-key-kobling har 2 slike knekkfrekvenser. Jo høyere orden, jo bedre filtrering, men større faseforskyvning og flere kretser. For vanlig audio er det sjeldent behov for mer enn 2. ordens...

 

Filtertype: Bessel

Dette er et filter som skal være mest mulig lineær i faseendringen.

 

Filtertype: Butterworth

Dette er et filter som prøver å ha flatest mulig matematisk frekvensrespons.

 

Filtertype: Chebyshev

Dette er et filter som har en brattere demping av frekvenser. Det vil si at man ved hjelp av å flytte polene på en måte som skaper oversving (målt i dB) kan man ha best mulig frekvensrespons frem til selve hovedknekkfrekvensen. Når man velger Chebyshev-filter må man bestemme seg for hvor stort oversving man ønsker, hvor 0,01 dB vil si lite oversving, og 1 dB betyr mye oversving. Mye oversving vil forandre frekvensresponsen til et system.

 

Det finnes flere filtertyper, men de nevnt ovenfor er de mest vanlige og mest anvendelige.

 

Filterkobling

Den mest vanlige filterkoblingen med 2. ordens knekkfrekvens er Sallen-Key. Illustrert nedenfor

 

Prosedyre for å beregne filteret ved hjelp av filterverktøy fra Analog Devices:

- Velg Lavpass/høypass/båndpass, inkludert knekkfrekvens

- Velg filtertype og orden

- Det vil komme opp verdier i "stages"-vinduene. Ett "stage" er en opampkobling

- For hver "stage" kan du velge forsterkning, og en motstandsverdi, og en kondensatorverdi. De andre verdiene beregnes ut fra hvilke grunnverdier du har valgt. Verdiene er listet opp under koblingsskjemaet.

- Ved å trykke "mag-phase" kan du se filterets frekvens- og faserespons

 

PID-regulator

Enkelt fortalt er en PID regulator en regulator som ikke bare tar hensyn til endringer som skjer akkuarat nå, men som også tar hensyn til fremtidig og tidligere endringer.

 

En PID-regulatror er i grunn sammensatt av følgende forsterkerkoblinger:

Proposjonalforsterker: Dette er P'en i regulatoren, og øker signalet proposonalt til endringen i signalverdien

Intergratoren: Dette er I'en i regulatoren, og sender ut den intergrerte verdien av signalendringen

Derivatoren: Dette er D'en i regulatoren, og sender ut den deriverte verdien av signalendringen

 

For å samle disse signalene må dette summeres i en summeringsforsterker.

Se koblingen i den skjulte boksen:

Klikk for å se/fjerne innholdet nedenfor

 

En slik PID-regulator kan så kobles i en krets for styring av feks varmovn, motor, ventil, osv. Felles er at man må ha en sensor som gir tilbakemelding på feks temperatur, hastighet, gjennomstrømning osv.

Se eksempelkretsen i den skjulte boksen:

Klikk for å se/fjerne innholdet nedenfor

For nærmere informasjon om PID-regulatoren, klikk her

For mer teori om PID-regulatoren, klikk her

 

 

Kilder

http://www.phy-astr.gsu.edu/nelson/AN-31.pdf

http://ourworld.compuserve.com/homepages/B...owden/opamp.htm

http://www.elfa.se/no

http://www.analog.com/Analog_Root/static/t...ter/filter.html

http://www.ecircuitcenter.com/Circuits/op_pid/op_pid.htm

Endret 7. november 2007 av St Thicket

[ArtDeco]

Jeg synes emnet er interessant, bare fortsett du.. Håper på noen riktig kjedelige forelesninger fremover.

[St Thicket]

Jeg synes emnet er interessant, bare fortsett du.. Håper på noen riktig kjedelige forelesninger fremover.

