سوف نتناول في السطور القادمة شرح تفصيلي لمكبرات العمليات Operational Amplifiers.
شرح مكبرات او مضخمات العمليات Operational Amplifiers
 |
| مكبرات العمليات Operational Amplifiers |
هو أحد الدوائر المتكاملة وأكثرها انتشارا في عالم الإلكترونيات نظرا لسعره المنخفض وسهولة استخدامه، ويدخل في العديد من التطبيقات والدوائر الإلكترونية مثل الأجهزة الاستهلاكية والصناعية والعلمية، ويستخدم في تكبير وتضخيم الجهود المستمرة والإشارات المترددة.
تركيب مضخم العمليات
 |
| تركيب مضخم العمليات |
يتكون مضخم العمليات من مرحلتين أو أكثر من المضخمات التفاضلية باستخدام دارات الترانزستور، و للمضخم التفاضلي مدخلين، تطبق على كل منهما إشارة فولتية معينة، ومخرجا واحدا، ويغذى المضخم من مصدر تغذية ذي فولتية مباشرة، وقد سمي المضخم التفاضلي بهذا الاسم لأنه يضخم إشارة الفرق بين فولتيتي المدخلين، ويطلق عليه أحيانا اسم المضخم الفرقي للسبب نفسه.
رمز مكبر العمليات وكيف يتم توصيله
 |
| رمز مكبر العمليات وكيف يتم توصيله |
عبارة عن مثلث له طرف خرج output واحد ويرمز له بالرمز Vout وله طرفان دخل input طرف موجب Non-Inverting Input ويرمز له بالرمز V2 وطرف سالب Inverting Input ويرمز له بالرمز V1؛ويمكن توصيل البارو سبلاي power supply عن طريق الطرفين Positive voltage supply و Negative voltage supply مثلا موجب 12 وسالب 12 لضمان عمل المكبر بشكل صحيح ؛فمثلا لو لديك بطارتين كل واحدة منهما 15 فولت يتم توصيلهما بالتوالي والموجب يتم توصيله بالطرف Positive voltage supply أو +V والطرف السالب يتم توصيله بالطرف Negative voltage supply أو -V ,والأرضي Ground هو عبارة عن المنطقة المنتصفة بين البطارتين.
خصائص مكبر العمليات
 |
| خصائص مكبر العمليات |
- مقاومة الدخل Input impedance كبيرة جدا لمنع تدفق أي تيار من المصدر إلى مكبر العمليات ولذلك Op-Amp لا يستهلك تيار أبدا، ويأخذ التيار من power supply فقط.
- مقاومة الخرج Output impedance صغيرة جدا قريبة من الصفر ولذلك Op-Amp يعطى تيار جيد على الخرج.
- يحاول Op-Amp جاهدا أن يجعل دائما الفرق بين V1 و V2 يساوي صفر V1=V2.
وهناك العديد من الخصائص الأخرى التي من المهم معرفتها إلى جانب الخصائص السابقة ما لا تعرفه عن المضخمات العملية
شكل أو مداخل مكبر العمليات Op-Amp
 |
| شكل أو تركيب مكبر العمليات Op-Amp |
من أشهر أنواع مكبر العمليات Op-Amp هو uA741 , LM741,TL741 والشكل أو التركيب الداخلي لهم يكون عبارة عن 8 أطراف كالتالي:
طرف رقم 1 Input Offset أحد أطراف معادلة الازاحة
طرف رقم 2 Inverting Input مدخل عاكس
طرف رقم 3 Non-Inverting Input مدخل غير عاكس
طرف رقم 4 VCC supply- مصدر الفولتية السالبة
طرف رقم 5 Input Offset طرف معادلة الازاحة الثاني
طرف رقم 6 Output طرف المخرج
طرف رقم 7 VCC supply+ طرف مصدر الفولتية السالبة
طرف رقم 8 NC طرف غير موصول (غير مستخدم)
هناك أنواع أخرى لمكبر العمليات Op-Amp بأحجام وأرقام مختلفة مثل LM358-LM324-TL082-LM1874-LM2902
فمثلا نجد أن LM358-LM324 بهما أكثر من مكبر العمليات Op-Amp حوالي 4 مكبر العمليات Op-Amp؛وTL082 يعطي ترددات أعلى ويكبر ب noise قليلة؛وLM1874-LM2902 يعطي تيار أعلى .
