Běžné měřicí přístroje, jako jsou například multimetry, digitální či analogové, měří obvykle stejnosměrné i střídavé napětí. Avšak jejich stupnice a měřicí systémy jsou kalibrovány především pro běžný kmitočet rozvodné sítě - 50 Hz. Poměrně přesně lze měřit ještě i 100 - 200 Hz, ale vyšší kmitočty, jako je například normovaná frekvence pro měření nízkofrekvenčních zesilovačů 1 kHz, již nezměří.

I velmi kvalitní digitální přístroje mají v této oblasti velmi omezené schopnosti, neboť přesnost jejich měření závisí na citlivosti a ta je obvykle velmi malá. Proto je lze použít pouze pro měření napětí v určitém rozmezí (1 - 10V), a navíc mezní kmitočty obvykle nepřesahují 10kHz.

Pokud se spokojíme s nižší přesností, pak není problém postavit si kvalitní nízkofrekvenční milivoltmetr, avšak jeho přesnost závisí na přesnosti nastavení, hlavně kalibraci a to je problém. Další možností jak amplitudu střídavých napětí měřit je použít osciloskop. Pokud však nemáte digitální přístroj vyšší kategorie (a tedy i dražší), čeká vás neustálé přepočítávání ze špičkové hodnoty, kterou vlastní okem odečtete z obrazovky osciloskopu, na efektivní, jež nás obvykle zajímá. Nehledě na přesnost odečtu z obrazovky je tento způsob dosti pracný. Proto je pro běžné měření, zvláště není-li nutné vyžadovat obzvláštní přesnost, dostačující použití tohoto nízkofrekvenční usměrňovače.

Jedná se vlastně o doplněk, který střídavý signál usměrní a umožní změření výsledné hodnoty na obyčejném stejnosměrném voltmetru. Zapojení je dosti jednoduché, zvláště vzhledem ke svým možnostem. Měřené napětí se připojí na vstup IN1. Kondenzátor C1 (1µF) oddělí stejnosměrnou složku a propustí pouze žádanou střídavou hodnotu. Rezistor R1 (1MΩ) zajišťuje stejnosměrnou hodnotu vstupu na hladině poloviny napájecího napětí, a tím i vysokou citlivost přípravku. Hodnota rezistoru R1 (1MΩ) určuje současně vstupní odpor usměrňovače.

Následuje ne-invertující zesilovač se zesílením 1 (sledovač) tvořený operačním zesilovačem I02 (TL071). Použitý typ TL071 plně vyhovuje pro kmitočtový rozsah 10Hz až cca. 100 kHz. Protože však měření napětí i frekvencí nad 40 kHz (ultra-zvuk) není příliš obvyklé, je frekvenční omezení na 200 kHz (doporučený mezní kmitočet) přijatelné. Dále následuje opětovné oddělení střídavé složky dvojicí kondenzátorů C3 a C4 (22µF). Protože se stejnosměrná polarita může měnit, respektive polarita stejnosměrné úrovně není dostatečně výrazná a unipolární kondenzátor s touto kapacitou (10µF) by byl dosti drahý, bylo použito dvojice sériově zapojených kondenzátorů se vzájemně přehozenou polaritou.

Vlastní usměrňovač je tvořen operačním zesilovačem I01a (TL072), rezistorem R8 (4,7kΩ) a diodami D1 a D2 (1N4148). Protože operační zesilovač je zapojen jako invertující, objeví se na jeho výstupu záporné napětí (proti GND), je-li na jeho vstupu kladné. Při záporné půlvlně je D2 (1N4148) uzavřena a signál je veden pouze přes I01b (TL072), který signál invertuje. Při kladné půlvlně se D2 (1N4148) otevře a na její anodě se objeví invertovaný vstupní signál. Na invertujícím vstupu I01b (zapojený jako součtový invertující zesilovač) se sečte invertovaný signál z usměrňovače se vstupním. Protože signál z usměrňovače je více zesílen, je na výstupu I01b opět kladné napětí.

