Мостовая схема усилителя: принцип работы, типы и применение

Что такое мостовая схема усилителя. Как работает мостовой усилитель. Какие бывают типы мостовых схем. Где применяются мостовые усилители. Каковы преимущества использования мостовой схемы.

Что представляет собой мостовая схема усилителя

Мостовая схема усилителя — это способ соединения двух одинаковых усилителей для увеличения выходной мощности. Основные особенности мостовой схемы:

• Используются два идентичных усилителя, работающих в противофазе
• Нагрузка подключается между выходами усилителей
• Позволяет получить в 4 раза большую мощность по сравнению с одиночным усилителем
• Не требует увеличения напряжения питания

Такое включение позволяет эффективно суммировать мощности двух усилителей на общей нагрузке. При этом напряжение на нагрузке получается в 2 раза больше, чем у одиночного усилителя.

Принцип работы мостового усилителя

Принцип работы мостовой схемы основан на противофазном включении усилителей. Рассмотрим основные моменты:

1. На входы усилителей подаются противофазные сигналы
2. Когда на выходе первого усилителя напряжение растет, на выходе второго — падает
3. Нагрузка подключена между выходами, поэтому на ней действует удвоенное напряжение
4. Ток через нагрузку протекает поочередно от каждого усилителя
5. В результате на нагрузке выделяется в 4 раза большая мощность

Таким образом, мостовая схема позволяет эффективно суммировать мощности двух усилителей без увеличения напряжения питания. Это дает возможность получить большую выходную мощность при использовании типовых транзисторов или микросхем.

Основные типы мостовых схем усилителей

Существует несколько вариантов реализации мостовой схемы усилителя:

1. Классическая мостовая схема

Использует два одинаковых усилителя, работающих в противофазе. Простая и эффективная схема.

2. Квазикомплементарная мостовая схема

Применяется, когда нет комплементарных пар транзисторов. Один усилитель собран на n-p-n, второй на p-n-p транзисторах.

3. Мостовая схема с общей землей

Один из усилителей инвертирующий, что позволяет использовать общую землю. Упрощает конструкцию.

4. Мостовая схема на интегральных усилителях

Использует готовые микросхемы усилителей мощности. Простая в реализации.

Выбор конкретной схемы зависит от требуемой мощности, доступной элементной базы и других факторов.

Где применяются мостовые усилители

Мостовые схемы усилителей нашли широкое применение в различных областях:

• Автомобильная аудиотехника
• Портативные акустические системы
• Бытовая Hi-Fi аппаратура
• Профессиональное звуковое оборудование
• Промышленные усилители мощности
• Сервоприводы и управление двигателями

Особенно эффективно использование мостовых схем там, где требуется большая выходная мощность при ограниченном напряжении питания. Например, в автомобильных усилителях, работающих от бортовой сети 12В.

Преимущества использования мостовой схемы

Мостовая схема усилителя имеет ряд существенных преимуществ:

1. Увеличение выходной мощности в 4 раза без повышения напряжения питания
2. Снижение нелинейных искажений за счет двухтактной работы
3. Увеличение коэффициента полезного действия усилителя
4. Улучшение демпфирования нагрузки
5. Возможность работы на нагрузку меньшего сопротивления

Эти преимущества делают мостовую схему очень привлекательной для построения мощных высококачественных усилителей в различных приложениях.

Особенности проектирования мостовых усилителей

При разработке мостового усилителя необходимо учитывать некоторые важные моменты:

• Тщательный подбор пар идентичных усилителей
• Обеспечение точной противофазности входных сигналов
• Применение схем защиты от перегрузки и короткого замыкания
• Использование симметричного двуполярного питания
• Тщательная компоновка и экранирование для предотвращения самовозбуждения

Правильный учет этих особенностей позволяет реализовать все преимущества мостовой схемы и получить качественный мощный усилитель.

Расчет мощности мостового усилителя

Выходная мощность мостового усилителя может быть рассчитана по формуле:

P = U^2 / (2 * R)

где:

• P — выходная мощность, Вт
• U — напряжение питания усилителя, В
• R — сопротивление нагрузки, Ом

Например, для напряжения питания 30В и нагрузки 4 Ом получим:

P = 30^2 / (2 * 4) = 112,5 Вт

Это в 4 раза больше мощности, которую можно получить на одиночном усилителе при тех же условиях.

Заключение

Мостовая схема является эффективным способом увеличения выходной мощности усилителя. Она позволяет получить высокую мощность при относительно низком напряжении питания. Благодаря своим преимуществам мостовые усилители широко применяются в различных областях техники, где требуется большая выходная мощность.

Мостовая схема усилителя на транзисторах

Определение назначения, анализ технических характеристик и описание принципиальной схемы усилителя мощности звуковой частоты. Выбор контрольных точек усилителя, расчет трансформатора и стабилизатора напряжения прибора. Алгоритм диагностики усилителя. Анализ эксплуатационных, механических, климатических, конструктивных и электрических требований к усилителю мощности звуковой частоты. Анализ функциональной и принципиальной схемы устройства. Аналитическая компоновка стереоусилителя.

