نکاتی در باب تغذیه متقارن تقویت‌کننده‌های عملیاتی

قریب به یقین بسیاری از اصحاب الکترونیک به برق DC نیاز دارند. به طور معمول، ما یک کابل، با دو سیم قرمز و مشکی را از منبع تغذیه DC یا باتری به مدار وصل می‌کنیم تا برق DC را تامین کنیم. علاوه بر این، منابع تغذیه پیچیده‌ و کمی پیچیده هم در دنیای الکترونیک وجود دارند. به عنوان مثال، منبع تغذیه مثبت (+6 ولت) و منفی (-6 ولت) برای نیازهای خاص نیز وجود دارد. ممکن هست برای یک تازه‌کار این سوال مطرح باشد که منبع تغذیه +6 ولت (6 ولت مثبت) و -6 ولت (منفی 6 ولت) کجا استفاده می‌شود؟ و چرا صفر و 12 ولت بکار نمی‌رود؟ پاسخ آن این هست که برخی از مدارها کار نمی کنند، مگر اینکه ولتاژ مثبت و منفی اعمال شود.

تقویت کننده های عملیاتی برای کار کردن به هر دو پتانسیل مثبت و منفی نیاز دارند.

برخی از تقویت کننده‌های عملیاتی که اغلب در پروژه‌های الکترونیکی آنالوگ ظاهر می‌شوند، به هر دو ولتاژ مثبت و منفی نیاز دارند. بهتره از این پس به جای مثبت و منفی، و برخلاف منبع تغذیه تک ولتاژ، منبع تغذیه دوگانه یا قرینه بنامیم.

شکل 1، طرح پین تقویت‌کننده عملیاتی NJM4558D را که به ولتاژ دوگانه نیاز دارد، نشان می‌دهد.

پیدا است، در تخصیص پین‌های NJM4558D، پایه 4 دارای برچسب "-Vcc" و پایه 8 با برچسب "+Vcc" بوده که یعنی یک زمین مجازی (GND) نیز برای مداری که در آن استفاده شده در نظر گرفته شده است. در نتیجه به عنوان مثال میتوان -6V روی پایه 4 و +6V را  به پایه 8، با GND مجازی در مدار، به عنوان نقطه مرجع اعمال کرد.

یک منبع تغذیه معمولی با ولتاژ ثابت، دارای دو پایانه قرمز (مثبت) و مشکی (منفی) است که البته ولتاژ ترمینال قرمز نسبت به ترمینال مشکی در نظر گرفته می‌شود. از آنجایی که خروجی این منبع تغذیه، فقط دارای یک ولتاژ مثبت است، حتی اگر آن ولتاژ مثبت به +Vcc تقویت کننده عملیاتی اعمال شود، به دلیل آنکه ولتاژ منفی -Vcc اعمال نمی‌شود، امپ کار نخواهد کرد.

شکل 1- پایه‌های NJM4558D

شاید در بیشتر مدارهای الکترونیکی، تقویت‌کننده‌های عملیاتی توسط منابع تغذیه تک ولتاژ معمولی کار کنند، و نه منبع تغذیه خاص، و اگرچه توضیح دادم که هر دو ولتاژ مثبت و منفی برای تقویت‌کننده‌های عملیاتی مورد نیاز است، اما در واقع راه‌هایی برای کارکرد تقویت کننده عملیاتی با یک منبع ولتاژ واحد نیز وجود دارد.

(1) از تقویت‌کننده‌های عملیاتی استفاده کنید که با یک ولتاژ کار می‌کنند. (شکل 2)

تقویت‌کننده‌های عملیاتی اساساً با هر دو ولتاژ مثبت و منفی کار می‌کنند، اما برخی از آنها تنها با یک ولتاژ مثبت کار می‌کنند. اگرچه عملکرد آنها نسبت به تقویت‌کننده‌های عملیاتی که با ولتاژهای مثبت و منفی عرضه می‌شوند پایین‌تر است، اما در مدارهایی که هنوز هم می‌توانند خواسته ما را بدون مشکل اجرا کنند، مفید هستند.

(2) مداری اضافه کنید که بتواند به عنوان منبع ولتاژ دوگانه یا قرینه در نظر گرفته شود.

حتی یک تقویت‌کننده عملیاتی که به هر دو ولتاژ مثبت و منفی نیاز دارد، مانند آنچه در شکل 1 نشان داده شده است، می‌تواند تنها با یک منبع ولتاژ مثبت تغذیه شود، به شرطی که بتوان با مداری اضافی، ولتاژهای مثبت و منفی را ایجاد کرد.

(3) یک منبع ولتاژ دوگانه یا قرینه مستقل برای ولتاژهای مثبت و منفی بسازید.

یک مدار منبع تغذیه قرینه مستقل بسازید و ولتاژهای مثبت و منفی را از آن مدار به تقویت‌کننده عملیاتی اعمال کنید. در اصل ساده است، اما نیاز به کار زیادی دارد. در این فرسته به توضیح این منبع تغذیه قرینه مثبت و منفی می‌پردازم که در آزمایش‌های تقویت‌کننده عملیاتی مفید است.

