Стабилизаторы с оу. Расчет стабилизатора на операционном усилителе Стабилизатор напряжения на операционном усилителе

Однополярные стабилизаторы напряжения на основе ОУ могут быть построены по схеме инвертирующего и неинвертирующего усилителя, на вход которого подано стабильное напряжение от опорного источника. Достоинством таких стабилизаторов является возможность получения различных по абсолютному значению и знаку стабилизированных напряжений при неизменном опорном.

На первом рисунке показана схема стабилизатора в котором на вход неинвертирующего усилителя подано опорное напряжение U0 со стабилитрона VD1. Для увеличения выходного тока стабилизатора используется повторитель напряжения на транзисторе VT1. Выходное напряжение данного стабилизатора рассчитывается по следующей формуле:

Uвых = U0(R1/R2+1)

Для увеличения стабильности опорного напряжения можно подключить параметрический стабилизатор R3 VD1 не ко входу, а к выходу стабилизатора как показано на втором рисунке. Ток через стабилизатор VD1 в этом случае равен U0R1/(R2R3) и не зависит от изменения входного напряжения, при этом ОУ охватывается двумя видами обратной связи: положительной и отрицательной. Наличие отрицательной связи приводит к тому, что на выходе ОУ при включении питания в принципе может установится как положительное так и отрицательное напряжение. Для установления напряжения нужного знака, необходима некая начальная несимметрия. В стабилизаторе эта несимметрия создается за счет выходного транзисторного повторителя напряжения.

Двухполярные стабилизаторы напряжения как правило состоят на основе двух однополярных, использующих один источник опорного напряжения. Пример такого двух полярного стабилизатора показан на рисунке.

ОУ DA2 здесь включен по схеме инвертора с коэффициентом передачи -1. Выходные каскады в двух полярном стабилизаторе могут быть построены на основе транзисторных повторителей как в предыдущих схемах. В данном стабилизаторе применен другой вариант выходного каскада, достоинством которого является возможность уменьшить минимальную разность выходного и входного напряжения стабилизатора до 3-5 В. Она определяется падением напряжения на базо-эмиттерном переходе транзистора от 0,4 до 0,7 В и разностью между напряжением питания и максимальным выходным напряжением ОУ от 2 до 4 В. Например если выходное напряжение равно 15 В, то на базу транзистора необходимо подать 15,6 В, соответственно напряжение питания ОУ должно быть не менее 17,6-19,6 В. В случае применения выходного каскада показанного на рисунке, минимальная разность выходного и входного напряжения стабилизатора определяется напряжением насыщения транзисторов VT1 VT4 и не превышает 1 В.

Транзисторы VT2 VT3 в стабилизаторе дополнительно усиливают ток, поступающий на базы выходных транзисторов VT1 VT4, что дает возможность увеличить выходную мощность стабилизатора за счет использования более мощных выходных транзисторов.

В ранее рассмотренных стабилизаторах выходное напряжение не может быть меньше опорного, поэтому для получения малых выходных напряжений использовать низковольтные стабилитроны или использовать в качестве опорных источников светодиоды.

Выходное напряжение на выходе стабилизатора которое меньше опорного напряжения можно получить используя схему показанную на рисунке.

В схеме мост образованный резисторами R1 R2 R3 и стабилитроном VD1, включен между напряжениями +Uвых и -Uвых. Если R4=R5, то получаем +Uвых = U0(1+R1/R2)/2 , где U0 — падение напряжения на стабилитроне. Ток через стабилитрон равен U0R1/(R2R3) .

Источник — Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных уст-вах (1988)

Схема качественного стабилизатора, в котором управляющий транзистор заменен операционным усилителем, приведена на рис. 15.7. Питание ОУ осуществляется однополярным положительным напряжением U вх (в данном случае не требуется получение на выходе ОУ отрицательных напряжений), что позволяет использовать стандартные операционные усилители в схемах стабилизаторов с выходным напряжением почти до 30 В.

Резистор R 2 и транзистор VT 2 образуют схему ограничения выходного тока. При номинальных токах нагрузки падение напряжения на R 2 не превышает напряжения отпирания перехода база-эмиттер VT 2, транзистор VT 2 закрыт и не оказывает влияния на работу схемы стабилизатора. Операционный усилитель с дополнительным усилителем выходного тока VT 1 включен по схеме неинвертирующего УПТ, откуда следует соотношение для расчета выходного напряжения

Если падение напряжения на R 2 превысит величину, равную приближенно 0,6 В, транзистор VT 2 откроется и предотвратит дальнейшее увеличение тока базы транзистора VT 1. Таким образом, величина выходного тока стабилизатора ограничена уровнем
.