Поиск данных по Вашему запросу:

Мостовая схема усилителя на транзисторах

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

• Мостовые усилители мощности
• Мостовой усилитель мощности звуковой частоты
• Балансный мостовой усилитель мощности (250 Вт)
• На сайте радиочипи представлены принципиальные схемы сабвуферов, собранные своими руками
• Звуковые усилители класса D: что, зачем и как?
• Транзисторные УНЧ
• Классификация электронных усилителей
• Усилитель мощности, выполненный по мостовой схеме.

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Схема и принцип работы полного моста с плавающей землёй на верхних ключах.

Мостовые усилители мощности

На самом деле, Вт номинальной мощности — это здоровенная величина, абсолютно не уместная для домашних утех, а скорее обоснованная в профессиональной аппаратуре для озвучки больших концертных залов. Однако если кривая совокупного радиолюбительского спроса смещается в сторону подобных исполинских мощностей, то не пройдём стороной и мы, а задержим свои взгляды на схеме довольно мощного усилителя, построенного на массовых и недорогих микросхемах TDA Найдутся ли энтузиасты, готовые рассеять лишние Вт тепла и развлечься поддержанием неизменного напряжения киловаттного БП?

Как-то не уверен. Хотя, почему и нет? D1 и D2 включены в штатном для микросхем TDA мостовом режиме, в строгом соответствии с datasheet-ом производителя. Все преимущества представленного на схеме подключения выходных полевых транзисторов мы рассмотрели на предыдущей странице ссылка на страницу.

Разница состоит лишь в том, что количество их в каждом плече увеличено до двух, а в истоки добавлены резисторы номиналом 0,2 Ом для некоторого выравнивания характеристик запараллеленных транзисторов. Мощность у них должна быть — не менее 5Вт. Каждая из половин мостового усилителя настраивается по постоянному току отдельно в соответствии с рекомендациями, приведёнными ранее см.

По-хорошему, совсем не лишним будет отобрать пары транзисторов в каждом плече по максимально близким параметрам напряжений отсечки. Если нет такой возможности, следует предусмотреть отдельный подстроечник на каждый из выходных транзисторов. А теперь дозвольте пару слов о серьёзном! Положим, мы собрали и настроили с эквивалентом нагрузки усилитель, мощностью Вт, по приведённой выше, или, не суть, какой-либо другой мостовой схеме.

А какой должна быть акустическая система, чтобы пропустить через себя без душещипательных повизгиваний подобную богатырскую мощь? Кто знает, тот поймёт — очень большой и очень недешёвой. А если из нашей рукожопой конструкции, ни с кем не посоветовавшись, отвалится небрежно приляпанный проводок? Результат очевиден — постоянное напряжение на выходе и, как итог, скоропостижный кирдык акустике.

Так что, будьте бдительны и осторожны — в усилителях без разделительных конденсаторов на выходе может орудовать постоянка! Применяйте схемы защиты акустических систем в усилителях с непосредственной связью! Если неохота паять схему защиты — ставьте разделительные конденсаторы. А как лучше выполнить эти манипуляции?

Рассмотрим все эти прибамбасы на следующей странице. Уважаемые господа радиолюбители и прочие, сочувствующие им рукоделы! Судя по одним и тем же взываниям о помощи, скопившимся у меня на почте — выделенный жирный текст и восклицательные знаки — это пустячок, не требующий высокого внимания достопочтенной публики. А ведь впихнуть проволочный резистор в исток довольно высокочастотного транзистора — это Вам не шубу в трусы заправлять и не козявки из-под носа хавать, а верный путь к неконтролируемой паразитной генерации усилителя.

Генератор получается почти классическим — индуктивность, состоящая из обмотки резистора, и положительная обратная связь, образованная ёмкостью затвор-исток транзистора.

Результат — ВЧ-колебания на частоте около десятка МГц, которые низкочастотным осциллографом ещё и хрен зафиксируешь. Учитывая высокую амплитуду и несимметричную форму колебаний, на ёмкости затвора накапливается электрический заряд, увеличивающий потенциал Uзи, что, в свою очередь, приводит к устойчивому нарастанию выходного тока полевика.

И не стоит размышлять о том, что проволочный резистор непременно должен внешне отличаться от непроволочного. Это тот случай, когда думать вредно — только справочная информация спасёт жизнь неповинным полупроводникам, сэкономит бюджет, а также время Ваше и моё, кстати, тоже. Резистор углеродистый, или резистор металлооксидный, или резистор металлодиэлектрический, или резистор плёночный — вот что должно быть написано в технических характеристиках применяемого элемента.

Вполне вероятно, что необходимого номинала непроволочного резистора Вам найти не удастся. Ничего страшного — используйте параллельное соединение нескольких элементов. Хуже от этого никому не будет! Антипаразитные резисторы во входных цепях транзисторов должны находиться в непосредственной близости с затвором полевика не более 5мм. Если транзисторы установлены не на плате, а подсоединяются к ней проводками — подпаивайте эти резисторы непосредственно к затворам.

Спасибо за внимание, всем удачи и творческих успехов в УНЧ-строении. Свежие новости Все остальные свежие новости обитают на главной странице. Усилитель мощностью Вт на интегральных микросхемах TDA

Мостовой усилитель мощности звуковой частоты

В предыдущих постах мы рассматривали структурные схемы усилителей низкой частоты и методы повышения их выходной мощности. Это огрничение вытекает из законов физики и его в рассмотренных схемах нельзя преодолеть. Увеличить выходную мощность возможно, используя два одинаковых усилителя, работающих на одну и ту же нагрузку. Причем усилители надо включить так, чтобы один усилитель был подключен к одному ее выводу, а другой — ко второму, сами усилители должны работать в противофазе. При этом, когда на выходе правого усилителя напряжение будет снижаться, на выходе левого — повышаться. Такая схема усилителя называется мостовой и позволяет при низком напряжении питания усилителя получить большую мощность. Для обеспечения ее нормальной работы внутренняя схема стабилизации поддерживает одинаковыми постоянные напряжения на выходах усилителей, что исключает протекание постоянного тока через нагрузку.

