Búfer de señal con sujeción de amplificador operacional y polarización de voltaje

Soy nuevo en EE y tengo una pregunta sobre el almacenamiento en búfer de señal. Me gustaría usar dos párrafos breves para dar algunos antecedentes y contexto.

Vivo en el campo del sudeste asiático. El suministro de red (230 VCA 50 Hz) no es confiable y es ruidoso: el voltaje ocasionalmente baja a 200 V y contiene transitorios de los interruptores de relé de la bomba de riego vieja y quién sabe qué más. En respuesta a los frecuentes cortes de energía, cualquier persona con una PC de escritorio también tiene un UPS, pero muchas personas informan que su UPS simplemente muere después de 6 meses. Tuve uno barato que estalló en llamas después de que cambió rápidamente con un suministro de red bajo.

Para proporcionar a mi equipo electrónico una potencia "más limpia" y constante, estoy diseñando un regulador de potencia que transforma la corriente alterna de la red eléctrica a 36 V de CC rectificada y luego regula su voltaje y corriente a 24 V y 16 A. Mi pregunta se relaciona con el circuito que indica el voltaje de salida de la etapa del transformador/rectificador.

Mi diseño emula la pantalla de barra LED LM3914 : recibe la señal, le da forma y la amortigua, luego pásala a una escalera de resistencia con una matriz de amplificador operacional que controla la barra de pantalla LED. El subcircuito del búfer de señal se muestra a continuación. Utiliza un circuito de sujeción de amplificador operacional descrito en wikipedia , con un voltaje de sujeción de referencia de 5 V y un recortador negativo (2,5 V) en la salida.

Circuito amortiguador de entrada de señal

La señal sale caliente del transformador justo después de haber sido rectificada a CC. A 230 VCA, el transformador debería producir 36 VCA, pero debido al terrible estado de la fuente de alimentación, podría descender a 26 VCA varias veces durante el día, así como aumentar a 60 VCA en transitorios. Entonces, aunque se espera que sea de 36 V nominales, la entrada de CC oscila entre 0 y 60 V y quiero monitorear visualmente su variación. El circuito anterior divide inmediatamente la señal en un rango de 0-11 V (en el nodo W) y un diodo zener recorta picos por encima de 8,2 V. La señal está entonces por debajo del suministro de 12 V al amplificador operacional.

Gráficos de señales

La señal de prueba (panel superior), durante la fase B, simula algunos transitorios y luego aumenta a 50 V, después de lo cual cae a cero (corte de energía) en la fase C. Dado que se espera que la mayor parte de la variación de la señal de entrada esté entre 24 V y 40 V, Solo estoy interesado en almacenar en búfer este rango (entre las puntas de flecha rojas, 24-40V). Por lo tanto, la configuración del amplificador operacional de sujeción. Para deshacerse de la señal <0V, un recortador a través de D3 elimina los 2,5 V inferiores de la señal de salida del amplificador operacional (panel inferior).

El búfer puede entonces proporcionar la interesante banda media de la señal al circuito de la pantalla LED como una representación ajustada y eficiente de 0-5 V del rango de 24-40 V de la salida salvaje del transformador.

Sin embargo, durante la fase A (arranque) y después de la fase C (corte de energía), la salida del amplificador operacional tiende hacia el voltaje de referencia de 5V. ¿Cómo puede esto ser evitado? Cuando la entrada es cero, la salida del búfer debería, sinceramente, tender a su mínimo también.

Además de la pregunta principal, agradecería comentarios sobre el diseño del circuito y la elección de los componentes y recibiría consejos para manejar la fase A (¿arranque suave?) y corregir la impedancia de entrada/salida.

Actualizar

Usando el consejo de @The Photon, volví a leer sobre recorte y sujeción hoy. La señal de entrada no es CA y casi todos los intentos de recortar y sujetar mi diagrama de circuito original (arriba) fueron erróneos.

