تقویت کننده تفاضلی با پل وتسون

تقویت کننده تفاضلی با پل وتسون:
مدار تقویت کننده تفاضلی جز مدارات تقویت کننده عملیاتی بسیار کاربردی است. با اضافه کردن مقاومت های بیشتر به صورت موازی با مقاومت های ورودی R1 و R3، مدار حاصل هم قادر به هم جمع کردن و هم قادر به تفریق ولتاژ اعمالی به ورودی های متناظر خواهد بود.

یکی از متداول ترین راه های انجام این کار، اتصال یک پل مقاومتی به ورودی های تقویت کننده عملیاتی است. شکل زیر نحوه اتصال این پل مقاومتی که به پل وتسون (Wheatstone Bridge) مشهور است، را نشان می دهد.

مدار استاندارد تقویت کننده تفاضلی، اکنون تبدیل به یک مدار مقایسه کننده ولتاژ تفاضلی شده است، که یک ولتاژ ورودی را با ولتاژ ورودی دیگر مقایسه می کند.

فرض کنید بخواهیم مداری بسازیم که نسبت به نور محیط حساس باشد و اگر نور محیط از سطح خاصی پایین تر آمد، یک لامپ به صورت اتوماتیک روشن شود.

برای تحقیق این مدار از یک تقویت کننده عملیاتی به عنوان مقایسه کننده ولتاژ و پل وتستون استفاده می شود.

مدار کامل در شکل زیر نشان داده شده است. برای اندازه گیری نور محیط از LDR استفاده می شود که یک مقاومت حساس به نور است و با تغییر نور محیط مقاومت آن تغییر پیدا می کند.

پس به جای یکی از مقاومت های پل وتستون از یک LDR استفاده می شود. دو عدد از مقاومت های پل وتستون (مقاومت های R1 و R2 پایه سمت راست شکل زیر) به عنوان مقسم ولتاژ برای تولید ولتاژ مرجع ثابت در پایانه مثبت تقویت کننده عملیاتی استفاده می شوند.

یک سنسور LDR و یکی مقاومت معمولی متغیر (پتانسیومتر) در پایه سمت چپ پل وتستون قرار می گیرد.

مدار شکل بالا، مانند یک کلید فعال با نور عمل می کند که رله متصل به خروجی را به وضعیت ON یا OFF تغییر می دهد (از رله برای روشن و خاموش کردن لامپ یا هر وسیله الکتریکی دیگر استفاده می شود).

این تغییر زمانی انجام می پذیرد که سطح نور تشخیص داده شده توسط مقاومت LDR از یک مقدار از پیش تعیین شده عبور کند یا کاهش یابد.

پتاسیومتر فیدبک مثبتVR2، برای تنظیم عرض هیسترزیس (تنظیم حساسیت) به کار می رود. وجود این فیدبک مثبت باعث می شود که لامپ در سطوح متفاوتی از شدت نور محیط از حالت روشن به خاموش و یا از حالت خاموش به روشن تغییر وضعیت دهد.

برای مثال می توان سطوح نور برای تغییر وضعیت را بر روی 80 و 20 درصد تنظیم کرد. یعنی اگر فرض کنیم که شدت نور محیط در ابتدا صد در صد باشد (لامپ خاموش است) و نور محیط به تدریج کم شود. آنگاه زمانی که نور محیط به 20 درصد رسید لامپ روشن خواهد شد.

طبیعتا اگر لامپ روشن شود، نور محیط افزایش پیدا می کند. اما زمانی که نور محیط به 80 درصد برسد، لامپ خاموش خواهد شد.

دقت کنید اگر عرض هیسترزیس صفر باشد، بدین معنی است که اگر نور محیط اندکی بیشتر از 20 درصد باشد، لامپ خاموش و اگر اندکی کمتر از 20 درصد باشد، لامپ روشن شود. پس در چنین شرایطی لامپ به صورت متناوب روشن و خاموش شده و حالت پایداری ندارد.

اما اگر عرض هیسترزیس را 60 درصد درنظر بگیریم، لامپ زمانی خاموش خواهد شد که نور محیط بیشتر از 80 درصد شود.

سنسور LDR در واقع یک سنسور فتورزیستور (Photoresistive) است که همان طور که از نامش بر می آید، مقاومت خود را بر حسب مقدار نور دریافتی بر روی سلول هایش تغییر می دهد و در نتیجه مقاومت آن تابعی از روشنایی است.

LDR می تواند هر کدام از انواع سلول های رسانای نور (Photoconductive) کادمیوم سولفید (Cadmium-Sulphide) باشد؛ مثلا NORP12 که دارای گستره مقاومتی از حدود 500 اهم در نور خورشید تا 20 کیلو اهم در تاریکی است.

سلول رسانای نور NORP12 درای پاسخ طیفی مشابه با چشم انسان است و به همین دلیل برای کاربردهای کنترل روشنایی بسیار مناسب است.

مقاومت فتوسل (Photocell) با سطح نور متناسب است و با افزایش شدت نور به شدت افت خواهد کرد. بنابراین سطح ولتاژV2 نیز به سطحی بالاتر یا پایین تر از نقطه کلیدزنی، که توسط میزانVR1 تعیین می شود، تغییر خواهد کرد.

در مدار ارائه شده در بالا، از طریق جایگزین کردن مقاومت وابسته به نور با یک ترمیستور، امکان تشخیص دما فراهم خواهد شد.

در واقع این امکان به وجود می آید، که یک هیتر را برای تنظیم دمای داخل اتاق کنترل کرد. در این شرایط اگر دمای محیط به مقدار پایین تر از درصد مشخصی برود، رله فعال و باعث روشن شدن هیتر خواهد شد.

با روشن شدن هیتر دمای محیط افزایش پیدا می کند و اگر دما از یک درصد معین بالاتر برود، رله خاموش و در نهایت هیتر هم خاموش خواهد شد.

یک محدودیت اصلی این نوع طراحی تقویت کننده ها این است که امپدانس ورودی آن نسبت به سایر پیکربندی های تقویت کننده های عملیاتی مانند تقویت کننده غیرمعکوس کننده، پایین تر است.

منبع ولتاژ ورودی باید جریان را از طریق یک مقاومت هدایت کند که امپدانس کلی کمتری نسبت به امپدانس ورودی اپ امپ دارد. این تقویت کننده ممکن است برای یک منبع امپدانس پایین مانند مدار پل ذکر شده در مثال فوق مناسب باشد، اما برای یک منبع امپدانس بالا مناسب نخواهد بود.

یک راه حل برای رفع این مشکل، اضافه کردن یک تقویت کننده بافر بهره واحد، مانند دنبال کننده ولتاژ به هر مقاومت ورودی مدار است.

این کار باعث ایجاد یک مدار تقویت کننده تفاضلی با امپدانس ورودی بسیار بالا و امپدانس خروجی بسیار پایین خواهد شد؛ زیرا از دو بافر غیرمعکوس کننده و یک تقویت کننده تفاضلی تشکیل شده است. این مدار اساس یک تقویت کننده ابزار دقیق است.