Схема автомобильного усилителя с сабвуфером · Усилитель на полевом транзисторе для компьютера · Электронный TDA мостовая схема.

Балансный мостовой усилитель мощности (250 Вт)

Губарев, канд. З 13 Схемотехника усилителей мощности низких частот : учеб. Изложены сведения о существующих схемотехнических решениях в современных УНЧ, приведены варианты схем практических устройств. Рассмотрены построение и работа оконечных каскадов УНЧ и методы их расчета. Приведены основные принципиальные схемы входных и предварительных каскадов усиления, объяснены особенности и принцип действия. Печатается по решению редакционно-издательского совета Омского государственного технического университета. Общие рекомендации Расчет оконечного каскада

На сайте радиочипи представлены принципиальные схемы сабвуферов, собранные своими руками

Эта глава посвящена мостовым схемам, которые часто применяются с измерительными усилителями. Основные методы проверки и поиска неисправностей в подобных устройствах рассмотрены в главе 6. В табл. Характеристики, перечисленные в табл.

Классы электронных усилителей и режимы работы активных усилительных приборов ламп или транзисторов традиционно обозначаются буквами латинского алфавита. Первая буквенная классификация, действующая по сей день режимы А, B и С , сформировалась в е годы и была дополнена режимом, или классом, D в году.

Звуковые усилители класса D: что, зачем и как?

By Dim s , September 22, in Усилитель мощности Ланзар. Но у меня есть вопрос, а на сколько ватт надо сопротивление, на сколько вольт конденсаторы,и на БП по мкФ v хватит с мостом диодов на 37 ампер. Ланзар планар. Мы принимаем формат Sprint-Layout 6! Экспорт в Gerber из Sprint-Layout 6.

Транзисторные УНЧ

Вот одна из мостовых схем. Каждая из половнок моста работают в протвофазе. Но главное в мостовых УНЧ, это исключение постоянного тока через нагрузку. Обратите внимание на фазы сигналов на входах и выходах усилителей. Прочитайте этот материал. Если после прочтения возникнут конкретные вопросы — отвечу. Вход Регистрация.

двухполупериодные:(мостовая \схема Греца\, с нулевым выводом). .. В этой схеме усилитель постоянного тока на транзисторе V2 питается от.

Классификация электронных усилителей

Мостовая схема усилителя на транзисторах

Эта микросхема была распространена в трактах УЗЧ отечественных полупроводниковых телевизоров, в переносной и стационарной звуковоспроизводящей аппаратуре, а также в качестве генератора пилообразного напряжения в узлах кадровой развертки черно-белых телевизоров. К настоящему времени эта микросхема по многим параметрам устарела, и радиолюбители используют ее весьма редко. В популярной литературе уже рассказывалось о различных вариантах применения микросхемы КУН7.

Усилитель мощности, выполненный по мостовой схеме.

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Топ 5 самых популярных схем УНЧ на транзисторах для самодельных аудиосистем и колонок

Усилитель для электрофона предназначен для работы от пьезокерамического звукоснимателя. Индуктивность в цепи фазовой коррекции применил в своем мощном УНЧ В. В усилителе, схема которого изображена ниже высокая линейность даже без ООС достигнута благодаря внутреннему истоковому повторителю на VT Этот повторитель удачно согласует большое более 1 МОм выходное сопротивление каскада усиления напряжения на VT9 с существенно Нельсон отмечает, что в нем устранены некоторые Первый усилитель выполнен по классической схеме: дифкаскад с генератором тока Т1-ТЗ ; усилитель напряжения Т4 с генератором тока Т6 ; двухтактный составной повторитель T9-Т

Элементы мостовой схемы в этом случае служат одновременно делителями напряжения для смещения входов ОУ.

На самом деле, Вт номинальной мощности — это здоровенная величина, абсолютно не уместная для домашних утех, а скорее обоснованная в профессиональной аппаратуре для озвучки больших концертных залов. Однако если кривая совокупного радиолюбительского спроса смещается в сторону подобных исполинских мощностей, то не пройдём стороной и мы, а задержим свои взгляды на схеме довольно мощного усилителя, построенного на массовых и недорогих микросхемах TDA Найдутся ли энтузиасты, готовые рассеять лишние Вт тепла и развлечься поддержанием неизменного напряжения киловаттного БП? Как-то не уверен. Хотя, почему и нет?

Логин или эл. Войти или Зарегистрироваться. Авторизация Логин или эл. Мостовой усилитель Аудиотехника.

Мостовые усилители

Относительно малая единичная мощность транзисторов, особенно в диапазоне СВЧ, часто приводит к необходимости суммировать мощности группы транзисторов.

