اقرأ في هذا المقال
- مبدأ عمل المضخم التفاضلي
- ما هي معادلة مكبر الصوت التفاضلي
- العلاقة بين المضخم التفاضلي وجسر ويتستون
- المضخم التفاضلي المفعل بالضوء
- المضخم التفاضلي وعلاقته بمضخمات صوت الأجهزة
حتى الآن تم استخدم مدخل واحد فقط من مضخمات التشغيل للاتصال بالمضخم وباستخدام إمّا طرف الإدخال “المعكوس” أو “غير المعكوس” لتضخيم إشارة دخل واحدة مع توصيل المدخل الآخر بالأرض، ولكن نظراً لأنّ المضخم التشغيلي القياسي يحتوي على مدخلين معكوس وغير معكوس فيمكن أيضاً توصيل الإشارات بكل من هذين المدخلين في نفس الوقت؛ لإنتاج نوع آخر شائع من دارات مضخم التشغيل التشغيلي يسمى المضخم التفاضلي.
مبدأ عمل المضخم التفاضلي
بشكل أساسي إن جميع مضخمات التشغيل هي “مضخمات تفاضلية” بسبب تكوين الإدخال، ولكن من خلال توصيل إشارة جهد واحدة بطرف إدخال وإشارة جهد أخرى بطرف إدخال آخر، فإنّ جهد الناتج الصادر سيكون متناسباً مع “الفرق” بين إشارتي جهد الدخل “V1″ و”V2”.
ثم تضخم المضخمات التفاضلية الفرق بين الفولتية ممّا يجعل هذا النوع من دارة المضخم التشغيلي مجتراً فرعياً على عكس مضخم التجميع الذي يضيف أو يجمع معاً الفولتية المدخلة، كما يُعرف هذا النوع من دارات المضخم التشغيلي عموماً بتكوين المضخم التفاضلي، حيث من خلال توصيل كل مدخل بدوره بأرض “0 فولت”، يمكن استخدام التراكب لحل جهد الناتج “Vout”.
ما هي معادلة مكبر الصوت التفاضلي
Vout = R3 / R1 (V2 – V1)
إذا كانت جميع المقاومات لها نفس القيمة الأومية أي أنّ “R1 = R2 = R3 = R4″، فإنّ الدائرة ستصبح مضخماً تفاضلياً لكسب الوحدة وسيكون كسب الجهد للمضخم واحداً أو واحداً بالضبط، ثم يكون التعبير الناتج ببساطة هو “Vout = V2 – V1″، كما أنّه أيضاً إذا كان الإدخال “V1” أعلى من الإدخال “V2″، فسيكون مجموع جهد الناتج سالباً وإذا كان “V2” أعلى من “V1” فسيكون مجموع جهد الناتج موجباً.
أمّا دارة المضخم التفاضلي عبارة عن دائرة مفيدة جداً في “op-amp” وبإضافة المزيد من المقاومات بالتوازي مع مقاومات الإدخال “R1” و”R3″، يمكن جعل الدائرة الناتجة إمّا “إضافة” أو “طرح” الفولتية المطبقة على مدخلات كل منهما، كما تتمثل إحدى الطرق الأكثر شيوعاً للقيام بذلك في توصيل “جسر مقاوم” يُعرف عادةً باسم جسر ويتستون بإدخال المضخم.
- “op-amp” هي اختصار لـ “Operational amplifiers”.
العلاقة بين المضخم التفاضلي وجسر ويتستون
أصبحت دائرة المضخم التفاضلي القياسي الآن مقارناً للجهد التفاضلي عن طريق “مقارنة” جهد إدخال واحد بالآخر، وعلى سبيل المثال من خلال توصيل أحد المدخلات بمرجع جهد ثابت تم إعداده على أحد جانبي شبكة الجسر المقاوم والآخر إمّا بـ “المقاوم الحراري” أو “المقاوم المعتمد على الضوء”، يمكن استخدام دائرة المضخم لاكتشاف إمّا انخفاض أو ارتفاع مستويات درجة الحرارة أو الضوء، حيث يصبح جهد الناتج دالة خطية للتغيرات في الساق النشطة للجسر المقاوم.
المضخم التفاضلي المفعل بالضوء
هنا تعمل الدائرة كمفتاح يعمل بالضوء والذي يحول مرحل الناتج إمّا “ON” أو “OFF” لأنّ مستوى الضوء الذي اكتشفه المقاوم “LDR” يتجاوز أو ينخفض عن بعض القيمة المحددة مسبقاً، كما يتم تطبيق مرجع جهد ثابت على طرف الإدخال غير العكسي لجهاز “op-amp” عبر شبكة مقسم الجهد “R1 – R2”.