شکل 2 نمودار تخصیص پین LM358 را نشان می‌دهد، یک تقویت‌کننده عملیاتی همه منظوره که با یک تغذیه تک ولتاژ کار می‌کند. تخصیص پین با تقویت‌کننده عملیاتی نشان داده شده در شکل 1، یکسان است. به جز پین های زرد 4 و 8 که مشخصات متفاوتی دارند. به نظر می‌رسد منبع تغذیه تک ولتاژ ثابتی که معمولا استفاده می‌شود برای تغذیه کافی باشد.

شکل 2- تقویت‌کننده عملیاتی با تغذیه تک ولتاژ

شاید بهتر می‌بود، همه تقویت‌کننده‌های عملیاتی از ابتدا با یک ولتاژ کار کنند، اما با افزودن یک ولتاژ مثبت و منفی می‌توان عملکردی را مشاهده کرد که در تغذیه تک ولتاژ قابل دستیابی نیست.

شکل 3- مدار مقسم ولتاژ با دو مقاومت

مدار ساخته شده با دو مقاومت در شکل 3 را ببینید. اجازه بدید مقادیر مقاومت R1 = R2 باشد. R1 و R2 می توانند 1 اهم یا 10 کیلو اهم یا هر مقدار دیگری باشند. پروب سیاه ولتمتر را در نقطه میانی (C) و پروب قرمز را در نقطه A قرار دهید و ولتاژ بین A و C را اندازه بگیرید. VA-C = 6.9 V را که نصف 13.8 ولت است، خواهید دید. سپس پروب سیاه در همان محل باقی بماند اما پروب قرمز را روی نقطه B قرار دهید. مجدد ولتمتر دیجیتال VB-C = - 6.9 V را نشان می‌دهد. دیدیم که از دو مقاومت می توان برای ایجاد منبع تغذیه  6.9 ولت مثبت و منفی استفاده کرد.

بدون اتصال بار بین A و C و B و C، ولتاژ یکسان در VA-C و VB-C ظاهر می‌شود، اما زمانی که بارهای مختلف متصل می‌شوند، VA-C و VB-C ولتاژهای متفاوتی تولید می‌کنند. این مدار در صورتی قابل استفاده است که بارهای متصل به خروجی یکسان یا تقریباً یکسان باشند. شوربختانه، با بارهای بسیار متفاوت صحیح کار نمی‌کند، زیرا مدار ولتاژهای متفاوتی را در خروجی بروز می‌دهد.

نحوه اجرای تقویت‌کننده‌های عملیاتی با یک منبع ولتاژ

مدار زیر از مقاله‌ای در مورد تقویت‌کننده‌های عملیاتی در وب گرفته شده که مدارهای اصولی برای یک مدار غیر وارون و یک مدار وارون هستند که از ولتاژهای DC مثبت و منفی استفاده می کنند.

شکل 4- مدار اصولی تقویت‌کننده‌های عملیاتی وارون و ناوارون با دو ولتاژ مثبت و منفی

بسیاری از تقویت‌کننده‌های عملیاتی که در افزاره‌های رادیویی استفاده می‌شوند، همانطور که قبلاً توضیح داده شد، با تغذیه قرینه یا دوگانه کار می‌کنند. در این صورت از منبع تغذیه با ولتاژ دوگانه استفاده می‌شود.

برای مثال، یکی از راه‌های استفاده از تقویت‌کننده وارون با یک ولتاژ، استفاده از پتانسیل دیگری به عنوان نقطه صفر هنگام اعمال ولتاژ مثبت، به جای استفاده از زمین (GND) منبع تغذیه به عنوان نقطه صفر است. با تغییر نقطه مرجع عملکرد، ولتاژ واحد به عنوان ولتاژ دوگانه در نظر گرفته می‌شود.

شکل 5- مدار اصولی تقویت‌کننده‌های عملیاتی وارون و ناوارون با تغذیه تک ولتاژ

مدارهای نشان داده شده در شکل 5، با توجه به اجزای بیشتر در مقایسه با مدارهای نشان داده شده در شکل 4 ممکن هست که کمی پیچیده به نظر برسند. خازن‌هایی به پایه‌های ورودی و خروجی در تقویت‌کننده عملیاتی اضافه شده‌اند. و مقاومت Rc نشان داده شده در شکل 4 با دو مقاومت R1 و R2 جایگزین شده است.