Параллельные и двухтактные схемы имеют ряд недостатков, вызванных связью транзисторов через общую нагрузку и сопротивление генератора возбуждения: 1) усиление влияния разброса параметров на распределение токов транзисторов, поэтому приходится недогружать транзисторы; 2) увеличение вероятности паразитной генерации в усилителе; 3) снижение надежности, так как выход из строя одного транзистора может вызвать полный отказ всего усилителя.

Эти недостатки устраняются в мостовых усилителях, обеспечивающих взаимную развязку транзисторов.

Структурная схема мостового усилителя на двух транзисторах (рис. 1) содержит следующие элементы. Мост-делитель (ДМ) распределяет мощность возбуждения между транзисторами и обеспечивает их взаимную развязку по входам. Кроме того, он может трансформировать сопротивления и обладает некоторой частотной избирательностью. Совместно с цепями согласования (ЦС) он преобразует входные сопротивления транзисторов в заданное входное сопротивление усилителя.

Цепи согласования необходимы, если нельзя подобрать транзисторы с одинаковыми значениями параметров. Элементы подстройки в ЦС позволяют, регулируя индивидуально напряжения возбуждения, уравнять выходные мощности транзисторов при значительном разбросе их параметров. Мост-сумматор (СМ) складывает выходные мощности транзисторов (Т). Кроме того, он позволяет трансформировать сопротивление нагрузки усилителя в оптимальные сопротивления нагрузки транзисторов.

Рис. 1. Структурная схема мостового усилителя

Некоторые типы мостов не обеспечивают трансформации сопротивлений. В этих случаях трансформирующие звенья включают либо на выходе каждого транзистора, либо на выходе моста-сумматора.

Благодаря «развязывающему» действию мостов напряжение не зависит от напряжения и наоборот. Поэтому любые изменения в режиме одного транзистора не влияют на режим другого. Однако полная развязка между транзисторами существует лишь при определенных соотношениях между параметрами ДМ и СМ и сопротивлениями и соответственно.

В общем случае изменение входных сопротивлений транзисторов вызывает изменение входного сопротивления усилителя, не нарушая развязки. Изменение общей нагрузки усилителя приводит к изменению нагрузок транзисторов и появлению взаимной связи между ними.

Наиболее широко используются синфазные и квадратурные мосты. Оба типа мостов обладают отмеченными свойствами, но имеют и существенные различия. Если входные сопротивления транзисторов изменяются, оставаясь равными, то входное сопротивление синфазного ДМ изменяется, а у квадратурного остается постоянным. Это свойство используется на практике. В условиях значительного перепада температур среды, а также по другим причинам входные сопротивления транзисторов мостового каскада изменяются одновременно и приблизительно одинаково. В этом случае квадратурный ДМ позволяет сохранить неизменным сопротивление нагрузки на предыдущий каскад. Синфазный делитель подобным свойством не обладает. Однако при этом к.п.д. синфазного ДМ остается близким к 1, а к.п.д. квадратурного изменяется, приближаясь к 1 только в режиме согласования с входными сопротивлениями транзисторов, так как постоянство входного сопротивления квадратурного ДМ при отклонении нагрузок от номинального значения достигается за счет рассеяния части мощности генератора в балласте моста. Анализ показывает, что к.п.д. квадратурного ДМ при определяется формулой:

,

(1)

где , – нагрузки моста; – сопротивление согласованной нагрузки квадратурного ДМ.

В табл. 1 и 2 показана зависимость к.п.д. от и , рассчитанная по формуле (1).

Таблица 1. Таблица 2.

	0,25	0,33	0,50	1,00	2,00	3,00	4,00			0,5	1,0	2,0	3,0
	0,64	0,75	0,80	1,00	0,80	0,75	0,64			0,94	0,80	0,50	0,31

В диапазоне СВЧ коэффициент усиления транзисторов по мощности весьма невелик. В этих условиях отсутствие согласования квадратурного ДМ с входным сопротивлением транзисторов может привести к значительному снижению усиления каскада. Поскольку синфазные ДМ не требуют такого согласования параметров с входом транзисторов, регулировка межкаскадной цепи при их использовании оказывается проще.

Аналогично входному, выходное сопротивление усилителя с квадратурными мостами остается постоянным при одинаковых изменениях параметров транзисторов, а в случае синфазных мостов оно изменяется.

Если сопротивления и (рис. 1) стабильны, то любой тип моста обеспечивает глубокую развязку. В многокаскадных усилителях – выходное сопротивление предыдущего каскада, а – входное сопротивление следующего каскада. Из сказанного следует, что эти сопротивления могут быть стабильными при использовании квадратурных мостов. Следовательно, такие мосты дают лучшую развязку.

Введение в схемы моста Уитстона и дифференциальные усилители | Блоги

Если вам нужно точно измерить сопротивление, мост Уитстона — это простая схема, позволяющая сделать это путем измерения напряжения. Несмотря на простоту моста Уитстона, его эффективное использование может оказаться сложной задачей. В этой статье мы рассмотрим мостовые схемы Уитстона, как они работают и как мы можем эффективно использовать их с современной электроникой.

Во многих типах датчиков внутри используется мост Уитстона, поскольку сопротивление, измеренное в цепи, может быть связано с каким-либо другим явлением, вызывающим изменение сопротивления датчика. Вы найдете схемы моста Уитстона во всех типах устройств, основанных на сжатии и растяжении, таких как датчики давления воздуха и жидкости, тензодатчики и многое другое. Хотя в некоторых устройствах есть интегральная схема, обеспечивающая усиление мельчайших изменений напряжения, также часто используется прямой доступ к мосту, например, в тензодатчике/тензодатчике.

