Стабілізатори напруги з урахуванням оу. Лінійні стабілізатори напруги на транзисторах та оу Стабілізатор двополярної напруги на оу

Стабілізатор з ОУ та захистом від короткого замикання.У стабілізаторі (рис. 16.41, а) уяк порівнюючий пристрій використовується ОУ. Опорна напруга з діода VD2подається на неінвертуючий вхід, а пульсуюча вихідна напруга - на вхід, що інвертує. Негативний зворотний зв'язок через діод VD1і два транзистори виконує демпфуючі функції. Для захисту стабілізатора від короткого замикання увімкнено резистор R5.Навантажувальні характеристики наведено на рис. 16.41, (крива 1) і рис. 16.41, м.Якщо поміняти місцями підключення ланцюжків R4, VD2і R6 - R8,навантажувальна характеристика має вигляд кривої 2 на-рис. 16.41, ст. На рис. 16.41, бнаведено залежність відхилення вихідної напруги від вхідної напруги стабілізатора.

Мал. 16.41

Стабілізатори напруги на ОП.Стабілізатор (рис. 16.42 а) забезпечує на виході напруга 15 В при струмі навантаження 0,5 А. Стабілізуючим елементом в цій схемі є ОУ, за допомогою якого можна отримати коефіцієнт стабілізації більше 4-10 4 . Опорна напруга, утворена діодом VD1та транзистором VT3,подається на один вхід ОУ, а другий вхід підключається до дільника, що забезпечує запуск стабілізатора при включенні. Висока стабільність опорної напруги забезпечується ланцюжком. VD1, VT3,у якій транзистор виконує роль генератора струму.

Для зменшення впливу зворотного струму транзистора VT1застосовується резистор R1.Резистор R2обмежує базовий струм транзистора VT2.Параметри коригувального ланцюжка R3 С1обрані з урахуванням роботи ОУ за глибокої ОС.

Для отримання напруги на виході стабілізатора, що перевищує напругу живлення ОУ, слід застосувати схему рис. 16.42, б. У цій схемі живлення підсилювача здійснюється від додаткового каскаду, що стабілізує. Rl, VD1, VD2який забезпечує напругу 24 В. За допомогою цієї схеми можна отримати коефіцієнт стабілізації більше 2-104 при струмі навантаження 1 А.

Мал. 16.42

Мал. 16.43 Мал. 16.44

Стабілізатор із регульованим коефіцієнтом стабілізації.Стабілізатор (рис. 16.43) має коефіцієнт стабілізації понад 105. Залежно від опору резистора R4коефіцієнт стабілізації може бути позитивним або негативним. Для зменшення потужності, що розсіюється транзистором VT3,включається резистор R7.Опір цього резистора визначається постійним струмом навантаження. Той самий, що з зміною опору навантаження, протікає через транзистор VT3.

Високовольтний стабілізатор ОУ.Високовольтний стабілізатор напруги (рис. 1644) має коефіцієнт стабілізації більше 10 3 . Він розрахований на струми до 0,1 А. Як підсилювальний елемент застосований ОУ, напруга живлення якого піднято на рівень 100 В. Для запобігання несправності стабілізатора бажано вхідну напругу підвищувати плавно до потрібного значення.

Мал. 16.45

Високовольтний стабілізатор.Високовольтний стабілізатор (рис. 16.45) має на виході 00 В. При струмі навантаження 0,1 А вхідна напруга повинна дорівнювати 300 В. Схема має коефіцієнт стабілізації більше 10 4 . Це досягається трьома видами ослаблення пульсацій. За допомогою стабілітронів VD1 - VD3встановлюється опорна напруга 250 В. Для зменшення внутрішнього опору стабілітронів увімкнено конденсатор З 1,який спільно з резистором R1утворює ланцюг, що фільтрує. Основною стабілізуючою схемою є ОУ та регулюючі транзистори VT1і VT2.За допомогою стабілітронів VD5і VD6напруга на вході ЗУ зменшується до одиниць вольт. На цьому рівні відбуваються зміни вихідної напруги. Опорна напруга також лежить у цьому діапазоні. Усі зміни вихідної напруги множаться на коефіцієнт посилення ОУ і надходять на вхід регулюючих транзисторів, які згладжують ці зміни.

