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.

در فرسته‌های پیشین یک منبع تغذیه غیر ایزوله‌ بر اساس چیپ OB2225N معرفی شد. که در صورت انجام تغییراتی در طراحی برد مدارچاپی، برای خنک‌سازی چیپ در بالاترین فرکانس کاری، و برای مصارفی کوتاه مدت تا بیشینه350mA  در ولتاژ 12V مناسب می‌بود. اما ممکن هست، برای مدارات حساس و دقیق به ویژه مدارات اندازه‌گیری که ممکن هست از بعضی از مقایسه‌کننده‌ها (OpAmp) استفاده شود، خیلی مفید نبوده و نیاز به منبعی خطی و متقارن از الزامات محسوب شود.

به نظر میرسد که در بسیاری از کاربردهای روزمره منبع تغذیه متقارنی که هر دو قسمت مثبت و منفی آن با یک ولوم و با دقتی در حدود چند میلی‌ولت یکدیگر را دنبال کنند، کافی و بلکه ایده‌آل باشد. از اینرو با ادغام این امتیاز با مزیت استفاده از قطعات بسیار رایج و ارزان در بازار، می‌توان منبع تغذیه قرینه‌ آماتوری ولی کاربردی را روی میز کار متصور بود.

طبیعی است که وقتی از ارزان و رایج صحبت بشود اولین انتخاب‌ LM317 و مکمل آن LM337 در ذهن علاقمندان به الکترونیک، متبادر خواهد شد. پس سعی به استفاده از همین قطعات می‌کنیم.

در شناسنامه اطلاعات(Data Sheet) آنها برای استفاده به عنوان منبع تغذیه متغیری که نسبت به خط صفرولت خود اختلاف پتانسیلی مثبت و منفی ارایه دهند، طرح‌هایی قابل استفاده درج شده که با کمی تغییر و افزودن قطعاتی در اطراف آنها می‌توان به توان‌های بالاتری نسبت به 1.5A در بیشینه ولتاژ 37V دست یافت.

برای نمایش ولتاژ و جریان مصرفی در بعضی از افزاره‌ها مانند منابع تغذیه، یا حتی بعضی از سنجش‌گرها، نیازمند ولتمتری با امپدانس ورودی حداقل 1MΩ بودم تا بار زیادی رو خط اندازه‌گیری ایجاد نکند. در بازار می‌توان ماژول‌های ولتمتر ارزان سه رقمی شاید تا بیشینه 100ولت را هم یافت، اما امپدانس ورودی پایین و دقت ناکافی در رقم اعشار آنها، نقطه ضعف و دلیل امتناع از بکارگیری‌شان در طرح‌ها بود.

 واقعیت این است که در حداقل جریان (1 میلی آمپر) ، مقاومت ورودی ولت متر به طور جدی ولتاژ خروجی را تحت تأثیر قرار داده، و آن را هدر می دهد (به عنوان مثال ، با مقاومت ورودی 100KΩ و جریان پایدار 1 میلی آمپر ، بیش از 100ولت را در خروجی نمی توان بدست آورد ؛ دو تا از ماژول‌هایی که موجود داشتم مقاومت 60KΩ و 120KΩ داشتند). اگر ولتاژ خروجی را با یک مولتی‌متر اندازه‌گیری کنید، متوجه خواهید شد که چنین مشکلی وجود ندارد. امپدانس ورودی آنها معمولاً 1MΩ یا بیشتر است.

پیش‌تر ماژول ولت‌متری 4رقمی با امپدانس ورودی حدود 800KΩ پیدا می‌شد، که با توجه به مشخصات اعلام شده برای 200V و 10A، در واقع می توانستند ولتاژ تا بیشینه 240V را اندازه گیری کند، اما مدت‌هاست که یافت نمی‌شوند.

با جستجویی در موجودی کشوهای قطعات، متوجه تعدادی آی_سی معروف ICL7107 و ICL7106 و پنل‌های LCD چهار رقمی شده و تصمیم به استفاده از آنها گرفتم.