Мосты Уитстона — это одна из тех схем, с которыми вы, возможно, не сталкивались раньше, но которые, вероятно, есть внутри какого-то устройства или датчика, который вы используете. Например, практически во всех цифровых весах используется тензодатчик на основе моста Уитстона. Простота и эффективность моста Уитстона делают его невероятно мощной схемой, даже если она имеет относительно узкое применение.

Примечание. В этой статье есть немного математики, чтобы помочь вам понять, как определить неизвестное сопротивление, но это очень просто! Это может выглядеть как набор формул, но не отключайтесь, так как это одна и та же формула, разбитая по-разному в надежде облегчить ее объяснение.

Мост Уитстона использует две сбалансированные ветви в мостовой схеме (т. е. два делителя напряжения), чтобы обеспечить связь между напряжением на мостовой схеме и некоторым неизвестным сопротивлением одного резистора в мосте Уитстона. Мост Уитстона простейшего типа уравновешивает две ветви мостовой схемы, одна из которых включает неизвестный компонент. Другими словами, если вы знаете значения трех резисторов, вы можете рассчитать сопротивление неизвестного четвертого резистора, просто измерив напряжение на мосту. Эта схема обеспечивает изменение напряжения по мере изменения сопротивления, позволяя микроконтроллеру или другому устройству измерять сопротивление неизвестного элемента путем считывания напряжения через АЦП.

Типичные области применения схем моста Уитстона в современных устройствах, в первую очередь, включают тензометрические датчики, тензодатчики, датчики давления, датчики относительной влажности, термисторы и датчики резистивного термометра (RTD). Мост Уитстона способен измерять минимальные изменения сопротивления до уровней миллиОм, если используемый АЦП имеет достаточное разрешение (высокая разрядность). Обратите внимание, что помимо моста Уитстона существует множество топологий моста. Другие мостовые схемы могут использоваться для измерения емкости, индуктивности и импеданса; однако мы не будем рассматривать их в этой статье.

Принцип работы моста заключается в использовании четырех резисторов, обычно представленных в форме ромба. В Altium Designer® нам нужно представить это в виде коробки, как показано выше. Здесь у нас есть три известных сопротивления и четвертый резистор с неизвестным значением. Когда мы подаем напряжение на верхнюю и нижнюю клеммы моста, как показано выше, мост создает два параллельных делителя напряжения. Если напряжение измеряется в центре моста, его можно преобразовать в сопротивление, используя формулы, которые я покажу здесь. Эти формулы достаточно просты, чтобы их можно было реализовать в небольшом микроконтроллере.

Для начала, глядя на приведенную выше схему, вы должны увидеть, что напряжение между V0 и V1 будет равно 0 В, когда четыре резистора удовлетворяют следующему соотношению.

Здесь, Р? является неизвестным резистором, а остальные три резистора имеют известное значение. Здесь мы можем решить приведенную выше формулу для R? для этого конкретного случая, когда напряжение между V0 и V1 равно 0 В.

Это условие можно использовать для калибровки моста Уитстона с помощью варистора или потенциометра, но оно не помогает нам определить неизвестный резистор в других случаях .

Чтобы определить значение неизвестного резистора, давайте рассмотрим схему, показанную выше, немного дальше. Напряжение на резисторе R2, измеренное в точке V0, будет:

. В приведенном выше мосту знайте, что он будет состоять из резисторов 10 кОм, поэтому V0 будет составлять половину входного напряжения 5 В:

Другими словами, V0 всегда должен быть 2,5 В, если мы используем качественные резисторы. Это будет иметь место независимо от того, что произойдет с неизвестным резистором. Теперь делитель напряжения с портом V1 имеет неизвестный резистор, поэтому у нас есть аналогичное уравнение для напряжения на резисторе R? (измерено на порту V1):

Поскольку мы измеряем разницу между напряжениями на двух портах, мы можем написать V = V0 — V1 и подставить приведенные выше уравнения в это выражение. Это дает нам следующее:

Обратите внимание, что вы можете видеть, что у нас будет V равно 0, если неизвестный резистор R? равно R3*R2/R1, т. е. если мост уравновешен.

Когда V0 и V1 подключены к дифференциальному АЦП, мы можем измерить положительную и отрицательную разность напряжений с помощью микроконтроллера или другого устройства. Дифференциальное напряжение вызвано тем, что неизвестный резистор не равен другому резистору — мост не сбалансирован. Следует отметить, что в практических приложениях вам, вероятно, потребуется усилить сигнал, прежде чем подключать его к дифференциальному усилителю.

Приложив немного алгебры и измерив эту разность напряжений V, мы можем решить приведенное выше уравнение для R? и рассчитайте значение неизвестного резистора:

Помните, что V — это дифференциал между V0/V1, а VS — это напряжение питания, подаваемое на мост Уитстона. В нашем примере при R1 = R2 = R3 = 10 кОм мы можем вычислить неизвестное сопротивление R? если бы мы измерили разницу в 1 В на мосту. В этом случае неизвестное сопротивление будет:

. Вы можете подтвердить это, рассчитав выходное напряжение обоих делителей по отдельности, один обеспечивает 2,5 В (известный), а другой обеспечивает 1,5 В. Если вам нужен онлайн-калькулятор, как проверка работоспособности, мне нравится та, что на Калькуляторе закона Ома. Как человек, страдающий дислексией, даже простые формулы могут сбить меня с толку, поэтому я обычно полагаюсь на онлайн-калькуляторы в качестве проверки здравомыслия — не расстраивайтесь, если вам тоже нужен онлайн-калькулятор!

