Читатели канала уже имеют ясное представление о логических микросхемах, а если они участвовали в наших затеях по созданию кварцевого калибратора или частотомера, то уже опробовали на практике применение немалого числа типов подобных микросхем. Мы использовали аналоговые микросхемы - в основном стабилизаторы напряжения. Ну, а сейчас мы получим первое представление о еще одной разновидности аналоговых микросхем, имеющих большое значение в современной электронике. Речь пойдет об операционных усилителях.
Что это такое? Говоря по-простому, это - усилитель со значительным коэффициентом усиления в несколько тысяч раз и имеющий 2 входа. Повышение входного напряжения на одном из них вызывает появление на выходе усиленного, опять же повышающегося выходного напряжения. Этот вход называется неинвертирующим. Усиление с другого входа имеет иной знак - повышение напряжения на нем вызывает, наоборот, понижение напряжения на выходе. Это - инвертирующий вход. Причем важной особенностью операционного усилителя (ОУ) является то, что, отличаясь только знаком, коэффициенты усиления и прочие характеристики входов очень близки друг другу. И вот эти не особо хитрые свойства дают возможность делать множество интересных вещей.
Начнем с простого. Подадим некое входное напряжение на неинвертирующий вход, а выход соединим с инвертирующим входом. (Цепей питания пока касаться не будем.) Всякое изменение напряжения на выходе в таком случае будет создавать мощнейшую 100% отрицательную обратную связь, так что никакого усиления по напряжению не получится. Так у нас получается аналог эмиттерного повторителя, который на выходе повторяет напряжение на входе, причем делает это точнее, чем знакомый вам каскад на одном транзисторе.
А если мы применим в цепи обратной связи делитель напряжения на 2 из двух одинаковых резисторов? Тогда схеме, чтобы снова прийти в баланс, понадобится создать на выходе вдвое большее напряжение. Так мы получим усилитель с коэффициентом усиления равным 2.
Сделав соотношение резисторов 9:1 мы получим коэффициент усиления ровно 10.
Все это - независимые от частоты схемы. (Точнее, чем меньше мы выставим коэффициент усиления, тем до большей частоты характеристика усилителя будет ровной.) Используя схемы с конденсаторами мы можем создавать более сложные частотные характеристики. Вот, например, этот усилитель четко держит режим по постоянному току, не давая никакого усиления, а переменные сигналы усиливает изо всех сил.
На ОУ возможно создавать фильтры, даже с довольно высокими характеристиками, генераторы, стабилизаторы и много других схем.
Как же все это выглядит ближе к "железу"? Первые операционные усилители были созданы еще в ламповую эпоху для аналоговых вычислительных машин. А когда были созданы технологии микроминиатюризации радиоэлектронных устройств, немедленно появились и ОУ в интегральном исполнении. Первые схемы были не особо удобны в применении. Например, они непременно требовали двуполярного напряжения питания да еще изрядной величины. Чаще всего это было два источника напряжением 15 В, один положительный относительно общего провода, другой - отрицательный. Многие из тогдашних микросхем имели невысокое входное сопротивление и требовали подключения внешних элементов балансировки и коррекции частотной характеристики. Так что справочные данные на них включали и типовую схему включения.
Но более современные микросхемы могут обойтись без всего этого. Так что типовую схему включения на них не дают, а, подобно логическим микросхемам, просто указывают цоколевку - где какой вход или выход. Но, что в первые годы применения таких микросхем, что сейчас, промышленность выпускает огромный их ассортимент. Есть ОУ с огромным входным сопротивлением, есть мощные, способные потянуть небольшой моторчик или лампочку накаливания, есть высоковольтные, есть высокоточные с отличной температурной стабильностью, есть прожорливые, но способные работать на частотах в десятки мегагерц, но есть и такие, что едва осиливают звуковые частоты, зато весьма экономичны. Есть микросхемы с двумя и даже с 4-мя ОУ в одном корпусе.
Как устанавливаются режимы этих микросхем по постоянному току? На рисунке ниже показан в более полном виде усилитель с рисунка 2 при двуполярном и обычном питании. Во втором случае приходится создавать искусственную среднюю точку. Всё-таки наличие двуполярного питания многое упрощает...
Но перейдем к практическому опробованию таких микросхем. Как вы уже заметили, автор стремится не плодить излишнюю разнотипицу применяемых деталей. Вот и в большинстве наших новых конструкций мы обойдемся одним типом - LM258. Это не очень мощная и быстродействующая, зато достаточно экономичная микросхема с двумя ОУ в одном корпусе. Так что можете смело заказывать на Али пакетик хотя бы с полдесятком таких микросхем. Какое-нибудь из их применений вас непременно заинтересует практически.