اگر تقویت کننده عملیاتی با یک منبع تغذیه استفاده شود همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، ولتاژ تقریباً نیمی از ولتاژ منبع تغذیه به عنوان زمین مجازی استفاده می‌شود. به عنوان مثال، اگر ولتاژ منبع تغذیه 10 ولت باشد و R1 و R2 دارای یک مقدار باشند، نقطه اتصال بین R1 وR2  5ولت خواهد بود. این 5 ولت به ترمینال مثبت (+) تقویت‌کننده عملیاتی اضافه می‌شود. به عنوان یک زمین مجازی، هنگامی که 5 ولت به ترمینال (+) اضافه شود، نه تنها در ترمینال (-) بلکه پایه خروجی نیز، زمانی که سیگنال ورودی در ترمینال (+) وجود ندارد، 5 ولت می‌شود. هنگامی که سیگنالی به ورودی اعمال شود، سیگنال خروجی در مرکز این 5 ولت ظاهر می شود.

عملکرد تغذیه تک ولتاژ تقویت‌کننده عملیاتی زمانی مفید است که ولتاژ منبع تغذیه منفی در دسترس نباشد. علاوه بر این، کاربردهای خاص دیگر با استفاده از ولتاژهای بالا و تقویت‌کننده‌های عملیاتی جریان بالا، می‌توانند مزایای مهمی را از عملکرد تک ولتاژ به دست آورند.

نحوه استفاده از رگولاتور سه پایه برای ولتاژهای تغذیه دوگانه یا قرینه یا متقارن

یک آی سی با یک مدار ولتاژ ثابت به نام رگولاتور سه پایه وجود دارد. آی سی دارای سه پایانه است و یک قطعه الکترونیکی است که به راحتی می توان آن را به عنوان یک مدار ولتاژ ثابت پیکربندی کرد. دو نوع رگولاتور سه پایه وجود دارد: سری 78L05 که ولتاژ مثبت را در خروجی خود ایجاد می‌کند و سری 79L05 که ولتاژ منفی را در خروجی فراهم می‌کند.

اشکال این دو نوع تنظیم‌کننده سه پایه مثبت و منفی در شکل 6 (راست) نشان داده شده است. با توجه به نقطه زمین مجازی می‌توان ولتاژهای مثبت و منفی ایجاد کرد. البته با اضافاتی جریان بیش از 100 میلی آمپر را نیز می توان با این تنظیم کننده‌های سه پایه به دست آورد.

برگه اطلاعات ولتاژ رگلاتور، مداری را ارائه می‌دهد که ترکیبی از یک 78L05 و یک 79L05 به عنوان مثال کاربردی برای ایجاد یک مدار ولتاژ دوگانه یا قرینه است. باید توجه داشته باشید که 78L05 و 79L05 ریخت مشابهی دارند، اما وظایف پایه‌ها متفاوت است.

نحوه ترکیب مقایسه کننده با مدار بالاکش

حال در این قسمت، به هدف اصلی این فرسته می‌رسیم. در فرسته پیشین راجع به منبع تغذیه دوگانه آزمایشگاهی به طور ویژه، توضیح داده شده، اما برای رفع نیاز در مدارات آزمایشی کم مصرف این طرح مفید خواهد بود. اگرچه احتمال استفاده از آن به گونه‌ای نیست که هر بار ولتاژهای مثبت و منفی هر دو تغییر کنند، اما گاهی اوقات لازم است، تغییرات ولتاژ تغذیه و سیگنال‌های خروجی در مدارهای مورد استفاده، برای آزمایش مشاهده شود. شکل 6 مدار منبع تغذیه‌ایی را نشان می‌دهد که می تواند ولتاژ خروجی هر دو منبع تغذیه مثبت و منفی را به عنوان ولتاژ دوگانه یا قرینه، با توجه به تغییر ولتاژ ورودی تغییر دهد. داشتن یکی از این مدارها برای آزمایش مفید است.

شکل 6- منبع تغذیه قرینه با استفاده از تقویت‌کننده عملیاتی و مدار بالاکش

IC1 خود یک تقویت کننده عملیاتی همه منظوره LM358 است که با ولتاژ تک کار می کند. این تقویت‌کننده عملیاتی، به عنوان مقایسه‌کننده عمل می‌کند. یک مدار ترانزیستور بالاکش به خروجی مقایسه‌کننده متصل می‌شود تا بسته به مشخصات ترانزیستور، جریانی گرفته شود. ترانزیستورهای Q1 و Q2 مورد استفاده در اینجا NPN و PNP هستند، اما ما باید از ترانزیستورهای مکملی استفاده کنیم که ویژگی‌های یکسانی در بهره خود دارند. در اینجا، به دلیل در دسترسی ترانزیستورها، از 2SC1815 برای Q1 و 2SA1015 برای Q2 استفاده کردم، حداکثر جریانی که می تواند از این ترانزیستورها عبور کند حدود 150 میلی آمپر بوده و من به ترتیب از 47Ω برای R3 و R4 استفاده کردم.

برای آزمایش صحت عمل مدار، من از منبع تغذیه متغیر استفاده کردم. با اعمال ولتاژ ورودی 12 ولت بر روی جفت مقاومت‌های 10 کیلو اهم، 6 ولت بر روی پایه 3 IC1 اضافه شد.

نتایج خروجی مثبت و منفی مدار، در تصاویر زیر قابل مشاهده می‌باشد.

موفق باشید.