Как правило, применение моста Уитстона в реальном мире дает гораздо менее существенные изменения сопротивления. Тем не менее, вы захотите использовать его с усилителем или АЦП с программируемым усилителем усиления. Например, с тензодатчиком я нередко использую усиление в 128 и более раз.

Хотя могут быть приложения, в которых вы можете использовать мост Уитстона напрямую, реальные приложения для моста Уитстона обычно приводят к перепаду в микровольтах или милливольтах в лучшем случае. Например, в моей статье в блоге Octopart,  Чтение напряжения слабого сигнала , я ссылаюсь на тензодатчик, в котором используется довольно типичный тензодатчик моста Уитстона. Тензодатчик на 100 кг обеспечивает изменение напряжения только на 50 мкВ на килограмм. Это не очень удобно для прямого подключения к микроконтроллеру или другой логике. Итак, как вы его используете?

Дифференциальный усилитель

Самый простой способ сделать изменение напряжения более полезным — использовать дифференциальный усилитель общего назначения, не требующий специализированного АЦП!

Используя конфигурацию дифференциального усилителя, мы можем усилить разницу между двумя делителями напряжения моста Уитстона, которые затем могут быть поданы на АЦП микроконтроллера или другое устройство. Мостовая схема Уитстона преобразует изменение сопротивления в изменение напряжения, а усилитель делает изменение напряжения полезным. Это весьма полезно при работе с датчиками, которые демонстрируют очень небольшие изменения сопротивления, так как теперь можно легко считывать разницу напряжений.

В качестве альтернативы можно использовать инструментальный усилитель вместо дифференциального усилителя общего назначения для большей точности.

Высокоимпедансный усилитель

Для большей точности мы можем сначала буферизовать выход моста Уитстона. Благодаря высокому входному сопротивлению повышается стабильность и точность схемы. Вы можете реализовать это с помощью буферных усилителей (единичное усиление) или просто использовать в качестве буфера другой операционный усилитель без усиления. Используя пакет с четырьмя усилителями, вы можете буферизовать, а затем усиливать с помощью одного пакета IC.

Инструментальный усилитель

На этом этапе мы могли бы продвинуть эту схему еще дальше, добавив несколько дополнительных резисторов для создания инструментального усилителя. Вместо этого мы возьмем более точный, компактный и точный вариант и простую конструкцию с использованием интегральной схемы инструментального усилителя. Инструментальный усилитель позволит нам очень точно усилить сигнал, не беспокоясь об использовании резисторов 0,1% или лучше для операционных усилителей или настройке каждой схемы, которую мы создаем, для точности. Производитель ИС уже сделал это на заводе. Хотя инструментальный усилитель стоит дороже, чем одиночный операционный усилитель общего назначения, он обеспечивает экономию средств, поскольку является доступным решением ИС, не требующим высокоточных внешних компонентов для правильной работы. Экономию пространства и сокращение строки спецификации (и, следовательно, запасов и питателей на линии комплектования и размещения) также нельзя игнорировать.

Инструментальный усилитель позволит нам точно усиливать сигналы между двумя входами, а также иметь отличное подавление синфазных помех. Таким образом, любые электрические помехи, обнаруженные на кабелях или дорожках нашего моста Уитстона, будут игнорироваться, поскольку они должны быть почти идентичными для обеих наших сетей. Резистор настройки усиления отделен от наших входов, его легко рассчитать и легко развести. Резистор усиления также можно настроить с помощью цифрового потенциометра, или некоторые инструментальные усилители имеют встроенные цифровые потенциометры, которые можно настроить по обычным протоколам, таким как I2C или SPI.

В качестве дополнительного бонуса многие инструментальные усилители имеют эталонный контакт, который позволяет подавать на сигнал смещение постоянного тока, что еще больше упрощает считывание выходного сигнала мостовой схемы Уитстона с устройства с однополярным питанием, такого как микроконтроллер.

Вы найдете функцию усиления для усилителя в таблице данных, например, в таблице данных Texas Instruments INA821 мы находим функцию:

Используя это уравнение, мы можем легко рассчитать правильное значение Rg для получения усиления мы хотим, чтобы наш усилитель имел. Если бы мы хотели получить усиление 100, мы могли бы упростить и изменить уравнение так:

Следовательно, резистор на 499 Ом для RG даст нам почти ровно 100 коэффициент усиления.

Если вы немного затрудняетесь с перестановкой формул/алгебраических уравнений, как всегда, есть отличный онлайн-калькулятор — в этом случае проверьте его на SymbolAB. Чтобы рассчитать усиление 100, как я сделал выше, вы можете ввести что-то вроде 100 = 1+(49400/x), и это решит x за вас.

Это даст нам схему (без развязывающих колпачков), которая выглядит так, как показано выше, — намного проще, чем другие схемы, которые мы рассматривали, верно?