Переваги ШИМ-регуляторів із застосуванням операційних підсилювачів так це те, що можна застосовувати практично будь-який ОУ (у типовій схемі включення, звичайно).

Рівень вихідної ефективної напруги регулюється шляхом зміни рівня напруги на неінвертуючому вході ОУ, що дозволяє використовувати схему як складову частинурізних регуляторів напруги та струму, а також схем з плавним запалюванням та гасінням ламп розжарювання.
Схемалегка у повторенні, не містить рідкісних елементів та при справних елементах починає працювати відразу, без налаштування. Силовий польовий транзистор підбирається по струму навантаження, але зменшення теплової розсіюється потужності бажано використовувати транзистори, розраховані великий струм, т.к. у них найменший опір у відкритому стані.
Площа радіатора для польового транзистораповністю визначається вибором його типу та струмом навантаження. Якщо схема буде використовуватися для регулювання напруги в бортових мережах + 24В, для запобігання пробою затвора польового транзистора між колектором транзистора VT1 та затвором VT2 слід увімкнути резистор опором 1 К, а резистор R6 зашунтувати будь-яким відповідним стабілітроном на 15, інші елементи схеми не змінюються.

У всіх раніше розглянутих схемах як силовий польовий транзистор використовуються n - канальні транзистори, як найпоширеніші і мають найкращі характеристики.

Якщо потрібно регулювати напругу на навантаженні, один із висновків якої підключений до "маси", то використовуються схеми, в яких n - канальний польовий транзистор підключається стоком до джерела живлення, а в ланцюзі витоку включається навантаження.

Для забезпечення можливості повного відкриття польового транзистора схема керування повинна містити вузол підвищення напруги в ланцюгах керування затвором до 27 - 30 В, як це зроблено у спеціалізованих мікросхемах U 6 080B ... U6084B , L9610, L9611 тоді між затвором і витоком буде напруга не менше 15 В. Якщо струм навантаження не перевищує 10А, можна використовувати силові польові p - канальні транзистори, асортимент яких набагато вже через технологічні причини. У схемі змінюється і тип транзистора VT1 , а регулювальна характеристика R7 змінюється на зворотну. Якщо першої схеми збільшення напруги управління (движок змінного резистора переміщається до " + " джерела живлення) викликає зменшення вихідної напруги на навантаженні, то друга схема ця залежність зворотна. Якщо від конкретної схеми потрібно інверсна від вихідної напруги від вхідної, то в схемах необхідно поміняти структуру транзисторів VT1, тобто транзистор VT1 у першій схемі необхідно підключити як VT1 у другої схеми і навпаки.

Однополярні стабілізатори напруги на основі ОУ можуть бути побудовані за схемою інвертуючого та неінвертованого підсилювача, на вхід якого подано стабільну напругу від опорного джерела. Достоїнством таких стабілізаторів є можливість отримання різних за абсолютним значенням і знаку стабілізованої напруги при незмінному опорному.

На першому малюнку показана схема стабілізатора в якому на вхід підсилювача, що не інвертує, подано опорну напругу U0 зі стабілітрона VD1. Для збільшення вихідного струму стабілізатора використовується повторювач напруги транзисторі VT1. Вихідна напруга даного стабілізатора розраховується за такою формулою:

Uвих = U0(R1/R2+1)

Для збільшення стабільності опорної напруги можна підключити параметричний стабілізатор R3 VD1 не до входу, а до виходу стабілізатора, як показано на другому малюнку. Струм через стабілізатор VD1 у цьому випадку дорівнює U0R1/(R2R3)і не залежить від зміни вхідної напруги, при цьому ОУ охоплюється двома видами зворотнього зв'язку: позитивною та негативною. Наявність негативного зв'язку призводить до того, що на виході ОУ при включенні живлення в принципі може встановитися як позитивна, так і негативна напруга. Для встановлення напруги потрібного знака, необхідна початкова несиметрія. У стабілізаторі ця несиметрія створюється з допомогою вихідного транзисторного повторювача напруги.

