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说说运放电路1
作者:系统管理员    发布于:2013-01-10 01:38:31    文字:【】【】【
摘要:反相比例放大器的原理与检测方法

以前发过这样一篇帖子,《变频器故障检测电路中用到的模拟电路》,用检测方法的论述过于简单,重发本文,在检测方法上做一个补充。

一、概述

运算放大器,具有输入阻抗高(不取用信号源电流)、输出阻抗低(负载特性好)、放大差分信号(两输入端信号之差)、抑制共模信号(两输入端极性与大小相同)和对交、直流信号都能提供线性放大的优良特性。

在变频器电路中,电流互感器和线性光耦之后的电流检测信号处理电压,虽然可大致上分为模拟电压信号处理电路和开关量信号处理电路,但电路所应用的核心器件,均为运算放大器(简称运放、集成运放)电路。换言之,检修整个电流或电压检测电路,“玩”的都是运放电路!因而在分析电路实例之前,有必要先温习一下运放电路的基本工作原理、电路形式和检修方法,为检修实际电路打下坚实的基础。

在各种信号检测电路中,应用到三种类型的模拟电路:

1)常规的反相、同相放大器,又称为反相、同相比例运算放大器,能对输入信号进行“不走样地”线性放大。当与整流电路相配合时,可构成精密半波、全波整流(兼放大)电路。

该类电路,对运放电路的应用,是处于输出反馈信号影响输入信号的闭环放大状态,运放电路工作线性放大区内,有一定的电压放大倍数;

2)电压比较器电路,对两个输入端的信号大小进行比较,将比较结果进行输出。若在输出、输出端引入一定的正反馈,则成为“有滞后特性的电平比较器”电路,又称为迟滞电压比较器,可由电压比较器的“电压点”比较,变为可设置比较区域的“电压段”比较,使输出状态更为稳定。

电压比较器的相关电路,实质上已经脱离了线性放大器的范畴,输入模拟量信号与给定基准参考电压相比较,输出的是开关量信号,更接近于数字电路的工作状态。采用运放电路的目的,是可以灵活设置基准参考点,在应用上比数字电路更为方便而已。

该类电路,对运放电路的应用,处于开环放大状态,电压放大倍数为无穷大,电路的输出状态同数字电路一样,只有“0”和“1”两种状态。对+5V单电源供电的运放电路而言,输出要么是0V,要么是+5V

通常,在变频器的相关检测电路中,运算放大器被接成上述两种类型的电路形式,完成着对信号线性放大、比较输出和精密整流三种工作任务。而根据运放电路是处于线性工作区还是“开关工作区”,则可以找到有效的检测方法,判断电路是否工作正常。

二、处于线性工作区的运放电路

1、反相放大器电路

1)反相放大器的几种电路形式和特点

1 运算放大器反相放大电路

上图abc在电路形式上均为反相放大器,又称为信号倒相放大器,其特点是输出信号与输入信号相位相反。电路对输入电压信号有电压和电流的双重放大作用,但在小信号电路中,只注重对电压信号的放大和处理。电路的电压放大倍数取决于R2(反馈电阻)与R1(输入电阻)两者的比值。R3为偏置电阻,其选值为R1R2的并联值(不考虑偏置电流的微弱影响时,可取R1=R2。有些实际电路干脆省掉了R3,将同相输入端直接接地)。因R2R1的选值(比值)不同,可完成三种信号传输作用,即构成反相放大器、反相器和衰减器三路信号处理电路。a电路为反相放大器电路,电路的电压放大倍数为5b电路为倒相器,对输入信号起到倒相输出作用,无电压放大倍数,如输入+2.5V信号,输出电压为-2.5V,起到信号倒相作用;c电路为反相衰减器电路,若输入0~10V信号,输出0~-3.3V的反相信号,是一个比例衰减器。

abc电路,有两个特征:1、输入、输出信号反相;2、无论是放大或衰减或倒相电路,输出信号对输入信号维持一个比例输出关系,可以笼统地称为反相比例放大器。反相器电路其实是一个放大倍数为1的反相放大器;衰减器恰恰也是利用了电路的放大作用,对输入信号起到了比例衰减作用。

有趣的是,此三种反相放大器,在电流、电压检测电路中,都有应用。以电流检测电路为例:对电流互感器输出的电流检测信号,有的采用了有一定放大倍数的反相放大器(采用电流互感器输出信号幅度较低);有的采用了倒相器电路,只是根据CPU输入电压信号极性的要求,只对信号进入了倒相处理,并不须再进行放大;部分电路为适配后级电路的信号幅度范围(采用电流互感器的输出信号电压幅度较高),采用了衰减器电路,对电流互感器来的电压信号比例衰减一下,再送入后级电路。

可见所谓反相运算放大器,并不只是单纯用于对输入信号进行放大,有时是为了对电压极性进行转换和对信号电压进行衰减,以满足后续电路对信号极性和电压范围的要求,由此也可看出采用模拟电路处理检测信号的灵活性。

2)反相放大器电路的检测方法

检测电路中的模拟信号电路的供电,根据放大交流信号的要求,一般采用正、负15V双电源供电。根据反相放大器的电路形式和运算放大器的电路特性,我们可找到相应的检测方法。

1)、如图1所示的反相放大器的特性:

a、“虚地”。因运算放大器的输入阻抗为无穷大,设流入、流出放大器输入端的偏置电流为0,则R3的上电压降为0,同相输入端电位“虚地”,为0V

b、“虚短”。因运算放大器的开环放大倍数Ao为无穷大,而供电电压有一定范围(如正、负15V),则0V以上的微弱输入电压信号,即使输出值到达供电电压值。在最大输出值以内的线性放大区内,两输入端之间的电压值近乎为0V,可认为同相输入端与反相输入端呈现“虚短”,好像短接一样。由两输入端之间的“虚短”和同相端输入端的“虚地”,也可以进一步导出反相输入端也是“虚地”的。

换一个角度看,将同相端做为电压基准端,将0V作为电压基准,当反相端的输入电压值0V0V时,输出电位即随之向正方向或负方向变化,直到同相端与反相端的信号电平相等——两输入端(虚地)相等且都为0V时——为止,电路达到平衡状态,输出电压值稳定于一定值上。电路所完成的最后控制结果,即两输入端的电压值相等。这是当运算电路处于线性放大区时的一个显著特征。

2)测量方法:

a、测量输入与输出端之间,应有数千欧姆至数十千欧姆之间的电阻值,即反馈电阻R2的电阻值。确定电路为放大器电路。

b、在电路的静态(变频器待机状态,反相放大器不传输信号,测量值为静态偏压)和动态(变频器起动运行状态,测量值为动态信号值),测量反相放大器的同相输入端、反相输入端的对地电压值应为0V(或极其接近0V);同相输入端和反相输入端两端子之间的电压值,也应为0V(或极其接近0V)。

c、测R1左端输入信号与反相放大器输出端电压值,应呈现反相比例关系。查明该级电路为放大器或倒相器或衰减器,根据输入电阻与反馈电阻的比值,可大致测算出输出电压值,由此可判断电路是否处于正常状态。

      3)故障判断:

a、测量两输入端对地,两输入端之间的电压值远大于0V,运放电路损坏;测量输入端与输出端电压值,不成线性关系,运算电路损坏。

    b、测量输出端已有正电压(或负电压输出),但短接两个输入端,输出电压马上降(或升)为0V左右。若输出电压值为一固定值,不随输入端的短接而变化,说明运算电路损坏。

c、将R1左端与前级电路断开,向R1左端送入0~5V可调电压,测输出电压必定有相应变化,可由此判断放大器是否处于正常状态。

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