Na přesnosti rezistorů R3 až R7 (10kΩ) závisí rovněž přesnost usměrňovače, a tedy je také použito paralelního zapojení R6 a R7, abychom ve výsledku dostali právě hodnotu poloviční. Takto jsme získali absolutní hodnotu napětí, kterou však je nutné vynásobit koeficientem přibližně 1,11 abychom získali hodnotu potřebnou, tedy efektivní. Proto je ve zpětné vazbě I01b (TL072) zapojen rezistor spolu s odporovým trimrem, který umožňuje následně výstupní hodnotu napětí upravit, aby měřicí přístroj ukazoval žádanou efektivní úroveň napětí o správné hodnotě. Rezistory na neinvertujících vstupech operačních zesilovačů snižují vliv proudové nesymetrie vstupů. Rezistor R2 (10kΩ) s kondenzátorem C2 (100nF) již pouze filtrují výstupní napětí, jejich použití není nutné, avšak zlepšují přesnost měření na nižších kmitočtech a zabraňují pronikání napěťových špiček na vstup měřicího přístroje (a tedy náhodné naměřené vysokých hodnot).

Protože operační zesilovače potřebují pro správnou činnost symetrické napájení, vytvářejí rezistory R11 a R12 (2,2kΩ) umělý střed napájení. Zapojení je určeno jako přípravek pro multimetry, a proto i napájení je doporučeno z 9V baterie. V praxi však lze použít až 36 V (respektive ±18 V při vynechání R11 a R12) v případě vestavby do již existujícího měřicího přístroje.

Zapojení je umístěno na jednostranné desce plošných spojů. Osazování lze provádět obvyklým způsobem, tedy nejprve SMD kondenzátory, poté rezistory, kondenzátory, odporový trimr, diody a nakonec operační zesilovače. Zapojení by při pečlivé práci mělo fungovat na první pokus. Potíže nastanou až v okamžiku kalibrace.

Přestože jsou v konstrukci použity rezistory s přesností 1 %, bude nutné nastavit trimrem P1 (1kΩ) zesílení I01b (TL072). Proto je vhodné pro nastavování použít zdroj signálu o známé amplitudě (respektive efektivní hodnotě), nejlépe s normovaným kmitočtem 1kHz. Tento zdroj připojíme na vstup přípravku, na výstup zapojíme voltmetr a trimrem nastavíme údaj na displeji na správnou hodnotu. Tím je oživování skončeno a přípravek je připraven k práci.

Kdo chce a má možnost, může ještě zkontrolovat přesnost v celé šíři pásma měření, případně si i pohrát s typy použitých operačních zesilovačů tak, aby mezní kmitočet byl vyšší. Podobné usměrňovače je možno najít i v profesionálních měřicích přístrojích, a proto je možno tento přípravek považovat za bohatě postačující pro běžnou amatérskou praxi. Je však třeba si uvědomit, že pro správné měření nesmí vstupní špičková hodnota přesáhnout úroveň napájecího napětí přibližně 4V (Uššvst = Unap - 4V), tedy s 9V baterií dostačuje právě tak pro napětí 1Vef. Dolní mezní citlivost je dána nesymetrií vstupů, a v praxi jsem odzkoušel měření hodnot již od 20mV.

Seznam součástek

• Informaci pro tuto konstrukci jsem především čerpal z katalogového listu „datasheets“ obvodu LM3915 (strana 8 – 9), kde je podrobný rozbor tohoto typu usměrňovače, včetně obvodového řešení a inspiraci pro konstrukci jsem čerpal z časopisu KTE (www.radioplus.cz) – ročník 2000.

Download & Odkazy

• Domovská stránka autora - http://michal.slansky.sweb.cz/
• Datasheet, ze kterého byly čerpány informace pro usměrňovač s OZ.