وهناك أنواع أخرى مثل LM6142-MCP602-AD8032 وتكون عملية التكبير لهم بشكل كامل.
تصنيفات مكبرات العمليات
هناك العديد من تصنيفات مكبرات العمليات يمكنك معرفتها من هناداتا شيت مكبر العمليات
سوف نأخذ مكبر العمليات LM741 كمثال لتوضيح أهم المعلومات الموجودة في الداتا شيت لمكبر العمليات
Supply voltage هي موجب وسالب 22 فولت.
Power Dissipation قيمته نصف وات.
Differential Input voltage ممكن أن نضع قيمة بين الموجب والسالب إلى 30 فولت.
Input Resistance وهي مقاومة الدخل وتقريبا تكون قيمتها 2 ميجا اوم.
Bandwidth عبارة عن الترددات التى تسمح بالتكبير وأكثر من هذه القيمة يحدث تشوه للتكبير وقيمته هنا 1.5 ميجا هيرتز.
Slew Rate عبارة عن مقدار سرعة الإشارة وقيمته هنا 0.5 فولت لكل مايكرو ثانية.
Supply Current قيمته 2.8 ميلي أمبير.
Power Consumption قيمته 150 ميلي وات.
Input voltage قيمته موجب وسالب 15 فولت.
Output voltage swing موجب وسالب 15 فولت.
Output Current قيمته 25 ميلي أمبير.
تطبيقات مكبر العمليات
سوف نتناول أشهر تطبيقات مكبر العمليات حتى نعرف كيف يتم حساب قيمة الخرج ومقدار التكبير لمكبر العمليات وكيف يمكننا التحكم في مقدار التكبير.الدائرة الأولى لتطبيقات مكبر العمليات
 |
| الدائرة الاولى لتطبيقات مكبر العمليات |
نفترض أن رقم 2 وهو Inverting Input تم توصيله ب V2 وهو الطرف السالب؛ورقم 3 وهو Non-Inverting Input تم توصيله لاأرضي ground وهو V1 الطرف الموجب ؛ورقم 2 تم توصيله بمقاومتين؛ورقم 6 هو الخرج Output؛ويحاول مكبر العمليات جعل الفرق بين V1 و V2 يساوي صفر أو من الممكن أن نفترض أن V1=V2 وبما ان V1 موصل بالأرضي إذا نفترض أن الجهد عند V2 يساوي تقريبا صفر؛ومقاومة الدخل لمكبر العمليات كبيرة جدا ولذلك نجد أن تيار الدخل لن يمر إلى مكبر العمليات بينما يمر عبر المقاومة R in ثم إلى المقاومة R f.
ولكن كيف يتم حساب قيمة الخرج ومقدار التكبير لمكبر العمليات؟
يكون ذلك من خلال المعادلة التالية:
معادلة 1
 |
| معادلة حساب قيمة الخرج ومقدار التكبير لمكبر العمليات |
وبناء على المعادلة السابقة يمكننا التحكم في مقدار التكبير من خلال قيم كلا من المقاومتين R f و R in سواء بالزيادة أو النقصان.
دائرة مكبر العمليات المقارن Comparator
 |
| دائرة مكبرالعمليات المقارن Comparator |
يتضح من الاسم المقارن أننا نقارن بين قيمتين وهما الجهد المطبق على كلا من +V و-V ويتم إخراج الجهد الأكبر فمثلا لو كان الجهد المطبق على +V هو 5 فولت والجهد المطبق على -V هو 3 فولت وطرفي البارو سبلاي طرف +9 فولت والطرف الأخر الأرضي قيمته 0 فولت يكون الخرج يساوى قيمة +9 فولت ؛أما إذا كان الجهد المطبق على +V هو 3 فولت والجهد المطبق على -V هو 5 فولت يكون الخرج مساوي للطرف الأرضي 0 فولت؛ويمكن تطبيق الجهد على كلا من +V و-V ومقارنته بأكثر من وسيلة مثل إدخال الجهد على +V من خلال مجس وإدخال جهد على -V من خلال دائرة مجزىء الجهد ؛أو من خلال مقاومة متغيرة؛أو من خلال بطارية؛أو من خلال دايود الزينر.