Двополярні стабілізатори напруги зазвичай складаються на основі двох однополярних, що використовують одне джерело опорної напруги. Приклад такого двох полярного стабілізатора показано малюнку.

ОУ DA2 тут включено за схемою інвертора з коефіцієнтом передачі -1. Вихідні каскади у двох полярному стабілізаторі можуть бути побудовані на основі транзисторних повторювачів як у попередніх схемах. У даному стабілізаторі застосований інший варіант вихідного каскаду, гідністю якого є можливість зменшити мінімальну різницю вихідної та вхідної напруги стабілізатора до 3-5 В. Вона визначається падінням напруги на базо-емітерному переході транзистора від 0,4 до 0,7 В та різницею між напругою живлення і максимальною вихідною напругою ОУ від 2 до 4 В. Наприклад, якщо вихідна напруга дорівнює 15 В, то на базу транзистора необхідно подати 15,6 В, відповідно напруга живлення ОУ повинна бути не менше 17,6-19,6 В. У випадку застосування вихідного каскаду показаного малюнку, мінімальна різниця вихідного і вхідного напруги стабілізатора визначається напругою насичення транзисторів VT1 VT4 і перевищує 1 У.

Транзистори VT2 VT3 в стабілізаторі додатково посилюють струм, що надходить на бази вихідних транзисторів VT1 VT4, що дає можливість збільшити вихідну потужність стабілізатора за рахунок використання потужніших вихідних транзисторів.

У раніше розглянутих стабілізаторах вихідна напруга не може бути меншою за опорну, тому для отримання малих вихідних напруг використовувати низьковольтні стабілітрони або використовувати як опорні джерела світлодіоди.

Вихідну напругу на виході стабілізатора яке менше опорної напруги можна отримати використовуючи схему, показану на малюнку.

У схемі міст утворений резисторами R1 R2 R3 та стабілітроном VD1, включений між напругами +Uвих та -Uвих. Якщо R4=R5, то отримуємо +Uвих = U0(1+R1/R2)/2де U0 - падіння напруги на стабілітроні. Струм через стабілітрон дорівнює U0R1/(R2R3).

Джерело - Гутников В.С. Інтегральна електроніка у вимірювальних уст-вах (1988)

Основним недоліком лінійних стабілізаторів середньої та великої потужності є їх низький ККД. Причому, чим менше вихідна напруга джерела живлення, тим меншою стає його ККД. Це пояснюється тим, що в режимі стабілізації силовий транзистор джерела живлення зазвичай увімкнений послідовно з навантаженням, а для нормальної роботи такого стабілізатора на регулювальному транзисторі має діяти напруга колектор-емітер (11ке) не менше 3...5 В. При струмах більше 1 А це дає значні втрати потужності за рахунок виділення теплової енергії, що розсіюється на силовому транзисторі. Що призводить до необхідності збільшувати площу радіатора тепловідведення або застосовувати вентилятор для примусового охолодження.

Широко поширені завдяки низькій вартості інтегральні лінійні стабілізатори напруги на мікросхемах із серії 142ЕН(5...14) мають такий же недолік. Останнім часом у продажу з'явилися імпортні мікросхеми із серії "LOW DROP" (SD, DV, LT1083/1084/1085). Ці мікросхеми можуть працювати при зниженій напрузі між входом і виходом (до 1...1.3) і забезпечують на виході стабілізовану напругу в діапазоні 1,25...30 при струмі в навантаженні 7,5/5/3 А відповідно. Найближчий за параметрами вітчизняний аналог типу КР142ЕН22 має максимальний струм стабілізації 5А.