Качественные показатели стабилизатора по схеме рис. 15.7 определяются следующими соотношениями:

а ) коэффициент стабилизации (его можно повысить, если заменить R 1 источником тока)

;

б ) выходное сопротивление

,

где К – коэффициент усиления ОУ по напряжению;

r вых – выходное сопротивление ОУ;

в ) температурный коэффициент напряжения

где
– дрейф напряжения смещения ОУ;

–дрейф входного тока ОУ;

ТКН ст – температурный коэффициент напряжения стабилитрона.

Все рассмотренные стабилизаторы эффективно подавляют нестабильность U вх не только за счет медленных колебаний сетевого напряжения, но и пульсации U вх после выпрямителя, выполняя роль электронного сглаживающего фильтра. Поэтому на входе стабилизатора допустим сравнительно высокий уровень пульсаций напряжения.

15.6 Микросхемы стабилизаторов постоянного напряжения

Стабилизаторы напряжения, подобные схеме рис. 15.7, выполняются в виде интегральных микросхем. Основные характеристики микросхем стабилизаторов напряжения серии К142 приведены в таблице 15.1. Среди них

–коэффициент нестабильности по напряжению;

–коэффициент нестабильности по току.

Таблица 15.1 – Характеристики микросхем стабилизаторов постоянного напряжения серии К142

Для стабилизаторов К142ЕН1 (2, 3, 4) требуется подключение внешних компонентов (делителя цепи обратной связи, элементов коррекции, защиты по току). Микросхемы К142ЕН5 (6, 8) являются функционально законченными стабилизаторами на фиксированные значения U вых. Выходное напряжение микросхемы К142ЕН5 равно 5 В с возможным изменением этой величины в зависимости от экземпляра ИМС на ±0,2 В. Максимальный ток нагрузки 3 А. Минимальное входное напряжение 7,5 В. Тепловая защита выключает стабилизатор при температуре кристалла 175 о С ± 10%, при превышении допустимого значения по току на (20–25)% срабатывает защита по току.

Существенным недостатком стабилизаторов параллельного и последовательного типов, называемых линейными, являются большая потеря мощности в регулирующем транзисторе (управляемом сопротивлении) и, как следствие этого, недостаточно высокий КПД. Стремление повысить КПД привело к созданию стабилизаторов с импульсным регулированием, в которых регулирующим элементом служит периодически замыкающийся ключ (как правило, транзистор в ключевом режиме), подключающий нагрузку к источнику входного постоянного напряжения U вх. Если при периоде включения T ключ находится в замкнутом состоянии в течение времени t вкл, то постоянная составляющая напряжения на нагрузке U вых = U вх t вкл / T .

Регулирующий транзистор в импульсном стабилизаторе работает в ключевом режиме, т.е. большую часть времени находится либо в режиме отсечки, либо в режиме насыщения. Ключевые режимы работы транзистора и импульсные устройства будут рассмотрены при изучении дисциплины «Электронные цепи и микросхемотехника» .

В связи с этим часть напряжения, поступающая на выход стабилизатора, «остается» на транзисторе, а остальная поступает на выход стабилизатора. Если увеличить напряжение па базе составного транзистора, то он откроется и падение напряжения на нем уменьшится, а напряжение на выходе стабилизатора соответственно увеличится. И наоборот. В обоих случаях величина напряжения на выходе стабилизатора будет близка к уровню напряжения на базе составного транзистора.

Поддержание величины напряжения на выходе стабилизатора на заданном уровне осуществляется за счет того, что часть выходного напряжения (напряжение отрицательной обратной связи) с делителя напряжения R10, R11, R12 поступает на операционный усилитель DA1 (усилитель напряжения отрицательной обратной связи). Выходное напряжение операционного усилителя в этой схеме будет стремиться к такому значению, при котором разница напряжений на его входах была бы равна нулю.