Настройка усиления

Вам может быть интересно, какое усиление вам нужно и какое значение вы должны установить на эталонном выводе на инструментальном усилителе. У Analog Devices есть удобный онлайн-инструмент под названием Diamond Plot. Этот инструмент позволяет вам выбирать параметры, такие как усиление/напряжение питания и Vref, чтобы вы могли максимизировать рабочий диапазон инструментальных усилителей и настроить инструментальный усилитель на АЦП или другое приложение. Используя такой инструмент, вы можете гарантировать, что вы создадите максимально возможный динамический диапазон, чтобы получить сигнал с самым высоким разрешением, которое вы можете. Инструмент также будет генерировать удобные предупреждения, если у вас есть неправильные параметры. Различные факторы могут привести к внутреннему насыщению сигнала, что может уменьшить максимальный динамический диапазон вашего сигнала или привести к отсечению и другим проблемам.

Например:

• Сигнал входного напряжения слишком высок для заданного усиления
• Слишком высокое опорное напряжение для генерируемого сигнала выходного напряжения
• Напряжение питания слишком низкое

Этот инструмент может помочь выбрать правильные параметры инструментального усилителя для вашего приложения.

Допустим, мы изменили первоначально отображаемые параметры примера. В этом случае вы можете увидеть, что он сообщит нам, что мы сделали что-то не так, и даст предложения о том, что нужно изменить, чтобы привести сигнал в соответствие с возможностями устройства.

Этот инструмент разработан специально для компонентов Analog Devices. Тем не менее, существует широкий спектр деталей Analog Devices, доступных для использования с ним. Если вы хотите использовать устройство от конкурента, вы, вероятно, можете найти часть AD с аналогичными параметрами и использовать ее в инструменте.

Примеры инструментального усилителя

Если вы хотите использовать инструментальный усилитель с мостом Уитстона, рассмотрите некоторые из этих недорогих вариантов от Analog Devices, Texas Instruments и Maxim Integrated.

Параметр	ИНА332	МАКС4208	АД8293Г160
Тип	Железнодорожный	Железнодорожный	Железнодорожный
Диапазон усиления	1000 В/В	100 В/В 1000 В/В ограниченная скорость нарастания (1000+ мкс)	160 В/В
Ошибка усиления	+/- 2 ppm/по Цельсию	+/- 25 частей на миллион/по Цельсию	+/- 5 частей на миллион/по Цельсию
Скорость нарастания	5 В/мкс	0,08 В/мкс	~1 В/мс (фильтр ограничен)
-3 дБ Полоса пропускания	2 МГц	750 кГц	500 Гц
Напряжение смещения	2 мВ	3 мкВ	9 мкВ
Напряжение смещения	2 мВ	3 мкВ	9 мкВ
Входное смещение	0,5 пА	1 пА	400 пА
Блок питания	415 мкА	1,4 мА	1 мА
Выходной ток	48 мА	25 мА	35 мА
ОКМРР	73 дБ	96 дБ	140 дБ
Напряжение питания	2,5–5,5 Одинарный +–1,25–2,75 Двойной	2,85–5,5 Одинарный +–1,425–2,25 Двойной	1,8–5,5 Одинарный +-0,9 — 2,75 Двойной
Производитель	Техасские инструменты	Максим Интегрированный	Аналоговые устройства

Эти инструментальные усилители — отличный пример недорогих вариантов, которые можно использовать в ваших проектах. Каждый из них имеет свои сильные и слабые стороны, а широкий спектр возможностей представлен только этими тремя компонентами в зависимости от ваших приложений.

В заключение

Мост Уитстона представляет собой классическую трассу с оригинальным дизайном и концепцией, насчитывающей почти двести лет. Не так много стандартных схем, которые мы используем в современной электронике, выдержали испытание временем, а также мост Уитстона. Простота схемы в сочетании с ее полезностью гарантирует, что мы продолжим использовать их в будущем.

В этой статье мы рассмотрели только основы. Существуют способы улучшить линейность мостовых схем Уитстона. В зависимости от типа датчика и того, как вы используете выходной сигнал моста, мы можем повысить точность и надежность показаний. Мы рассмотрим эти аспекты более подробно в статьях, посвященных датчикам, в будущем. Существует также широкий спектр других мостовых схем, которые, хотя и не так популярны, как мост Уитстона, все же находят применение для измерения емкости и индуктивности среди других величин.

Если вы ищете простой способ быстро улучшить существующую схему моста Уитстона, переход от одного источника питания к двойному — это очень быстрый и простой способ улучшить разрешение, сгладить кривую отклика и улучшить помехоустойчивость. Например, если вы в настоящее время используете цепь 5 В и GND, добавление инвертирующего импульсного источника питания на основе подкачки заряда обойдется вам в три дешевых компонента и даст вам питание -5 В. Имея питание +5В/-5В на вашей мостовой схеме, ваш выход будет сбалансирован на уровне 0В/земля. Это улучшит подавление, и любой универсальный или инструментальный усилитель с напряжением питания от шины до шины с двойным питанием сможет использовать выходной сигнал без каких-либо изменений. Единственное другое изменение, которое вам нужно будет рассмотреть, — это смещение выхода усилителя, чтобы гарантировать, что минимальное и максимальное напряжения находятся в пределах диапазона, который может легко прочитать ваш АЦП или другая схема.

Хотите узнать больше о том, как Altium может помочь вам в разработке вашей следующей печатной платы? Поговорите с экспертом Altium.