Búfer de señal actualizado

Entonces, como se sugiere en la respuesta aceptada, me deshice del capacitor, la referencia de voltaje, etc. y reemplacé todo con un diodo zener, D2, que compensa la señal de CC pre-opamp (gráfico amarillo en la imagen a continuación) hacia abajo en el 0 -Rango de 5 V que necesito en la salida del búfer (gráfico verde)

También sugerido en la respuesta: aumente los valores de R1 y R2 y reduzca la tensión en el amplificador operacional. La corriente del circuito se ha reducido a microamperios. El componente más activo, la salida del amplificador operacional, se representa en gris.

parcelas de señal después de la actualización

La mayoría de los SMPS de tipo ATX solo tienen suficiente capacidad de almacenamiento para una caída de 1 ciclo a la potencia nominal. Si necesita una capacidad de almacenamiento de 2, 3, 4 o más ciclos para una interrupción transitoria, se requiere más capacidad para que solo use el 50 %, el 25 % o menos de la capacidad nominal. De lo contrario, la batería de respaldo del UPS es la solución preferida para salidas confiables de CC-CC o CC-CA.
@TonyStewart.EEsince'75, el voltaje de CA por aquí cae regularmente en el rango donde los UPS de grado de consumidor cambian a la salida de la batería, luego detectan la corriente de la red eléctrica, vuelven a cambiar y, finalmente, simplemente comienzan a moverse entre estados. Excelente información sobre cómo aumentar la capacidad de los suministros ATX.
el enfoque preferido en su situación puede ser el tipo de UPS que siempre está en uso con carga flotante y luego no se desconectará hasta que se agote la capacidad Ah.

Respuestas (1)

Mis comentarios

  1. Si "SIG" es la salida de un rectificador completo, entonces el capacitor C1 dejará caer el componente de CC antes de que llegue a su circuito de abrazadera. Vas a tener una señal en bufferOUT que varía por encima y por debajo del suelo. Exactamente cuánto arriba y abajo depende de la forma exacta de la forma de onda en SIG.

    Esto también es lo que hace que su salida tenga una tendencia de regreso a 5 V cuando la entrada SIG permanece constante durante mucho tiempo.

  2. La entrada de 60 V y 4 kohmios en R1 implica que está trabajando con 10 de mA de corriente. El amplificador operacional tendrá que absorber toda esta corriente cuando funcione como una abrazadera. El LM324 solo está garantizado para hundirse unos 10 mA. Por lo general, debería hacer 20 mA, pero no hay promesas.

    Puede reducir la necesidad del amplificador operacional de hundir grandes corrientes reemplazando D2 con la unión be de un transistor pnp y conectando el colector a tierra.

  3. Este circuito de sujeción depende de que el amplificador operacional pueda cambiar rápidamente entre operación saturada y activa. La mayoría de los amplificadores operacionales modernos no son buenos en esto, aunque no sé específicamente sobre el '324.

¿Por qué no usar un zener de 5 V y terminar con eso?

Lo que quiere hacer es convertir el rango de 24 a 40 voltios a 0 a 5 voltios, con excursiones fuera de esta banda recortadas a 0 y 5. Así que no, un simple zener de 5V realmente no funcionará.
Gracias, @The Photon. Estaba buscando peces en un árbol. Un solo diodo zener hizo el truco, como se ilustra en una actualización de mi pregunta. No estoy seguro de si esa fue su sugerencia real, pero no he visto otro ejemplo similar del uso de un zener con un opamp para compensar DC en los 20 artículos que leí sobre el tema durante los últimos 3 días. Gracias también por el consejo sobre cómo reducir la corriente.
Y tenías mucha razón sobre el comportamiento del amplificador operacional. Dondequiera que los picos de señal (aunque recortados) se acercaran demasiado a su voltaje de suministro, aumentaría hasta 40 mA tratando de reducirlo. Entonces, ajustar los bdv de los zeners de recorte y compensación finalmente encontró el punto óptimo, por lo tanto, el zener de 4.7V en lugar de 5V.
@WhatRoughBeast, ¿quién lo hubiera pensado? un solo zener en el circuito de retroalimentación del amplificador operacional, de hecho, realiza la compensación de voltaje.
@venzen, una cosa a tener en cuenta en su diseño: hay dos soluciones, con el zener polarizado inversamente (el que desea) o polarizado hacia adelante (dando una compensación de +0.6 V en lugar de -4.7). Probablemente pueda seleccionar el que desee conectando la entrada inversora del amplificador operacional al riel de alto voltaje con una resistencia razonable (¿10k?).
Búfer de señal con sujeción de amplificador operacional y polarización de voltaje
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