Wspólnie projektujemy: Częstościomierz, część 8

Przeanalizowanych zostało kilka wariantów układowych obwodów wejściowych częstościomierza. Istotnym ich składnikiem są zabezpieczenia przed zbyt dużym sygnałem, który w skrajnym przypadku może nawet doprowadzić do uszkodzenia obwodów wejściowych.
Zabezpieczenie układów wejściowych przed uszkodzeniem jest na tyle istotnym detalem, że zostało ogłoszone zadanie konkursowe dotyczące zabezpieczenia stopnia wejściowego przed zbyt dużym sygnałem wejściowym. Nie dotarły do mnie żadne sugestie ani pomysły, jak można to zrobić, więc moją rolą jest przedstawienie możliwych pomysłów i wariantów rozwiązań. Takie rozwiązanie to nawet już wystąpiło (niejawnie) w poprzednich częściach cyklu, zarówno przy wykorzystaniu linearyzowanych bramek (istotny fragment układu pokazuje rysunek 1) jak i przy zastosowaniu klasycznych wzmacniaczy operacyjnych (rysunek 2, również we fragmencie). Taką funkcję pełnią diody D1 oraz D2 na obu rysunkach.

Rozwiązanie zabezpieczenia

Zauważmy, że diody te są włączone „zaporowo” (rysunki 1 i 2). Przy takim zastosowaniu w „normalnych” warunkach przez diody nie popłynie żaden prąd z zacisków zasilacza. Jak wiadomo, każda dioda w kierunku przewodzenia wykazuje na sobie pewne niewielkie napięcie (około 0,5 V i mniej w zależności od diody).
Pojawienie się na wejściu zbyt dużego napięcia może doprowadzić do uszkodzenia wzmacniacza operacyjnego. W nocie katalogowej opisującej zastosowany układ można przeczytać, że jest on w stanie wytrzymać całkiem spore napięcie: +/– 14 V (rysunek 3).

Te informacje są prawdziwe jedynie w sytuacji, gdy są spełnione określone dodatkowe warunki. W tej samej nocie katalogowej, w sekcji opisującej maksymalne dopuszczalne warunki pracy, jest informacja, że napięcie wejściowe nie może przekroczyć napięcia zasilającego (rysunek 4).

Korzystając z programu do symulacji można sprawdzić zachowanie się układu zabezpieczającego. Prosty obwód przedstawia rysunek 5.

Zostały tam zastosowane diody BAT85 (diody Schottky). Symulacja działania układu dla małych częstotliwości pokazuje rysunek 6, natomiast dla dużych – rysunek 7.
Te przebiegi napięcia pokazują dużą skuteczność obwodów zabezpieczających.

W symulacji jako sygnał wejściowy został użyty taki, który ma wartość stałego offsetu, wynoszącą 10 V oraz amplitudę 25 V. Finalnie napięcie wejściowe będzie się zmieniać w granicach: –15…35 V. Podanie tego sygnału bezpośrednio na wzmacniacz operacyjny doprowadzi do trwałego uszkodzenia go. Podczas normalnej pracy, gdzie napięcie wejściowe po przejściu przez elementy pasywne (R1…R3 oraz C1…C2, rysunek 2) nie przekroczy „progu załączenia” diody, nie przewodzi ona prądu (stanowi element izolacyjny). Przekroczenie tego progu prowadzi do włączenia diody w kierunku przewodzenia i „cały nadmiar” zostanie przekazany do zacisku +5 V zasilacza. Klasyczne rozwiązanie układów zasilających zawiera zawsze na wyjściu kondensator o dużej pojemności, który będzie stanowić zwarcie dla sygnałów przemiennych. Podobnie wystąpienie napięcia na wejściu o odpowiednio dużej wartości ujemnej może doprowadzić do włączenia drugiej diody, która „nadmiar” przekaże do zacisku –5 V zasilacza.

Symulacja działania i pomiary

Realizując symulację działania tego układu (rysunek 5) można zaobserwować korelację między sygnałem wyjściowym a napięciami zasilającymi, jak pokazuje rysunek 8.

Można tu dostrzec, że napięcie sygnału wyjściowego nieznacznie przekracza zasilające (zarówno na zacisku dodatnim jak i ujemnym). Wartość tej różnicy jest zależna od zastosowanej diody – rysunek 9 przedstawia ją dla zastosowanej diody BAT85 (dioda Schottky).