7281929[/snapback]

 

Hehe... har digitalteknikk nå. Foreleseren er en tørrpinne av dimensjoner, så jeg klarer ikke å følge med

[stianj]

Hehe... har digitalteknikk nå. Foreleseren er en tørrpinne av dimensjoner, så jeg klarer ikke å følge med 

7281961[/snapback]

 

Du går ikke tilfeldigvis på HIB? I så fall tror jeg at jeg vet hvem du snakker om

[St Thicket]

Du går ikke tilfeldigvis på HIB? I så fall tror jeg at jeg vet hvem du snakker om

7282074[/snapback]

Joda... Du er skarp du

[Pingla]

Det meste man trenger å vite om OPAMPen finnes her:

http://en.wikipedia.org/wiki/Operational_amplifier

Med linker til mange andre bruksområder for OPAMPen.

[lambiks]

Ser ut som en veldig god guide det her!

[jonnor]

For konstruksjon av filtere føler jeg at denne siden er et absolutt must.

http://www.analog.com/Analog_Root/static/t...ter/filter.html

 

Det er verdt å notere seg at en enkel operasjonsforsterker faktisk er konstruert ganske likt som en komplett AB-audioforsterker.

Ville også tatt med i guiden litt om split-mode vs single supply.

Ellers mye bra, jeg har lenge gått med tanken på å lage en sikkelig elektronikkguide her på forumet, men det har blitt ved tanken foreløpig.

[St Thicket]

Den siden var skikkelig nais! Jeg tenkte å linke til et dos-program som gjorde samme jobben, men den her var "jolly much better"... med chebychev, bessel og butterworth til og med! *sikle*

 

Skal se om jeg får dyttet inn litt mer teori i løpet av morgendagen.

Takk for link

[Mikkel194]

Her er enda en god side om operasjonsforsterkere. http://www.uoguelph.ca/~antoon/gadgets/741/741.html

[Behydro]

Nice nice..... Bra at folk tar seg tid til å lære opp folket

[St Thicket]

Da er alt oppdatert. Finner dere feil eller mangler må dere bare si fra!

[jonnor]

Hadde vært supert om du la alt inn i forskjellige spoilere.

Passende tittler vil kanskje være: Grunnleggende, Forsterkerkoplinger og Filterteknikk ?

[St Thicket]

Snart er det 1 år siden jeg startet tråden. Tiden går jaggu fort!

 

Jeg har nå gjort en liten oppdatering i tråden for å inkludere PID-regulering ved hjelp av opamper... vel bekomme

 

Kom gjerne med kommentarer!

[Nedward]

Fin guide!.

 

Det finnes noen koblinger som lar deg bruke én OPAMP til PID-regulering. Skal se om jeg finner skjema på den.

 

Edit: Her er den. Riktignok noe håndtegnet, men man ser prinsippet. dessverre sto det ikke noe på siden om hvordan den fungerer, men jeg "kom over" det i en bok som ligger på jobb, skal se om jeg får notert det i morgen.

Endret 7. november 2007 av Dj_eLmO

[jonnor]

Det burde vurderes å opprettes en sticky "nyttige tråder innen elektronikk", så kan vi samle generell informasjon om butikker, programmer, teorisider og linker til feks denne tråden og St Thickets tråd om IC pakker, samt LED osv.

Dette vil forhåpentligvis stimulere til mer aktivitet, og kanskje andre blir motivert til å skrive små artikler, howtoos, tråder også.

 

EDIT: dersom andre synes dette er en god idè kan jeg godt opprette tråden, og kontakte administrator.

Endret 8. november 2007 av NorthWave

[Nedward]

Må si meg enig med NorthWave. Det er bedre å ha en "Nyttige tråder innen elektronikk", enn at generelt nyttige tråder drukner og forsvinner.

[St Thicket]

Jeg har også opprettet en liknende tråd tidligere, men det var liten interesse for den...

 

Min motivasjon for å skrive slike tråder er at det skal være til nytte for hobbyfolkene. Det aller beste hadde vert å fått en sticky med oversikt over slike tråder. Jeg bruker mine egne tråder som oppslagsverk stadig vekk, så det hadde vert kjekt å slippe å lete seg frem til dem.

 

Ta gjerne tak i dette NorthWave!

 

EDIT: typo

Endret 9. november 2007 av St Thicket