كما تحدد قيمة الجهد عند “V1” نقطة رحلة “op-amps” باستخدام مقياس جهد التغذية و”VR2″ المستخدم لضبط تباطؤ التبديل، وهذا هو الفرق بين مستوى الضوء لـ “ON” ومستوى الضوء لـ “OFF” كما يتكون الجزء الثاني من مكبر الصوت التفاضلي من المقاوم المعياري المعتمد على الضوء، والمعروف أيضاً باسم “LDR” وهو مستشعر مقاوم للضوء يغير قيمته المقاومة ومع كمية الضوء على خليته، حيث أنّ قيمته المقاومة هي دالة للإضاءة.
يمكن أن يكون “LDR” أي نوع قياسي من الخلايا الموصلة ضوئياً لكادميوم كبريتيد “cdS” مثل “NORP12” الشائع الذي له نطاق مقاومة يتراوح بين حوالي “500 Ω” في ضوء الشمس إلى حوالي “20 كيلو أوم” أو أكثر في الظلام.
تتمتع الخلية الموصلة الضوئية “NORP12” باستجابة طيفية مماثلة لاستجابة العين البشرية ممّا يجعلها مثالية للاستخدام في تطبيقات التحكم في الإضاءة، كما تتناسب مقاومة الخلية الكهروضوئية مع مستوى الضوء وتنخفض مع زيادة شدة الضوء، وبالتالي فإن مستوى الجهد عند “V2” سيتغير أيضاً أعلى أو أسفل نقطة التبديل التي يمكن تحديدها من خلال موضع “VR1”.
ثم عن طريق ضبط رحلة مستوى الضوء أو ضبط الوضع باستخدام مقياس الجهد “VR1” والتباطؤ في التبديل باستخدام مقياس الجهد يمكن إجراء “VR2” مفتاح حساس للضوء بدقة، واعتماداً على التطبيق يمكن للناتج من “op-amp” تبديل الحمل مباشرة أو استخدام مفتاح ترانزستور للتحكم في المرحل أو المصابيح نفسها.
من الممكن أيضاً اكتشاف درجة الحرارة باستخدام هذا النوع من تكوين الدائرة البسيط عن طريق استبدال المقاوم المعتمد على الضوء بمقاوم حراري، حيث من خلال تبديل مواضع “VR1″ و”LDR” يمكن استخدام الدائرة لاكتشاف الضوء أو الظلام أو الحرارة أو البرودة باستخدام الثرمستور.
يتمثل أحد القيود الرئيسية لهذا النوع من تصميم مكبر الصوت في أنّ ممانعات المدخلات الخاصة به أقل مقارنة بتكوينات مضخمات التشغيل الأخرى، وعلى سبيل المثال مضخم غير عكسي أي مدخل واحد كما يجب أن يقود كل مصدر جهد إدخال تيار من خلال مقاومة الإدخال، والتي لها مقاومة عامة أقل من تلك الخاصة بمدخلات “op-amps” وحدها، حيث قد يكون هذا جيداً لمصدر مقاومة منخفضة مثل دائرة الجسر ولكنّه ليس جيداً لمصدر مقاومة عالية.
تتمثل إحدى طرق التغلب على هذه المشكلة في إضافة “Unity Gain Buffer Amplifier” مثل متابع الجهد لكل مقاوم إدخال، وهذا يعطي بعد ذلك دائرة مضخم تفاضلية ذات مقاومة عالية جداً للإدخال ومقاومة منخفضة للإنتاج لأنّها تتكون من مخازن مؤقتة غير مقلوبة ومكبر تفاضلي واحد، ثم يشكل هذا الأساس لمعظم “مكبرات صوت الأجهزة”.
- “LDR” هي اختصار لـ “Light Dependant Resistors”.
- “cdS” هي اختصار لـ “Cadmium sulfide”.
المضخم التفاضلي وعلاقته بمضخمات صوت الأجهزة
مضخمات صوت الأجهزة (in-amps): هي مكبرات تفاضلية عالية الكسب للغاية تتميز بمقاومة عالية للمدخلات ومخرج واحد، كما تستخدم مضخمات الأجهزة بشكل أساسي لتضخيم الإشارات التفاضلية الصغيرة جداً من مقاييس الإجهاد أو المزدوجات الحرارية أو أجهزة الاستشعار الحالية في أنظمة التحكم في المحركات.
على عكس مضخمات التشغيل القياسية التي يتم فيها تحديد كسب الحلقة المغلقة من خلال ردود فعل مقاومة خارجية متصلة بين طرف الناتج وطرف إدخال واحد، سواء كانت موجبة أو سالبة فإنّ “مضخمات الأجهزة” لها مقاومة ردود فعل داخلية معزولة بشكل فعال عن أطراف الإدخال الخاصة بها، حيث يتم تطبيق إشارة الإدخال عبر مدخلين تفاضليين “V1″ و”V2″.
كما يحتوي مضخم الأجهزة أيضًا على نسبة رفض جيدة جداً للوضع الشائع و”CMRR” ناتج صفري عند “V1 = V2” ويزيد كثيراً عن “100 ديسيبل” في التيار المستمر.
- “CMRR” هي اختصار لـ “Common Mode Rejection Ratio”.
