3. Differentiaalivahvistin (error amplifier)


Differentiaalivahvistini ohjaa virtavahvistinta niin että ulostuleva jännite pysyy vakiona. Alla olevassa kuvassa on esitetty sen  periaatteellinen toiminta. Sitä voidaan kuvata myös sanalla virhevahvistin (error generator).
diff amp
Ulostuleva jännite ohjaa operaatiovahvistinta, jossa toisessa sisäänmenossa on vakiojännite. Se miten vakiojännite muodostetaan ei ole tässä kuvassa oleellista, mutta se voi olla zenerdiodi. Operaatiovahvistin muodostaa sisäänmenoista erotusjännitteen. Hyvin pieni jännite-ero sisäänmenossa muodostaa suuren jännite-eron ulostulossa. Riippen siitä kumpi sisäänmenojännite on suurempi, kumpi pienempi, operaatiovahvistimen ulostulossa jännite nousee tai laskee. Tällä ohjataan virtavahvistinta niin, että operaatiovahvistimen sisäänmenoihin saadaan sama jännite. Tätä kutsutaan takaisinkytkennäksi (Feedback). Mitä suurempi on operaatiovahvistimen vahvistuskerroin, sitä tarkemmin ulostuleva jännite pysyy vakiona.

Yksinkertaisin virtalähde ilman takaisinkytkentää voidaan kuvata seuraavassa näin. Zenerdiodi toimii siinä vakiojännitelähteenä.  
simple power
Zenerjännite on ulostulevaa jännitettä 0,7 V korkeampi koska kanta-emitteri-välin jännite-ero on 0,7 volttia. Kuormitettaessa ulostulo näkee zenerin rinnalla olevan kondensaattorin kerrottuna transitroin virtavahvistuksella eli hFE x C. Kun tuollaisen helpon virtalähteen kuormitus on korkeintaan ampeerin, transistorin virtavahvistus voi olla noin 100. Tässä tapauksessa 1000 uF kondensaattori näkyy ulostulossa satakertaisena eli 100 mF. Luonnollisesti ilman takaisinkytkentää jännite notkuu jonkinverran kuormitettaessa. Myöskään tuollaisessa kytkennässä ei ole säätömahdollisuutta. Jännite riippuu vain zeneristä. Vastus R ei voi olla kovin suuri zenerin häviötehon takia, josta johtuu myös ulos saavan virran pienuus kun ohjausta kannalle ei saada riittävästi. Tilannetta parantaa vaihtamalla transistori darlingtoniksi.

Zenerin kuormitusta voidaan vähentää kytkemällä sen rinnalle transistori. Transistori voi olla isotehoisempi kun se ottaa suurimman kuorman. Kytkentä on helppo ja toimii monessa käytössä ihan hyvin. Vastus R3 rajaa saatavan virran. Nyt sen arvoa voidaan pienentää, jolloin ulos saatava virta on suurempi.

parempi simple

Takaisinkytkentä voidaan muodostaa hyvin yksinkertaisesti muutamalla lisäkomponentilla ja kehittämällä edellistä kytkentää sekä vaihtamalla tehotransistori PNP-tyyppiseksi.
viela parempi
Transistorit T1 ja T2 muodostavat differentiaalivahvistimen, kun ne kytketään kollektoreistaan yhteen. Vasemmanpuoleisen transistorin kannalla oleva zener on hyvin vakaa kun sitä kuormitetaan vain vähän. Kondensaattori sen rinnalla takaa ettei jäännös rippelistä juurikaan näy ulostulossa emitterillä. Emitterivastus R2, transistori ja tehotransistorin emitteri-kanta-vastus Re muodostavat virtaketjun, joka syöttää tarvittavan virran tehotransistorin kannalle. Vastukset on valittava niin, että tehotransistorin emitterin ja kannan välille syntyy maksimikuormituksella 0,7 tai sen päälle oleva jännite. Differentiaalivahvistimessa oleva emittereiltä maahan yhdistetty vastus R2 pitää valita siten, että siinä kulkeva virta = ulostulovirta jaettuna tehotransistorin virtavahvistuskertoimella (hFE). Jos vastus on liian suuri, suurinta haluttua ulostulovirtaa ei saavuteta. Se toimii siis myös virtarajoituksena. Jos halutaan kytkentään virtarajoitus, transistorin T1 kollektorille voi lisätä vastuksen, jolla säätövirtaa rajoitetaan. Vastuksen arvoa ei voi suoraan laskea, joten kannattaa laittaa paikalle trimmerivastus.

