整流器は、交流（AC）を直流（DC）に変換する回路です。交流は常に時間の経過とともに方向を変えますが、直流は一方向に連続的に流れます。一般的な整流回路では、ダイオードを使用してACをDCに整流します。ただし、この整流方法は、回路への入力電圧がダイオードの順方向電圧（通常は0.7V）よりも大きい場合にのみ使用できます。以前、ダイオードベースの半波整流器と全波整流器回路について説明しました。
この問題を克服するために、高精度整流回路が導入されました。精密整流器はACをDCに変換する別の整流器ですが、精密整流器では、ダイオード両端の電圧降下を補償するためにオペアンプを使用します。そのため、ダイオード両端の0.6Vまたは0.7V電圧降下が失われることはありません。ダイオードの場合、回路はアンプの出力にもある程度のゲインを持つように構成できます。
したがって、このチュートリアルでは、オペアンプを使用して高精度整流回路を構築、テスト、適用、およびデバッグする方法を紹介します。それと並行して、この回路の長所と短所についても説明します。それで、それ以上の苦労なしに、始めましょう。
精密整流回路とは何ですか？
精密整流回路について知る前に、整流回路の基本を明確にしましょう。
上の図は、理想的な整流回路の特性とその伝達特性を示しています。これは、入力信号が負の場合、出力はゼロボルトになり、入力信号が正の場合、出力は入力信号に従うことを意味します。
上の図は、伝達特性を備えた実際の整流回路を示しています。実際の整流回路では、出力波形は印加入力電圧より0.7ボルト低く、伝達特性は図のようになります。この時点で、ダイオードは、印加された入力信号がダイオードの順方向電圧よりわずかに大きい場合にのみ導通します。
さて、基本は邪魔にならないので、焦点を精密整流回路に戻しましょう。
精密整流器の働き
上記の回路は、LM358オペアンプと1n4148ダイオードを備えた基本的な半波精密整流回路を示しています。オペアンプがどのように機能するかを学ぶために、このオペアンプ回路に従うことができます。
上記の回路は、高精度整流回路の入力波形と出力波形も示しています。これは、入力とまったく同じです。これは、ダイオードの出力からフィードバックを取得し、オペアンプがダイオード両端の電圧降下を補償するためです。したがって、ダイオードは理想的なダイオードのように動作します。
上の画像では、入力信号の正と負の半サイクルがオペアンプの入力端子に適用されたときに何が起こるかをはっきりと見ることができます。この回路は、回路の伝達特性も示しています。
しかし、実際の回路では、上の図に示すような出力は得られません。理由を教えてください。
私のオシロスコープでは、入力に黄色の信号があり、出力に緑色の信号があります。半波整流を取得する代わりに、一種の全波整流を取得しています。
上の画像は、ダイオードがオフの場合、負の半サイクルは信号が抵抗を介して出力に流れることを示しています。そのため、出力と同様に全波整流が得られますが、これは実際の信号ではありません。場合。
1Kの負荷を接続するとどうなるか見てみましょう。
回路は上の画像のようになります。
出力は上の画像のようになります。
2つの9.1Kと1Kの抵抗で実際に分圧回路を形成したため、出力は次のようになります。そのため、信号の入力の正の半分が減衰しました。
繰り返しますが、この上の画像は、負荷抵抗値を1Kから220Rに変更するとどうなるかを示しています。
これは、この回路が抱えている問題の少なくとも一部ではありません。
上の画像は、回路の出力がゼロボルトを下回り、特定のスパイクの後に上昇するアンダーシュート状態を示しています。
上の画像は、負荷がある場合とない場合の、上記の両方の回路のアンダーシュート状態を示しています。これは、入力信号がゼロを下回ると、オペアンプが負の飽和領域に入り、結果が表示された画像になるためです。
入力電圧が正から負に変動するときはいつでも、オペアンプのフィードバックが機能して出力が安定するまでに時間がかかると言えるもう1つの理由は、これが、スパイクがゼロボルト未満になる理由です。出力。
これは、スルーレートの低いジェリービーンズLM358オペアンプを使用しているために発生しています。スルーレートの高いオペアンプを配置するだけで、この問題を回避できます。ただし、これは回路のより高い周波数範囲でも発生することに注意してください。
変更された精密整流回路
上の図は、上記のすべての欠陥と欠点を減らすことができる修正された精密整流回路を示しています。回路を調べて、それがどのように機能するかを理解しましょう。