Происходит это следующим образом. Напряжение обратной связи с резистора R11 поступает на вход 4 операционного усилителя. На входе 5 стабилитроном VD6 поддерживается постоянная величина напряжения (опорное напряжение). Разница напряжении на входах усиливается операционным усилителем и поступает через резистор R3 на базу составного транзистора, падение напряжения на котором определяет величину выходного напряжения стабилизатора. Часть входного напряжения с резистора R11 снова поступает на операционный усилитель. Таким образом, сравнение напряжения обратной связи с образцовым и воздействие выходного напряжения операционного усилителя на выходное напряжение стабилизатора происходит непрерывно.

Если напряжение на выходе стабилизатора увеличивается, то увеличивается и напряжение обратной связи, поступающее на вход 4 операционного усилителя, которое становится больше опорного.

Разность этих напряжений усиливается операционным усилителем, выходное напряжение которого при этом уменьшается и закрывает составной транзистор. В результате падение напряжения на нем увеличивается, что вызывает уменьшение выходного напряжения стабилизатора. Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение обратной связи не станет почти равным опорному (их разница зависит от типа используемого операционного усилителя и может составлять 5...200мВ).

При уменьшении выходного напряжения стабилизатора происходит обратный процесс. Так как напряжение обратной связи уменьшается, становясь меньше опорного, то разница этих напряжений на выходе усилителя напряжения обратной связи увеличивается и открывает составной транзистор, обеспечивая тем самым увеличение выходного напряжения стабилизатора.

Величина выходного напряжения зависит от достаточно большого числа факторов (тока, потребляемого нагрузкой, колебания напряжения первичной сети, колебаний температуры внешней среды и т. п.). Поэтому описанные процессы в стабилизаторе происходят непрерывно, г. е. выходное напряжение постоянно колеблется с очень малыми отклонениями относительно заранее заданного значения.

Источником опорного напряжения, поступающего на вход 5 операционного усилителя DA1, служит стабилитрон VD6. Для увеличения стабильности опорного напряжения напряжение питания на него подается с параметрического стабилизатора на стабилитроне VD5.

Для защиты стабилизатора от перегрузок используется оптопара VU1, датчик тока (резистор R8) и транзистор VT3. Использование в узле защиты оптопары (светодиод и фототиристор, имеющие оптическую связь и смонтированные в одном корпусе) повышает надежность его работы.

При увеличении тока, потребляемого нагрузкой от стабилизатора, увеличивается падение напряжения на резисторе R8, а следовательно, и напряжение, поступающее на базу транзистора VT3. При определенной величине этого напряжения коллекторный ток транзистора VT3 достигает значения, необходимого для зажигания светодиода оптопары VU1.

Излучение светодиода включает тиристор оптопары, и напряжение на базе составного транзистора уменьшается до 1... 1,5В, так как она оказывается подключенной к общей шине через малое сопротивление включенного тиристора. Вследствие этого составной транзистор закрывается, а напряжение и ток на выходе стабилизатора уменьшаются почти до нуля. Падение напряжения на резисторе R8 уменьшается, транзистор VT3 закрывается и свечение оптрона прекращается, но тиристор остается включенным до того момента, пока напряжение на его аноде (относительно катода) не станет меньше 1 В. Это произойдет только в том случае, если будет отключено входное напряжение стабилизатора или замкнуты контакты кнопки SB1.

Коротко о назначении остальных элементов схемы. Резистор R1, конденсатор С2 и стабилитрон VD5 образуют параметрический стабилизатор, служащий для стабилизации напряжения питания операционного усилителя и предварительной стабилизации напряжения питания источника опорного напряжения R5, VD2. Резистор R2 обеспечивает начальное напряжение на базе составного транзистора, повышая надежность запуска стабилизатора Конденсатор СЗ предотвращает возбуждение стабилизатора на низкой частоте. Резистор R3 ограничивает выходной ток операционного усилителя в случае короткого замыкания на его выходе (например, при включении тиристора оптопары).

Цепь R4, С2 предотвращает возбуждение операционного усилителя и выбирается в соответствии с рекомендациями, приводимыми в справочной литературе для конкретного типа операционного усилителя.

Стабилитрон VD7 и резистор R7 образуют параметрический стабилизатор, служащий для поддержания напряжения питания узла защиты на неизменном уровне при изменении выходного напряжения стабилизатора.

Резистор R6 ограничивает коллекторный ток транзистора VT3 на уровне, необходимом для нормальной работы светодиода оптопары. В качестве резистора R6 используется резистор типа С5-5 или самодельный из провода высокого сопротивления (например, спирали от утюга или электроплитки).

