Signalpuffer mit Operationsverstärker-Klemmung und Vorspannung

Ich bin neu bei EE und habe eine Frage zur Signalpufferung. Ich möchte zwei kurze Absätze verwenden, um etwas Hintergrund und Kontext zu geben.

Ich lebe auf dem südostasiatischen Land. Die Netzversorgung (230 VAC 50 Hz) ist unzuverlässig und laut: Die Spannung sinkt gelegentlich auf 200 V und enthält Transienten von alten Relaisschaltern der Bewässerungspumpe und wer weiß was noch. Als Reaktion auf häufige Stromausfälle hat jeder mit einem Desktop-PC auch eine USV, aber viele Leute berichten, dass ihre USV nach 6 Monaten einfach den Geist aufgibt. Ich habe einen billigen in Flammen aufgehen lassen, nachdem er schnell bei niedriger Netzspannung umgeschaltet hatte.

Um meine elektronischen Geräte mit "sauberer" und konstanter Leistung zu versorgen, entwerfe ich einen Leistungsregler, der Netzwechselstrom auf 36 V gleichgerichteten Gleichstrom herunterwandelt und dann seine Spannung und seinen Strom auf 24 V und 16 A regelt. Meine Frage bezieht sich auf die Schaltung, die die Ausgangsspannung der Transformator- / Gleichrichterstufe anzeigt.

Mein Design emuliert die LED-Balkenanzeige LM3914 : Empfangen Sie das Signal, formen und puffern Sie es und leiten Sie es dann an eine Widerstandsleiter mit einem Operationsverstärker-Array weiter, das die LED-Anzeigeleiste ansteuert. Die Signalpuffer-Teilschaltung ist unten gezeigt. Es verwendet eine auf Wikipedia beschriebene Operationsverstärker-Klemmschaltung mit einer Referenzklemmspannung von 5 V und einem negativen (2,5 V) Clipper am Ausgang.

Signaleingangspufferschaltung

Das Signal kommt heiß vom Transformator, kurz nachdem es auf Gleichstrom gleichgerichtet wurde. Bei 230 VAC sollte der Transformator 36 VAC liefern, aber aufgrund des grausamen Zustands der Netzversorgung könnte er mehrmals am Tag auf 26 VAC abfallen und bei Transienten auf 60 VAC ansteigen. Obwohl also ein Nennwert von 36 V erwartet wird, liegt der DC-Eingang zwischen 0 und 60 V, und ich möchte seine Abweichung visuell überwachen. Die obige Schaltung teilt das Signal sofort auf den Bereich von 0–11 V (am Knoten W) und eine Zenerdiode begrenzt Spitzen über 8,2 V. Das Signal liegt dann unter der 12-V-Versorgung des Operationsverstärkers.

Signaldiagramme

Das Testsignal (oberes Feld) simuliert während Phase B einige Transienten und steigt dann auf 50 V an, wonach es in Phase C auf Null abfällt (Stromausfall). Da erwartet wird, dass der größte Teil der Eingangssignalvarianz zwischen 24 V und 40 V liegt, Ich bin nur daran interessiert, diesen Bereich zu puffern (zwischen den roten Pfeilspitzen, 24-40 V). Daher die Klemmoperationskonfiguration. Um das Signal <0 V loszuwerden, entfernt ein Clipper über D3 die unteren 2,5 V des Ausgangssignals des Operationsverstärkers (unteres Feld).

Der Puffer kann dann das interessante Mittelband des Signals an die LED-Anzeigeschaltung als enge und effiziente 0-5-V-Darstellung des 24-40-V-Bereichs des wilden Transformatorausgangs liefern.

Während Phase A (Hochfahren) und nach Phase C (Stromausfall) tendiert der Ausgang des Operationsverstärkers jedoch in Richtung der 5-V-Referenzspannung. Wie kann dies vermieden werden? Wenn die Eingabe Null ist, sollte die Pufferausgabe ehrlich gesagt auch zu ihrem Minimum tendieren.

Neben der Hauptfrage würde ich mich über Kommentare zum Schaltungsdesign und zur Auswahl der Komponenten sowie über Ratschläge zur Handhabung von Phase A (Sanftanlauf?) und zur Korrektur der Eingangs-/Ausgangsimpedanz freuen.

Aktualisieren

Mit dem Rat von @The Photon habe ich mich heute wieder mit Clipping und Clamping befasst. Das Eingangssignal ist kein Wechselstrom und fast alle Versuche, in meinem ursprünglichen Schaltplan (oben) zu klemmen und zu klemmen, waren fehlgeleitet.

Aktualisierter Signalpuffer

Also habe ich, wie in der akzeptierten Antwort vorgeschlagen, den Kondensator, die Spannungsreferenz usw. entfernt und alles durch eine Zenerdiode D2 ersetzt, die das DC-Signal vor dem Operationsverstärker (gelbes Diagramm im Bild unten) nach unten in die 0 versetzt -5V-Bereich, den ich am Pufferausgang benötige (grüner Plot)

Auch in der Antwort vorgeschlagen: Erhöhen Sie die Werte von R1 und R2 und reduzieren Sie die Belastung des Operationsverstärkers. Der Schaltungsstrom beträgt bis zu Mikroampere. Die aktivste Komponente, der Ausgang des Operationsverstärkers, ist grau dargestellt.