上記の回路では、正弦波信号の正の半分が入力として適用されると、ダイオードD2が導通することがわかります。これで、上記のパス（黄色の線付き）が完成し、オペアンプが反転増幅器として機能しています。ポイントP1を見ると、そのポイントで仮想グラウンドが形成されているため、電圧は0Vであるため、電流は流れません。抵抗R19を流れ、出力ポイントP2では、オペアンプがダイオードのドロップを補償しているため、電圧は負の0.7Vであるため、電流がポイントP3に流れることはありません。したがって、信号の正の半サイクルがオペアンプの入力に適用されるたびに、0V出力を達成する方法です。
ここで、正弦波AC信号の負の半分をオペアンプの入力に適用したと仮定します。これは、印加された入力信号が0V未満であることを意味します。
この時点で、ダイオードD2は逆バイアス状態にあり、開回路であることを意味します。上の画像はまさにそれを示しています。
ダイオードD2が逆バイアス状態にあるため、電流は抵抗R22を流れ、ポイントP1に仮想グラウンドを形成します。ここで、入力信号の負の半分が適用されると、反転増幅器として出力に正の信号が得られます。そして、ダイオードが導通し、ポイントP3で補償された出力が得られます。
これで、出力電圧は-Vin / R2 = Vout / R1になります。
したがって、出力電圧はVout = -R2 / R1 * Vinになります。
ここで、オシロスコープで回路の出力を観察してみましょう。
負荷をかけない場合の回路の実際の出力を上の画像に示します。
さて、回路の解析に関しては、半波整流回路で十分ですが、実際の回路に関しては、半波整流器は実際には意味がありません。
そのため、全波整流回路を導入し、全波高精度整流器を実現するには、加算増幅器を作るだけで、基本的にはそれだけです。
オペアンプを使用した高精度全波整流器
全波高精度整流回路を作成するために、前述の半波整流回路の出力に加算増幅器を追加しました。ポイントからポイントP2までは基本的な高精度整流回路であり、ダイオードは出力で負の電圧が得られるように構成されています。
ポイントP2からポイントP3までは加算増幅器であり、高精度整流器からの出力は抵抗R3を介して加算増幅器に供給されます。抵抗R3の値はR5の半分であるか、R5 / 2であると言えます。これは、オペアンプから2倍のゲインを設定する方法です。
ポイントP1からの入力は、抵抗R4の助けを借りて加算増幅器にも供給されます。抵抗R4とR5は、オペアンプのゲインを1Xに設定する役割を果たします。
ポイントP2からの出力は、2Xのゲインで加算増幅器に直接供給されるため、出力電圧は入力電圧の2倍になります。入力電圧が2Vピークであると仮定すると、出力で4Vピークが得られます。同時に、1Xのゲインで入力を加算アンプに直接供給しています。
ここで、加算操作が発生すると、出力で（-4V）+（+ 2V）= -2Vの合計電圧が得られ、出力でオペアンプとして使用されます。オペアンプは反転増幅器として構成されているため、ポイントP3である出力で+ 2Vが得られます。
入力信号の負のピークが適用された場合にも同じことが起こります。
上の画像は回路の最終出力を示しています。青色の波形は入力、黄色の波形は半波整流回路からの出力、緑色の波形は全波整流回路の出力です。
必要なコンポーネント
- LM358オペアンプIC-2
- 6.8K、1％抵抗-8
- 1K抵抗-2
- 1N4148ダイオード-4
- ブレッドボード-1
- ジャンパー線-10
- 電源（±10V）-1
回路図
オペアンプを使用した半波および全波高精度整流器の回路図を以下に示します。
このデモンストレーションでは、回路図を使用して、回路をはんだ不要のブレッドボードで構成します。寄生インダクタンスと寄生容量を減らすために、コンポーネントをできるだけ近くに接続しました。
さらなる強化
高周波ノイズを除去するためにフィルターを追加できるように、回路をさらに変更してパフォーマンスを向上させることができます。
この回路は、デモンストレーションのみを目的として作成されています。この回路を実際のアプリケーションで使用することを考えている場合、絶対的な安定性を実現するには、チョッパータイプのオペアンプと高精度の0.1オームの抵抗を使用する必要があります。
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