Мостовая схема усилителя | Видео TI.com

Электронная почта

Здравствуйте. Добро пожаловать в наше короткое видео о том, как спроектировать схему мостового тензометрического усилителя с однополярным питанием. На этой схеме представлен тензометрический мостовой усилитель с однополярным питанием. Сопротивление тензорезистора зависит от приложенной к нему силы. При изменении сопротивления на мосту создается дифференциальное напряжение, которое затем усиливается с помощью дискретного инструментального усилителя на двух операционных усилителях. Поскольку размах выходного напряжения инструментального усилителя зависит от синфазного напряжения, резисторы R8 и R9включены в схему для сдвига синфазного напряжения для получения максимального размаха выходного напряжения. Эти резисторы также можно использовать для ограничения тока через мост. Для того чтобы обнаружить как положительное, так и отрицательное дифференциальное мостовое напряжение, выход VO должен быть смещен к середине питания с использованием опорного напряжения V ref. Уравнение для VO представляет собой передаточную функцию этой цепи. Разница между V i 2 и V i 1 представляет собой дифференциальное входное напряжение. Дифференциальное входное напряжение усиливается коэффициентом усиления, который зависит от резисторов R2, R3, R4 и R11. Присутствует опорное напряжение или V ref, поэтому схема может измерять как положительное, так и отрицательное дифференциальное входное напряжение. Первая цель разработки этой схемы — обеспечить выходное напряжение от 225 мВ до 4,72 вольт при дифференциальном входном напряжении от минус 2,22 мВ до плюс 2,27 мВ. Дифференциальное входное напряжение соответствует изменению сопротивления тензорезистора со 115 Ом до 125 Ом. Поскольку дифференциальное входное напряжение может быть отрицательным, опорное напряжение устанавливается равным 2,5 В, чтобы сместить выходное напряжение к среднему уровню питания. Чтобы получить желаемый размах выходного напряжения, синфазное напряжение, или V см, устанавливается равным 2,15 вольт, а коэффициент усиления составляет 1001 вольт на вольт. Первым этапом проектирования является установка мостовых резисторов R5, R6 и R7 равными 120 Ом, чтобы они соответствовали номинальному сопротивлению тензорезистора. Далее рассчитаем номинал резисторов R8 и R9установить синфазное напряжение усилителей. Напряжение синфазного сигнала равно произведению напряжения возбуждения, или V ex, и масштабного коэффициента. Масштабный коэффициент равен половине эквивалентного сопротивления моста, или R моста, плюс R5, деленного на сумму R моста, R8 и R9. Чтобы получить максимальный ток через мост, мы установим R8 равным 0 Ом. Решение уравнения для R9 дает значение 1,23 кОм, ближайшее стандартное значение резистора которого составляет 1,27 кОм. Следующим шагом является выбор резисторов R1, R2, R3 и R4 для установки коэффициента усиления опорного напряжения. При выборе R1 равным R3, а R2 равным R4, усиление опорного напряжения будет составлять 1 вольт на вольт, что позволяет избежать ухудшения коэффициента подавления синфазного сигнала инструментального усилителя, или CMRR. Для этой конструкции мы выберем R1 и R3, равные 5,1 кОм, и R2 и R4, равные 20 кОм. Теперь мы можем рассчитать необходимое значение резистора для R11, чтобы установить усиление инструментального усилителя на уровне 1001 вольт на вольт. Коэффициент усиления инструментального усилителя равен 1 плюс R4, деленный на R3, плюс умноженный на 2 R2, деленный на R11. Решая это уравнение для R11, мы видим, что нам нужен номинал резистора 40,15 Ом, чтобы установить коэффициент усиления 1001 вольт на вольт. Для этой конструкции мы будем использовать ближайшее стандартное значение резистора 40,2 Ом. Изменение сопротивления резистора R10, представляющего собой тензодатчик, со 115 Ом до 125 Ом дает выходное напряжение от 228 мВ до 4,72 В. Это подтверждает работоспособность схемы. При проектировании схемы мостового тензометрического усилителя с однополярным питанием необходимо учитывать несколько замечаний по проектированию. Во-первых, резисторы R5, R6 и R7 моста Уитстона должны соответствовать номинальному сопротивлению тензорезистора и должны быть равны, чтобы избежать возникновения напряжения смещения моста. Затем опорное напряжение V ref смещает выходное напряжение к среднему значению, чтобы обеспечить дифференциальные измерения в положительном и отрицательном направлениях. Наконец, используйте резисторы с малым допуском, чтобы свести к минимуму ошибки смещения и усиления из-за мостовых резисторов. У Texas Instruments есть множество онлайн-ресурсов, которые помогут вам разработать схемы с операционными усилителями. Сюда входят справочные проекты и руководства, обучающие видеоролики, инструменты моделирования и прототипирования, ресурсы поддержки и инструменты поиска. Благодарим вас за то, что нашли время, чтобы посмотреть короткую презентацию о том, как спроектировать схему мостового тензометрического усилителя с однополярным питанием. Пожалуйста, посетите www.ti.com для получения дополнительной информации и ресурсов.

Описание

9 февраля 2020 г.

Тензодатчик — это датчик, сопротивление которого изменяется в зависимости от приложенной силы. Для измерения изменения сопротивления тензорезистор помещают в мостовую конфигурацию.