Można przeprowadzić identyczną symulację przy zastosowaniu innej, bardzo popularnej diody 1N4148 (normalna dioda krzemowa). Tym razem wartość napięcia na wyjściu bardziej przewyższa napięcie zasilające (rysunek 10).

Z tego można wyciągnąć wniosek, że do zabezpieczenia lepiej nadają się diody typu Schottky. Pozwalają one ograniczyć występujące napięcia do wartości bliższych napięć zasilających, niemniej przekraczają o ułamek wolta napięcie zasilające. Istnieje grupa wzmacniaczy operacyjnych, dla których tego typu przekroczenia nie stanowią żadnego zagrożenia. Są to wzmacniacze operacyjne typu R-R (ang. rail to rail) na wejściu (oraz wyjściu). Określenie R-R oznacza, że wzmacniacz może przetwarzać na wejściu sygnały o wartości zbliżonej do napięcia zasilającego (R-R wejściowe). Jest również możliwe uzyskanie na wyjściu sygnałów o napięciu zbliżonym do zasilającego (R-R wyjściowe). Bardzo często te wzmacniacze są przystosowane do zasilania pojedynczym napięciem, a takim przykładem jest MCP6041 (stosowany w poprzedniej części). W jego danych katalogowych można znaleźć informację, że jest w stanie on wytrzymać „bez uszczerbku” na swoich wejściach analogowych sygnał, którego napięcie przekracza napięcie zasilające nawet o 1 V (rysunek 11).

Rzeczywisty układ

Symulacja to tylko wyidealizowany świat, więc dotarcie do prawdy wymaga zbudowania układu testowego i sprawdzenia jego działania. Aby mieć klarowną postać, pozwalającą na wyciąganie wniosków, postanowiłem zbudować układ bez zbędnych detali, jak pokazuje rysunek 12.

Zawiera on stabilizatory napięć zasilających oraz przedmiotowe diody wraz z niezbędnym rezystorem (fotografia 13).

Układ testowy jest „napędzany” generatorem sinusoidalnym o częstotliwości kilkudziesięciu Hz i maksymalnej amplitudzie, jaką może wyprodukować generator (fotografia 14).

Na fotografii widać ustawioną amplitudę około 20 V (jest to napięcie pik-pik), więc amplituda sygnału sinusoidalnego wynosi około 10 V. Potwierdza to oscyloskop (sygnał w kolorze niebieskawym): przy ustawieniach 5 V na działkę, amplituda wynosi dwie działki. Istotne jest, aby jego amplituda była większa od napięcia zasilającego, wynoszącego 5 V. Sygnał wyjściowy jest pokazany we wspólnym układzie współrzędnych na oscyloskopie (w kolorze żółtawym). Przy przekroczeniu napięcia zasilającego jest on „ucięty”. Jego amplituda wynosi plus/minus jedną działkę. Przy skali 5 V na działkę jest on ograniczony do wartości –5 V do +5 V. Jest to zgodne z wynikami przeprowadzonej symulacji. Zmiana częstotliwości sygnału wejściowego nie wpłynęła na działanie układu zabezpieczającego (fotografia 15).

Inne rozwiązania

Będąc w temacie zabezpieczeń warto wspomnieć o innych rozwiązaniach, jak przykładowo elementy TVS (ang. Transient Voltage Suppressor) popularnie zwane transilami. Są to wyspecjalizowane diody zabezpieczające, chroniące wrażliwe elementy elektroniczne przed skutkami przepięć, stosowane często do tłumienia przepięć i impulsów o wysokim napięciu. Powszechnie występują w ochronie interfejsów cyfrowych, przykładowo są stosowane w urządzeniach ethernetowych i telekomunikacyjnych. Transil po przekroczeniu napięcia progowego zaczyna gwałtownie przewodzić. Podstawową jego zaletą jest bardzo krótki czas reakcji – rzędu 1 pikosekundy. Pozwala to na zastosowanie go do ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi. W stosunku do rozwiązania diodowego opisanego wyżej występuje znacząca różnica w działaniu: transil pochłania energię w sobie, natomiast układ diodowy przekazuje ją do zasilacza. Takie „bijące iskry” zdarzają się dosyć sporadycznie, natomiast zbyt duży sygnał wejściowy jest zjawiskiem stałym (przykładowo rysunek 6), w związku z czym istnieje obawa, że może nie spełniać stawianych wymagań. Nie oznacza to, że element ten nie jest wart zbadania pod kątem zastosowania w obwodach wejściowych częstościomierza, ale to już w kolejnej części.

Andrzej Pawluczuk
apawluczuk@vp.pl