При максимальному вихідному струмі режим стабілізації гарантується виробником при напрузі вхід-вихід не менше 1,5 В. Мікросхеми мають вбудований захист від перевищення струму в навантаженні допустимої величини і тепловий захист від перегріву корпусу.

Дані стабілізатори забезпечують нестабільність вихідної напруги "0,05%/В, нестабільність вихідної напруги при зміні вихідного струму від 10 мА до максимального значення не гірше 0,1%/В. Типова схемавключення таких стабілізаторів напруги наведено на рис. 4.1.

Конденсатори С2...С4 повинні розташовуватися поблизу мікросхеми і краще, якщо вони будуть танталові. Місткість конденсатора С1 вибирається з умови 2000 мкФ на 1 А струму. Мікросхеми випускаються у трьох видах конструктивного виконання корпусу, показаних на рис. 4.2. Вид корпусу задається останніми літерами у позначенні. Більш детальна інформація щодо даних мікросхем є в довідковій літературі, наприклад J119.

Такі стабілізатори напруги економічно доцільно застосовувати при струмі навантаження більше 1 А, а також у разі нестачі місця в конструкції. На дискретних елементах можна також виконати економічне джерело живлення. Наведена на рис. 4.3 схема розрахована для вихідної напруги 5 і струму навантаження до 1 А. Вона забезпечує нормальну роботу при мінімальному напрузі на силовому транзисторі (0,7 ... 1,3 В). Це досягається за рахунок використання як силовий регулятор транзистора (VT2) з малою напругою икэ у відкритому стані. Що дозволяє забезпечити роботу схеми стабілізатора при менших напругах вхід-вихід.

Схема має захист (тригерного типу) у разі перевищення струму в навантаженні допустимої величини, а також перевищення напруги на вході стабілізатора величини 10,8 Ст.

Вузол захисту виконаний на транзисторі VT1 та тиристорі VS1. При спрацьовуванні тиристора він відключає живлення мікросхеми DA1 (висновок 7 закорочується на загальний дріт). У цьому випадку транзистор VT3, а значить і VT2, закриються і на виході буде нульова напруга. Повернути схему до вихідний станпісля усунення причини, що викликала перевантаження, можна лише вимкненням та повторним включенням блока живлення.

Конденсатор СЗ зазвичай не потрібно - його завдання полегшити запуск схеми в момент включення.

Повернути схему у вихідний стан після усунення причини, що спричинила перевантаження, можна лише вимкненням та повторним включенням блока живлення. Конденсатор СЗ зазвичай не потрібно - його завдання полегшити запуск схеми в момент включення. Топологія друкованої плати для монтажу елементів показано на рис. 4.4 (вона містить одну об'ємну перемичку). Транзистор VT2 встановлюється на радіатор.

При виготовленні використані деталі: підлаштований резистор R8 типу СПЗ-19а, інші резистори будь-якого типу; конденсатори С1 - К50-29В на 16, С2 ... С5 - К10-17, С5 - К52-1 на 6,3 В. Схему можна доповнити світлодіодним індикатором спрацьовування захисту (HL1). Для цього потрібно встановити додаткові елементи: діод VD3 і резистор R10, як це показано на рис. 4.5.

Література: І.П. Шелестов – Радіоаматорам корисні схеми, книга 3.

В. Крилов

ПОБУДОВА ДВУПОЛЯРНИХ СТАБІЛІЗАТОРІВ НАПРУГИ НА ОУ

Операційні підсилювачі (ОУ) знаходять все більше застосування в різних вузлах радіо-аматорської апаратури, в тому числі і в стабілізованих блоках живлення. ОУ дозволяють різко підвищити якісні показники стабілізаторів та їх експлуатаційну надійність. використання ОУ в стабілізаторах можна прочитати в журналі «Радіо» (1975, № 12, с. 51, 52 і 1980, № 3, с. 33 - 35), У наведеній нижче статті описано побудову двополярних стабілізаторів на ОУ.

Найпростіше двополярний стабілізатор напруги може бути отриманий з двох однакових однополярних, як показано на рис. 1.