Signaldiagramme nach dem Update

Die meisten SMPS vom ATX-Typ haben nur genug Speicherkapazität für einen Ausfall von 1 Zyklus bei Nennleistung. Wenn Sie 2,3,4 oder mehr Zyklenspeicherkapazität für vorübergehende Ausfälle benötigen, ist mehr Kapazität erforderlich, sodass Sie nur 50 %, 25 % oder weniger der Nennkapazität nutzen. Andernfalls ist eine USV-Batteriesicherung die bevorzugte Lösung für zuverlässige DC-DC- oder DC-AC-Ausgänge.
@TonyStewart.EEseit '75 taucht die Wechselspannung hier regelmäßig in den Bereich ein, in dem USVs in Verbraucherqualität auf Batterieausgang umschalten, dann Strom aus dem Netz erfassen, zurückschalten und schließlich einfach zwischen den Zuständen hin und her schlagen. Tolle Informationen zur Erhöhung der Kapazität für ATX-Zubehör.
Der bevorzugte Ansatz in Ihrer Situation ist möglicherweise der USV-Typ, der immer mit Erhaltungsladung verwendet wird und dann nicht abschaltet, bis die Ah-Kapazität erschöpft ist.

Antworten (1)

Meine Kommentare

  1. Wenn "SIG" der Ausgang eines Vollgleichrichters ist, wird der Kondensator C1 die Gleichstromkomponente fallen lassen, bevor sie Ihre Klemmschaltung erreicht. Sie werden ein Signal an BufferOUT haben, das über und unter der Erde variiert. Wie viel darüber und darunter genau, hängt von der genauen Form der Wellenform bei SIG ab.

    Dies führt auch dazu, dass Ihr Ausgang zurück zu 5 V tendiert, wenn der SIG-Eingang lange Zeit konstant bleibt.

  2. 60 V Eingang und 4 kOhm an R1 implizieren, dass Sie mit 10 mA Strom arbeiten. Der Operationsverstärker muss diesen gesamten Strom aufnehmen, wenn er als Klemme arbeitet. Der LM324 sinkt garantiert nur um 10 mA. Normalerweise sollte es 20 mA tun, aber keine Versprechungen.

    Sie können die Notwendigkeit des Operationsverstärkers verringern, große Ströme zu senken, indem Sie D2 durch den be-Übergang eines pnp-Transistors ersetzen und den Kollektor mit Masse verbinden.

  3. Diese Klemmschaltung hängt davon ab, dass der Operationsverstärker schnell zwischen gesättigtem und aktivem Betrieb umschalten kann. Die meisten modernen Operationsverstärker sind darin nicht gut, obwohl ich den '324 nicht speziell kenne.

Warum nicht einfach einen 5-V-Zener verwenden und fertig?

Was er tun möchte, ist den Bereich von 24 bis 40 Volt in 0 bis 5 Volt umzuwandeln, wobei Ausschläge außerhalb dieses Bandes auf 0 und 5 begrenzt werden. Also nein, ein einfacher 5-V-Zener reicht nicht wirklich aus.
Danke, @The Photon. Ich suchte auf einem Baum nach Fischen. Eine einzelne Zenerdiode hat den Zweck erfüllt, wie in einem Update zu meiner Frage veranschaulicht. Ich bin mir nicht sicher, ob das Ihr tatsächlicher Vorschlag war, aber ich habe in den 20 Artikeln, die ich in den letzten 3 Tagen zu diesem Thema gelesen habe, kein anderes ähnliches Beispiel für die Verwendung eines Zeners mit einem Operationsverstärker zum Ausgleich von DC gesehen! Danke auch für den Hinweis zur Reduzierung des Stroms.
Und Sie hatten sehr Recht mit dem Verhalten des Operationsverstärkers. Überall dort, wo die Signalspitzen (obwohl abgeschnitten) der Versorgungsspannung zu nahe kamen, stiegen sie auf 40 mA an und versuchten, sie zu reduzieren. Das Anpassen der bdvs der Clipping- und Offset-Zener fand schließlich den Sweetspot, daher der 4,7-V-Zener anstelle von 5 V.
@WhatRoughBeast, wer hätte das gedacht? Ein einzelner Zener in der Rückkopplungsschleife des Operationsverstärkers führt tatsächlich den Spannungsoffset durch.
@venzen, eine Sache, auf die Sie bei Ihrem Design achten sollten: Es gibt zwei Lösungen, bei denen der Zener entweder in Sperrrichtung vorgespannt ist (die gewünschte) oder in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist (was einen Offset von +0,6 V anstelle von -4,7 ergibt). Sie können wahrscheinlich den gewünschten auswählen, indem Sie den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers mit einem angemessenen Widerstand (10 k?) An die Hochspannungsschiene anschließen.
Signalpuffer mit Operationsverstärker-Klemmung und Vorspannung
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