Differentiaalivahvistimessa oikeanpuoleinen transistori seuraa ulostulojännitettä. Kun jännite nousee yläpuolelle tavoitearvon, emitterillä oleva jännite nousee, jolloin se tukkii virtaa syöttävän transistorin. Jos se taas laskee alle tavoitearvon, virtaa syöttävä transistori päästää säätövirtaa tehotransistorin kannalta maihin. Tässä tapauksessa kytkentään voidaa lisätä jännitesäätö käyttämällä oikeanpuoleisen transistorin kannalle tulevassa seurantajännitteessä trimmeriä tai potentiometriä R1.

Operaatiovahvistin differentiaalivahvistimena


 Peruskytkentä voisi olla seuraavan kuvan kaltainen.


opamp-diff-1

Kytkennässä oleville komponenteille on muutamia reunaehtoja. Ensinnäkin käytettävän operaatiovahvistimen pitää olla niinsanottu Rail to Rail -tyyppinen. Se tarkoittaa sitä että ulostulevan jännitteen rajat ovat käytännössä käyttöjännitteen ja maan välillä. Bipolaarinen operaatiovahvistin on tässä suhteessa huonompi koska ulostulossa jänniterajat jäävät noin 1,5
volttia ääripäistä. Toinen reunaehto johtuu operaatiovahvistimen ulostulon impedanssista eli kyvystä syöttää virtaa. Kun tehotransistorina käytetään PNP-darlingtonia, virransyöttö riittää pienissä virtalähteissä. Operaatiovahvistimen oman käyttövirran syöttö pitää muodostaa erikseen tulojännitteestä, jolloin saadaan riittävä jännitealue hallintaan. Jännitteen heilumisen vähentämiseksi kannattaa lisätä diodi ja kondensaattori kuvan mukaisesti.

Operaatiovahvistimen erittäin suuren jännitevahvistuksen johdosta kytkentä voi olla epästabiili. Virtalähteen ulostuloon on hyvä laittaa kondensaattori (10 – 100 uF) tai sitten rajoitetaan operaatiovahvistimen vahvistusta takaisinkytkennällä seuraavasti:

takaisinkytketty opamp

Kytkentää voi muokata ja käyttää P-tyypin tehofettiä lisäämään virtavahvistusta (seuraava kuva). Samalla ei operaatiovahvistimen virrakäsittelykyvylle aseteta suuria vaatimuksia. P-tyypin tehofetti on siitä mukava, että se avataan vetämällä kantaa miinukselle 2,5 – 3 V. R2 voi olla eesimerkiksi 10 kilo-ohmia, R5 100 kilo-ohmia ja R4 100 – 560 ohmia. Pienentämällä R5:n tai lisäämällä R4:n arvoa vähennetään operaatiovahvistimen vahvistusta. En ole kytkentää koskaan kokeillut, mutta periaatteessa se toimii.
opamp-fetpower

Kun käytetään P-tyypin tehofettiä, päästään hyvin pieneen Vin – Vout -jännite-eroon. S-D-väli ei ole samalla tavalla jännitteestä riippuvainen kuin transistorilla. Se on tavallaan säätövastus, jossa ylimenojännite voi olla hyvinkin pieni. Täysin avatun tehofetin S-D-välin vastus voi olla milliohmeja.