Мал. 1. Схема стабілізатора, побудованого з двох однакових однополярних

Цей двополярний стабілізатор може забезпечити по кожному з плечей струмом до 0,5 А. Коефіцієнт стабілізації при зміні вхідної напруги на ±10% дорівнює 4000. При зміні опору навантаження від нуля максимуму вихідна напруга стабілізатора змінюється не більше ніж на 0,001%, т е. його вихідний опір не перевищує 0,3 МОм. Пульсації вихідної напруги частотою 100 Гц при максимальному струмі навантаження - не більше 1 мВ (подвійне амплітудне).

Гідність такого способу побудови двополярного стабілізатора очевидна - можливість застосування однотипних елементів для обох плечей. Недолік полягає в тому, що джерела вхідної змінної напруги в цьому випадку не повинні мати загальної точки, іншими словами необхідні дві ізольовані одна від одної вторинні обмотки на мережевому трансформаторі, два окремі випрямлячі і чотирипровідні стабілізатори з випрямлячами.

Для того щоб скоротити з'єднувальних проводів до трьох, необхідно регулюючий елемент (тран-зистори V4, V5) нижнього за схемою плеча стабілізатора перенести з його плюсового в мінусовий провід (верхній залишається без зміни). Зробити це можна, застосувавши транзистори іншої структури: n - р -nдля транзистора V4 і р- n - рдля V5 (Рис. 2, а). Вихідна напруга операційного підсилювача А2при цьому матиме негативну щодо загального дроту. За параметрами цей. практично не відрізняється від описаного вище.

Зауважимо, що при зазначеному перенесенні регулюючого елемента можна обмежитися заміною тільки одного з транзисторів, а саме V5, якщо включити ре-гулюючий за схемою складеного транзистора (рис. 2, б)- при цьому потужні регулюючі транзистори в обох плечах стабілізатора (VIі V4 за рис. 2 а) залишаються однаковими. Коефіцієнт стабілізації при такому видозміні регулюючого елемента практично залишається колишнім (близько 4000), але вихідний опір нижнього плеча може збільшитися, так як при переході до складового регулюючого транзистора втрачається перевага, властиве поєднанню в регулюючому елементі двох транзисторів. цьому див. в «Радіо», 1975 № 12, с.51). При експериментальній перевірці аналізованих стабілізаторів було зафіксовано, наприклад, збільшення вихідного опору втричі.

Потужні регулюючі транзистори одного типу в обох плечах двополярного стабілізатора можуть бути застосовані і в тому випадку, якщо за схемою складеного транзистори включити регулюючий елемент верхнього схемі плеча стабілізатора (рис. 2, в),залишивши в іншому стабілізаторі транзистори різної структури.

Мал. 2. Схема стабілізатора з живленням від одного випрямляча

Мал. 3. Схема стабілізатора з живленням ОУ від вихідної напруги

У розглянутих стабілізаторах ОУ живляться безпосередньо вхідною однополярною напругою, але це можливо тільки в тих випадках, коли вхідна напруга приблизно дорівнює номінальному напрузі живлення ОУ. Якщо перше з названих напруг перевищує друге, то живити ОУ можна, наприклад, від найпростіших параметричних стабілізаторів, що обмежують вхідну напругу на необхідному рівні.1 У тому. у разі, коли напруга живлення кожного з плечей стабілізатора виявляється значно меншою за необхідне для живлення ОУ,. слід перейти до його живлення двополярною напругою. У двополярних стабілізаторах це реалізується порівняно просто.

На рис. 3 показана схема стабілізатора, вихідна двополярна напруга якого дорівнює напруги живлення, що дозволило живити їх безпосередньо з виходу стабілізатора. Транзистори V3 і V8 забезпечують посилення вихідної напруги ОУ до необхідного рівня, V4 захищає емітерний транзистор. V3 від зворотної напруги, яка може з'являтися на виході ОУ (при його двополярному живленні), наприклад, при перехідних процесах. У тому випадку, коли найбільша допустима зворотна напруга між емітером і базою транзистора перевищує напругу живлення ОУ, застосування такого діода є зайвим. Саме тому в базовій тран-зистори V8 діод відсутня.