Конденсатор С1 снижает уровень пульсаций входного, а С5 - выходного напряжений стабилизатора. Конденсатор С6 блокирует выходную цепь стабилизатора по высокочастотным гармоникам. Нормальный тепловой режим транзистора VT2 при больших токах нагрузки обеспечивается его установкой на радиаторе площадью не менее 100 см.

Стабилизатор обеспечивает плавную регулировку выходного напряжения в пределах 4,5...12 В при выходном токе до 1 А с уровнем пульсаций выходного напряжения не более 15 мВ. Защита от перегрузки срабатывает при выходном токе свыше 1,1 А.

Теперь о замене элементов. Операционный усилитель К553УД1 можно заменить на К140УД2, К140УД9, К553УД2. Транзистор VT1 может быть типа КТ603, КТ608, a VT2 - КТ805, КТ806, КТ908 и т. п. с любыми буквенными индексами. Оптопара - указанного типа с любым буквенным индексом.

Напряжение переменного тока подается на выпрямитель стабилизатора с любого понижающего трансформатора, обеспечивающего выходное напряжение не менее 12 В при токе 1 А. В качестве такого трансформатора можно использовать выходные трансформаторы ТВК-110 ЛМ и ТВК-110 Л1.

Стабилизатор на специализированной микросхеме

Указанные выше трансформаторы можно использовать совместно со стабилизатором напряжения, схема которого приведена на рисунке. Он собран на специализированной интегральной схеме К142ЕН1. Она представляет собой стабилизатор напряжения непрерывного действия с последовательным включением регулирующего элемента.

Достаточно высокие эксплуатационные характеристики, встроенная схема защиты от перегрузки, работающая от внешнего датчика тока, и схема включения/выключения стабилизатора от внешнего источника сигнала позволяют изготовить на его основе стабилизированный источник питания, обеспечивающий выходные напряжения в диапазоне 3...12 В.

Схема самого интегрального стабилизатора напряжения не может обеспечить ток на нагрузке свыше 150 мА, что явно недостаточно для работы некоторых устройств. Поэтому для увеличения нагрузочной способности стабилизатора к ее выходу подключен усилитель мощности на составном транзисторе VT1, VT2. Благодаря этому выходной ток стабилизатора может достигать 1,5 А в указанном диапазоне выходных напряжений.

Напряжение обратной связи, подаваемое на выход интегральной схемы DA1, выполняющей в данной схеме роль усилителя отрицательной обратной связи с внутренним источником опорного напряжения, снимается с резистора R5. Резистор R3 служит датчиком тока узла защиты от перегрузок по току. Резисторы R1, R2 обеспечивают режим работы транзистора VT2 и внутреннего транзистора защиты интегральной схемы DA1. Конденсатор С2 устраняет самовозбуждение интегральной схемы на высокой частоте.

Резистор R3 проволочный, аналогичный описанному ранее. В качестве транзистора VT1 можно использовать транзисторы типа КТ603, КТ608, a VT2 - КТ805, КТ809 и т. п. с любыми буквенными индексами.

Схема:

Стабилизатор напряжения на операционных усилителях(ОУ) иног­да не запускается, т.е. не выхо­дит на режим стабилизации при вклю­чении питания, и напряжение на его выходе остается практически равным нулю. После замены микросхемы ста­билизатор начинает работать нормаль­но. Проверка замененного ОУ показы­вает, что он абсолютно исправен. При повторной установке этого ОУ в рабо­тоспособный стабилизатор указанное выше явление повторяется - стабили­затор снова не запускается. Выше показана схема одного из типовых стабилизаторов, в который наблюда­лось такое явление.

После ряда экспериментов было уста­новлено. что его причиной является напряжение смещения Uсм операцион­ного усилителя, показанное ниже условно в виде источника постоян­ного напряжения:

Входное сопротивление операционного усили­теля изображает резистор Rвх. Напря­жение смешения ОУ, как известно, может быть любой полярности. Допустим, что оно оказалось таким, как показано на рисунке. Тогда в пер­вый момент после включения выходное напряжение стабилизатора, а следо­вательно, и напряжение между входа­ми ОУ равны нулю, и отрицательный полюс источника Uсм оказывается под­ключенным непосредственно к неинвертируюшему входу ОУ. Напряжение на его выходе при этом уменьшается и при достаточно большом значении цсн (для К1УТ531Б, например, оно мо­жет достигать 7,5 мВ) из-за большого коэффициента усиления напряжения выходной каскад ОУ оказывается в сильном насыщении, напряжение на вы­ходе составляет лишь десятые доли вольта. Этого напряжения недостаточ­но для открывания регулирующего транзистора стабилизатора и поэтому он не запускается. Если же окажется, что после замены микросхемы у вновь установленного ОУ значение напряже­ния смещения не слишком велико или его полярность обратна показанной на рис. 2а стабилизатор будет запус­каться нормально.