Tehofetit ovat yleensäkin erittäin käyttökelposia, koska ne ovat halpoja, suuritehoisia ja luotettavasti toimivia. Kun pipolaaritransistori muodostuu kahdesta diodista (periaatteessa), niin fetti on säädettävä vastus, jonka resistanssia säädetään hilajännitteellä. Eri käyttötarkoituksiin voi valita joko N-tyypin (D plussalla) tai P-tyypin (D miinuksella).

Mallinnuksessa löytyy vielä yksi lupaava rakenne, joka ei myöskään ole operaatiovahvistimen ulostulotehon suhteen niin kranttu (seuraava kuva).

N-fet-opamp-teho

Operaatiovahvistin ohjaa N-tehofettiä, jonka kautta säädetään virtavahvistimen toimintaa. Kun N-fetti kääntää vaiheen 180 astetta, operaatiovahvistimen ottonavat pitää vaihtaa. Nyt otetaan takaisinkytkentä invertoivasta sisäänmenosta (-) ja jännitereferenssi on ei-invertoivassa (+). En ole tuota mallia koskaan kokeillut, mutta mallinnus kertoo, että se toimii. Rail-to-Rail-operaatiovahvistin toimii erittäin hyvin tasolla, jossa fetin hilan säätöjännite liikkuu alueella 2,5 – 3,5 volttia. Fettinä kelpaa aivan hyvin vaikkapa IRF510 tai pienempitehoinen IRF110 tai IRFR020. Kaikki nuo antavat virtaa muutaman ampeerin, jota ei kuitenkaan tarvita. NPN-tehotransistori voi olla kasattu useasta yksilöstä, jolloin emittereille tulee laittaa noin 0,1 ohmin vastus. Jos transistoreissa esiintyy taipumusta vuotovirtaan, kannattaa laittaa esimerkiksi 1 kilo-ohmin vastus PNP-transistorin kollektorin ja ulostulolinjan väliin.

Toiminta yksinkertaisesti esitettynä.


Virtakytkimen sulkemisen jälkeen operaatiovahvistin saa toimintajännitteen. Samaan aikaan referenssijännite lataantuu. Ulostulossa ei ole jännitettä, jolloin operaatiovahvistin invertoivan sisäänmenon käskystä nostaa ulostulojännitteen lähelle sisäänmenojännitettä. Fetti aukeaa ja ohjaintransistorin kannalta virta kohti maata alkaa. Se aukeaa ja syöttää samalla virtaa tehotransistorien kannalle. Ne aukeavat ja ulostulossa oleva kondensaattori alkaa latautua. Kun ulostulojännite saavuttaa asetusarvon, invertoivan nastan jännite ylittää hetken jännitereferenssin arvon. Ulostulossa jännite putoaa kohti maata ja fetti alkaa sulkeutua. Muutaman pienen heilahduksen jälkeen ulostulossa on asetusarvon mukainen jännite ja virtalähde valmiina käyttöön.

Kytkennässä on operaatiovahvistimen jännitevahvistus asetettu vastuksilla tuhatkertaiseksi 100 kOhm/100 ohm). Se voi olla pienempikin. Zenerin jännite pysyy suhteellisen hyvin vakiona kun sitä ei kuormiteta. Se reagoi vain lämmölle, mutta tuskinpa sitä kannattaa sen paremmin stabiloida.

Käytännössä zenerin arvot voivat olla noin puolet ulostulevasta jännitteestä. Kytkennässä vastus R1 toimii virtarajoituksena. Kun sitä suurennetaan, maksimivirta pienenee ja päinvastoin. Vastusarvoa kannattaa kokeilla laittamalla väliaikaisesti sen paikalle potentiometri ellei sitten halua pitää sitä säädettävänä. Vastuksen arvoa ei voi etukäteen määrittää tarkkaan, koska se riippuu PNP-transistorin vahvistuksesta.

Seuraava sivu
paluu alkuun