Elektrotechnika

 

3. DIÓDA AKO USMERŇOVAČ NF, VF SIGNÁLOV A  MALÝCH NAPÄTÍ

 

       Základná  funkcia diód  v týchto obvodoch je rovnaká ako v sieťových  usmerňovačoch. Rozdiel spočíva vo vlastnostiach spracovávaných signálov, sú to nf a vf signály alebo modulované  signály, s malými napätiami  a prúdmi.  Z uvedenej  oblasti použitia  vyplývajú požiadavky na diódy: vysoká medzná frekvencia tj. malé hodnoty  indukčnosti a kapacity, v niektorých aplikáciách sa vyžaduje čo najmenšie napätie diódy v priepustnom smere. Zapojenia diód v tejto kapitole sú rozdelené na 3 časti:

 –     usmerňovače harmonických signálov (detektory)

 –     usmerňovače - detektory modulovaných signálov (AM)

 –     usmerňovače veľmi malých napätí resp. ideálne usmerňovače

 

Usmerňovače nf a vf meracích prístrojov

 

       Aby niektoré prístroje na meranie napätia a prúdu mohli merať okrem jednosmerných aj striedavé veličiny, musia obsahovať usmerňovač. Väčšina prístrojov meria (ukazuje) efektívne hodnoty, výchylka je úmerná buď strednej hodnote alebo priamo efektívnej hodnote. V oboch prípadoch sú stupnice ciachované v efektívnych hodnotách. Existujú aj prístroje merajúce maximálnu (špičkovú) hodnotu napätí. Vo vf prístrojoch sa na meranie prúdu a predovšetkým napätia požívajú jednocestné usmerňovače s kondenzátorom nazývané detektory. Sú 2 typy detektorov: sériový a paralelný. Tieto voltmetre sa nazývajú diódové. Spracovávajú napätia od desatín voltu vyššie. Obsahujú jednosmerný elektronický voltmeter s detektorom. Väčšinou sa používa paralelný detektor ako sonda na meracom kábli prístroja. Pri meraní malých napätí sa napätie zosilní a potom usmerní.

 

Usmerňovače v nf prístrojoch:

 

Obr.3.1.1 Usmerňovače v nf  prístrojoch

R_P - predradný odpor

Pozn.: Usmerňovače nepotrebujú vyhladzovacie kondenzátory, pretože výchylka meracieho systému sa v dôsledku mechanickej zotrvačností ustáli na hodnote úmernej strednej hodnote alebo efektívnej hodnote prúdu (podľa typu meracieho systému). Najmenšie merané napätie býva niekoľko desatín voltu.

 

Detektor – sériový

 

Obr.3.1.2 Detektor sériový

 

       U₂ = U_1M ak je hodnota R veľká. R je vstupný odpor jednosmerného voltmetra a ten býva väčší ako 100 kΩ. Je to jednocestný usmerňovač s vyhladzovacím kondenzátorom s tým, že je v ňom použitá vf dióda a relatívne malá kapacita kondenzátora.

 

Poznámka: Z toho dôvodu je obmedzený frekvenčný rozsah smerom dole: f_d < x kHz. Keďže je na výstupe napätie približne rovné amplitúde vstupného napätia je to vlastne špičkový voltmeter (meria–ukazuje špičkovú hodnotu priebehu  napätia jednej polarity).

 

Vlastnosti:

R_vst=R/2, meraný obvod musí byť galvanický priepustný pre jednosmerný prúd, je citlivý na jednosmernú zložku vstupného napätia (veľkosť výstupného napätia sa zvýši o jednosmernú zložku).

               

Detektor paralelný

 

        Obr.3.1.3 Detektor paralelný

 

       Výstupné napätie ma len kladnú polaritu, veľké zvlnenie, jednosmerná zložka má hodnotu U_S = U_{1M ,} bez ohľadu na js. zložku vstupného signálu.

Vlastnosti:

R_vst=R/3, je necitlivý na jednosmernú zložku vstupného signálu, výstupné napätie je zvlnené pulzujúce so strednou hodnotou U_S = U_1M, meraný obvod nemusí byť galvanický priechodný.

 

Detektor amplitúdovo modulovaného signálu

 

Obr.3.1.4 Detektor amplitúdovo modulovaného signálu

f_m – modulačná frekvencia

f_n  – nosná frekvencia

f_n  >> f_m

      Je to vlastne zapojenie sériového detektora, ale teraz spracovávajúce amplitúdovo modulovaný signál. Časová konštanta vybíjania RC obvodu sa volí tak, aby bola menšia ako čas periódy najvyššej modulačnej frekvencie. Jednosmernú zložku z demodulovaného signálu odstráni filter. Na jeho výstupe je signál priamo úmerný modulačnému, preto sa tento detektor nazýva lineárny alebo detektor veľkých signálov. Detektor malých signálov sa nazýva kvadratický.

 

Presný detektor malých napätí

 

      Klasický detektor môže usmerňovať iba napätia väčšie ako je prahové napätie diódy. Usmernenie menších napätí je možné len po predchádzajúcom zosilnení signálu, napr. pomocou operačných zosilňovačov (OZ).

 

Obr.3.1.5 Presný detektor malých napätí

 

U₀  = U_d .A = (U_X -U_Y).A zároveň platí: U₀  = U_D+U_Y

Po usmernení v jednocestnom usmerňovači s vyhladzovacím kondenzátorom:

Uy=[A/(A+1)].U_XM–[U_D/(A+1)]U_XM  [A > 10⁴ až 10⁵ - zosilnenie OZ s otvorenou slučkou]

 

Je to presný špičkový detektor napätia alebo sa tiež toto zapojenie nazýva prevodník na špičkovú hodnotu napätia (môže teda merať aj amplitúdu impulzného priebehu).

 

Ideálna dióda (ideálny jednocestný usmerňovač)      

 

Obr.3.1.6 Ideálny jednocestný usmerňovač

 

       Je to modifikované zapojenie invertujúceho operačného zosilňovača so spätnou väzbou cez nelineárne prvky – diódy D₁, D₂ a rezistory R₁,R₂. Ak je U₁< 0, je dióda D₂ otvorená a D₁ zatvorená, lebo na výstupe OZ je malé kladné napätie U_D. Na výstupnej svorke 2 je nulové napätie invertujúceho vstupu privedené cez R₂.

Ak U₁ > 0, na výstupe OZ bude záporné napätie, D₂ bude zatvorená a D₁ otvorená. Teraz vznikne spätno-väzobný obvod: D₁ , R₂ , R₁, svorka vstupu 1. Pretože R₂  = R₁, je zosilnenie zosilňovača A_u= -1, potom U₂ = - U₁. Na rozdiel od klasického jednocestného usmerňovača spracováva obvod aj malé napätia pod prahové napätie diódy U_D. Výstupné napätie je proti vstupnému invertované. Prevodová charakteristika ideálnej diódy je lineárna, t.j. zapojenie potláča nelinearitu VACH diódy.

 

Usmerňovač ideálny – dvojcestný

 

Obr.3.1.7 Usmerňovač ideálny – dvojcestný

 

OZ₁ – invertujúci zosilňovač

OZ₂ – diferenciálny zosilňovač so zosilnením A_U = 1

Ideálny dvojcestný usmerňovač umožňuje usmerňovať aj malé napätia v rozsahu 0 až U_D a kompenzuje nelineáritu VACH diód. Zapojenie sa tiež nazýva prevodník na absolútnu hodnotu.