Місце джерел зразкового напруження (стабілітронів V5 і V9) в порівнянні з розглянутим раніше стабілізатором (див. рис. 2, а) тут змінено для, щоб зберегти негативний характер зворотного зв'язку за наявності додаткових підсилювачів на транзисторах V3 і V8. була б негативною і в тому випадку, якщо кожен із стабілі-тронів V5 і V9 включити між інвертуючим входом відповідного ОУ і загальним проводом стабілізатора, але в даному випадку таке включення недопустимо, так як при цьому буде перевищено граничну синфазну напругу, яка для ОУ К1УТ401Б (нове найменування К.140УД1Б) дорівнює ±

При живленні ОУ вихідною напругою слід звертати особливу увагу на надійність запуску стабілізатора. У цьому випадку такий запуск забезпечується , що відразу після подачі вхідної напруги через навантажувальні резистори R2 і R9 протікають базові транзисторів V2 і V7 відповідно. Регулюючі елементи плечей стабілізатора при цьому відкриваються, вихідні напруги збільшують, вводячи пристрій в робочий режим.

Експериментальна перевірка цього стабілізатора дала такі результати: стабілізації при зміні вхідної напруги на ±10% перевищує 10 000, вихідний опір дорівнює 3 МОм.

Всі розглянуті вище двополярні стабілізатори напруги являють собою поєднання двох об'єднаних загальним проводом однополярних стабілізаторів, вихідні напруги яких встановлюють незалежно одне від іншого. При такій побудові двополярного стабілізатора важко забезпечити рівність напружень його плечей як при налагодженні стабілізації, так і в умовах його експлуатації. У ряді випадків, наприклад у перетворювачах «-напруга», до двополярного стабілізатора пред'являються високі вимоги щодо симетричності його вихідної напруги щодо загального проводу. Виконання таких вимог порівняно просто забезпечується в стабілізаторі, схема якого показана на рйс. 4.

Мал. 4. стабілізатора з симетричною вихідною напругою

Тут верхнє за схемою нічим не відрізняється від верхнього плеча попереднього стабілізатора (див. рис. 3). а плече побудоване інакше. В інвертуючий вхід ОУ з'єднаний із загальним проводом, і, отже, напруга на цьому вході дорівнює нулю. Так як диференціальна вхідна напруга ОУ незначна (одиниці мілівольт), то і напруга на неінвертуючому вході дорівнюватиме нулю. Але цей вхід ОУ підключений до середньої точки дільника напруги R14 R15, включеного між крайніми виводами стабілізатора; Завдяки цьому абсолютна величина напруги UВИХ. н на виході нижнього плеча стабілізатора визначатиметься наступним виразом:

де Uвих. н – напруга верхнього плеча.

При рівності опорів резисторів R14 і R15 вихідний нижнього плеча автоматично встановлюється рівним напрузі верхнього, і пристрій постійно «стежить» за його значенням. Наприклад, якщо ми за допомогою підстроювального резистора R8 збільшити напруга UВих. в, це призведе до збільшення напруги на неінвертуючому вході ОУ А2і, отже, з його виході. При цьому V8 почне закриватися, напруга на регулюючому транзисторі V6 зменшиться. Вихідна напруга нижнього плеча збільшиться до такого рівня, при якому напруга на неінвертуючому вході ОУ А2знову стане рівним нулю, тобто до знову встановленого рівня UВИХ. B.

Таким чином, у двополярному стабілізаторі, що розглядається, напруга на виході обох плечей-навливается одним подстроечным резистором R8, а рівність абсолютних величин позитивного і негативного вихідних напруг при R14 = R15 визначається лише класом точності цих резисторів.

За своїми якісними показниками стабілізатор не відрізняється від попереднього.