Одно из применений ОУ - в качестве компаратора, т.е. устройства, сравнивающего напряжения на двух его входах. Ведь понятно, что если на неинвертирующем входе напряжение будет выше, чем на инвертирующем, то напряжение на выходе устремится вверх - к напряжению питания. А если наоборот, то вниз - к минусу питания. Давайте сделаем на таком принципе светодиодный индикатор разрядки аккумуляторов к нашему КВ-приемнику или какому-нибудь иному устройству, питающемуся от 9 - 12 В батареи!
Наша приставка создаст этакий светофор из трех светодиодов, только расположенных в обратном порядке - зеленый сверху. Свечение зеленого показывает хороший запас энергии, переключение на желтый - его значительное исчерпание и желательность зарядки. Зажигание же красного требует немедленной зарядки аккумулятора. Пороги переключения для питания нашего приемника от батареи из двух литий-ионных аккумуляторов целесообразно установить в 7,9 и 7,5 В. Эти же пороги годятся и для питания приемника от шести обычных гальванических элементов. Для батареи из трех литий-железо-фосфатных аккумуляторов целесообразно установить пороги в 9,4 и 8,4 В.
Итак, устройство должно содержать некий источник опорного (стабилизированного) напряжения для сравнения. Применим простейший стабилизатор на резисторе R1 и светодиоде VD1. Как вы помните, вольтамперная характеристика светодиода довольно нелинейна, так что здесь он используется в качестве стабистора. Выводить на лицевую панель его не надо. Поэтому мы дали светодиоду обозначение, как обычному диоду. Впрочем, вы можете использовать и настоящий стабилитрон на напряжение в 2,4 В, например невыговариваемого типа BZV55-B2V4, только полярность его включения должна быть обратной (стабилитроны работают на обратной ветви ВАХ, если вы помните).
Это стабилизированное напряжение подается на инвертирующие входы обеих ОУ, входящих в микросхему. А на неинвертирующие входы для сравнения подается напряжение, меняющееся при изменении напряжения питания. Пороги срабатывания компараторов устанавливаются переменными резисторами. Эти цепи представляют собой регулируемые делители напряжения. Это значит, что они делят не только сами напряжения, но и их изменения. А для наиболее четкого и резкого воздействия на компараторы было бы желательно не делить, а вычитать избыток. Отчасти это делается диодом VD2, в качестве которого можно применить любой кремниевый диод. Можно даже поставить вышеупомянутый стабилитрон в прямом включении, то есть в такой же полярности, как показано на схеме.
Итак, при максимальном напряжении срабатывают оба компаратора, выдавая высокое напряжение на своих выходах, которое зажигает HL1. При снижении напряжения аккумулятора левый компаратор переключается в низкое напряжение на выходе. Поскольку на правом компараторе напряжение еще остается высоким, то этот "перекос" зажигает включенный в соответствующей полярности HL2. При дальнейшем снижении напряжения и правый компаратор тоже переключается в низкое напряжение на выходе. В таком режиме светится только HL3, включенный между его выходом и плюсом питания.
Настройка устройства проста: установив на источнике питания (например, блоке питания с потенциометром сопротивлением не более 1 кОм) напряжение верхнего порога переключения, выведите вращением подстроечного резистора R3 левый компаратор на порог включения/выключения зеленого HL1. Затем установите питание по нижнему порогу срабатывания и резистором R5 выведите правый компаратор на порог зажигания красного HL3. (Пожалуй, нам с вами надо будет заняться лабораторным блоком питания с плавно регулируемым выходным напряжением, защитой от перегрузок и прочими делами.)
Для экономичности устройства возьмем самые маленькие светодиоды диаметром в 3 мм. Устройство потребляет ток не более 2 мА. При использовании его для слежения за 12 В аккумуляторами ток потребления может вырасти до 3 мА. Вы можете подбирать для себя одинаковую и наиболее удобную яркость свечения светодиодов путем подбора резисторов R6 - R8. Устройство может использоваться и для контроля 6 В батарей. Правда тут придется подкорректировать сопротивления токоограничивающих резисторов к светодиодам. Однако не снижайте сопротивление резисторов ниже 2 кОм - это минимально допустимая величина нагрузки для данной микросхемы.
Чертеж печатной платы приведен ниже. Возможно, вам придется его самостоятельно скорректировать под конфигурацию тех подстроечных резисторов, которые у вас окажутся. Благодаря высокому входному сопротивлению примененного ОУ их сопротивление не особо критично и может отличаться вдвое в любую сторону. Важно только, чтобы сопротивления постоянных резисторов R2 и R4 были примерно им равны.
Честно говоря, небольшой вольтметр на стрелочных индикаторах от советских магнитофонов был бы и экономичнее, и информативнее. Но их сейчас уже затруднительно достать. Кроме того, предлагаемая схема занимает меньше места на лицевой панели, больше обращает на себя внимание, особенно в темноте, и нечувствительна к тряске и ударам.