استخدام دائرة مكبر العمليات المقارن لتشغيل لمبة ليد
 |
| استخدام دائرة مكبر العمليات المقارن لتشغيل لمبة ليد |
لو أدخلنا مقاومة متغيرة على +V من صفر إلى 5 فولت؛وقمنا بإدخال جهد على -V من خلال دائرة مجزىء جهد حوالى 0.45 فولت يصبح لدينا القدرة في التحكم في تشغيل اللمبة الليد من خلال تغيير قيمة المقاومة المتغيرة الموصلة ب +V ومن ثم التحكم في جهد الخرج الذي يمكن أن يضيء اللمبة أو لا على حسب قيمته.
استخدام دائرة مكبر العمليات المقارن لتشغيل مروحة
 |
| استخدام دائرة مكبر العمليات المقارن لتشغيل مروحة |
نفس فكرة الدائرة السابقة ولكن يتم توصيل ترانزستور عند الخرج وتوصيله بالمروحة أو الحمل المراد تشغيله الذي يستهلك تيار عالي حتى يتم إعطاء الحمل التيار اللازم لتشغيله دون حدوث مشاكل.
دائرة المضخم العاكس Inverting Amplifier
 |
| دائرة المضخم العاكس Inverting Amplifier |
وهى دائرة تقوم بتكبيرإشارة الدخل ولكن تعكس إشارته عند الخرج حيث نلاحظ أنه تم عكس الإشارة الموجبة للدخل إلى إشارة سالبة؛فمثلا لو كانت قيمة المقاومة R in تساوي 10 كيلو أوم وقيمة المقاومة R f تساوي 100 كيلو أوم سوف نحصل على قيمة تكبير 10 أضعاف ولكن معكوسة؛ويجب أن يكون مقدار التكبير في حدود قيمة الباور سبلاي وعندما نكبر الإشارة أعلى من قيمة الباور سبلاي نصل إلى مرحلة الاشباع Saturation.
دائرة المضخم غير العاكس Non-Inverting Amplifier
 |
| دائرة المضخم غير العاكس Non-Inverting Amplifier |
وهى دائرة تقوم بتكبير إشارة الدخل بدون عكس إشارتها وأيضا يجب أن يكون مقدار التكبير في حدود قيمة الباور سبلاي وعندما نكبر الإشارة أعلى من قيمة الباور سبلاي نصل إلى مرحلة الاشباع Saturation.
ملاحظة
يمكن تصغير إشارة الخرج لو كانت قيمة المقاومة R f أقل بكثير من قيمة المقاومة R in عند هذه الحالة سوف يحدث إضمحلال للإشارة.
دائرة المضخم التابع Follower Amplifier -Voltage Follower- Buffer
 |
| دائرة المضخم التابع Follower Amplifier -Voltage Follower- Buffer |
وهى دائرة ليس بها أي مقاومة وهذا معناه ان قيمة الدخل تساوي قيمة الخرج وقيمة التكبير تساوي 1 وهذا معناه أن إشارة الدخل والخرج متطابقة لا يوجد تكبير ولا تصغير؛وتكون فائدة هذه الدائرة في سهولة تمرير التيار المرتفع إلى الحمل الذي تكون مقاومته صغيرة من خلال المضخم وإعتباره كأنه سلك حيث أنه يوصل بين المصادر الضعيفة والأحمال التى تحتاج إلى تيار عالي.
دورة الالكترونيات العملية: المضخمات العملية
للذهاب إلى فهرس دروس دورة الالكترونيات العملية للمهندس وليد عيسي من هنا
المصدر
أتمنى أن يكون موضوع مكبرات العمليات Operational Amplifiers مفيدا لكم.