Избавиться от необходимости трудо­емкого подбора экземпляра ОУ для каждого конкретного стабилизатора можно различными способами. Один из них, например, заключается в применении для запуска стабилизатора де­лителя напряжения с разделительным диодом (рис 2б). Напряжение на ре­зисторе R2 должно удовлетворять сле­дующим неравенствам:

При подключении стабилизатора к источнику питания положительное нап­ряжение с резистора R2 (рис. 2. б) че­рез диод VI подводится к неинвертирующему входу ОУ. Выходное напряже­ние ОУ при этом резко возрастает и ре­гулирующий транзистор стабилизато­ра открывается.

После выхода стабилизатора на но­минальный режим, диод VI закрывает­ся и отключает делитель напряжения от входа ОУ. Для наиболее полного устранения влияния запускающей це­ни на работу стабилизатора диод сле­дует выбирать кремниевый, с малым обратным током.

Практическая проверка подтвердила эффективность применения описанной цепи - стабилизатор с ней запускался безотказно при любых значениях и по­лярности напряжения Uсм. тогда как без нее иногда включения стабилизато­ра не происходило. Влияния запускаю­щей цепи на показатели стабилизатора (коэффициент стабилизации - более. 6000, выходное сопротивление 8 мОм) замечено не было.

Импульсные стабилизатора напряжения обладают высоким к.п.д. и малыми габаритами, поэтому они нашли широкое применение в современных источниках вторичного питания. Принципиальная схема импульсного стабилизатора напряжения последовательного типа на операционном усилителе приведена на рис. 4.19.

Рис. 19. Принципиальная схема импульсного стабилизатора напряжения последовательного типа на операционном усилителе

Схема измерительной цепи аналогична рис. 4. 17, но на операционном усилителе собран не усилитель, а компаратор с петлеобразной релейной характеристикой. Положительная обратная связь, создающая петлеобразную характеристику, осуществляется резистором R6, ширина петли определяется отношением сопротивлений резисторов R5 и R6. Сопротивление резистора R6 много больше сопротивления резистора R5, а ширина петли составляет несколько милливольт. Условно, статическая характеристика компаратора относительно напряжения делителя показана на рис. 4.20.

Рис. 4. 20. Статическая характеристика компаратора

Если напряжение превышает верхний порог U П2 , то напряжение компаратора минимальное, стабилитрон VD2 закрыт, транзисторы VT2 и VT1 закрыты, выходное напряжение с течением времени уменьшается. Если напряжение меньше нижнего порога U П1 , то напряжение компаратора максимальное, стабилитрон VD2 пробит, транзисторы VT2 и VT1 открыты, выходное напряжение с течением времени увеличивается. Возникают автоколебания напряжения U 2 относительно значения . Так как петля компаратора очень узкая, то отклонения напряжения U 2 считаются допустимыми. На рис. 4. 21 приведены временные диаграммы изменения напряжений КСН для двух значений входного напряжения.

Рис. 4. 21. Временные диаграммы напряжений импульсного КСН

Уменьшение напряжения U 1 привело к увеличению длительности импульса в напряжении U К (4.увеличению времени открытого состояния транзистора VT1) и уменьшению длительности паузы. Изменился и период следования импульсов. Диапазон изменения напряжения U 2 превышает зону, ограниченную пороговыми значениями, из-за колебательных процессов в LC-фильтре.

Наличие автоколебаний выходного напряжения является недостатком импульсных стабилизаторов напряжения, но это практически не сказывается на работе потребителей, питаемых от стабилизатора, а преимущества импульсного регулирования существенны. Следует отметить, что, так как транзисторы VT1 и VT2 разной проводимости, то возникает необходимость в запускающей цепи VD4, R9, которая работает, так же как и в схеме последовательного КСН на транзисторах разной проводимости.

Главная » Внешнее освещение автомобиля » Стабилизаторы с оу. Расчет стабилизатора на операционном усилителе Стабилизатор напряжения на операционном усилителе