Стабилизатор на операционном усилителе схема. Шим-регулятор на операционном усилителе. Микросхемы стабилизаторов постоянного напряжения

Рис. 8. Основная схема включения регулятора КР142ЕН1

Опорное напряжение на выводе 5 микросхемы составляет около 2 В, причем делитель напряжения, снимаемого с опорного стабилитрона, введен в состав микросхемы. Благодаря этому при построении стабилизаторов с выходными напряжениями от 3 до 30 В применяют одну и ту же схему включения с внешним делителем выходного напряжения. Дополнительно отметим, что у микросхемы КР142ЕН1.2 имеются свободные выводы не только инвертирующего (вывод 3), но и неинвертирующего (вывод 4) входов усилителя, что упрощает стабилизатор отрица тельного напряжения с этой ИМС. В этом заключается основное отличие микросхемы КРН2ЕШ,2 от микросхемы 142ЕН1.2 более раннего выпуска.

Внешний транзистор VT1 - это эмиттерный повторитель для увеличения тока нагрузки до 1…2 А. Если требуется ток не более 50 мА, то транзистор следует исключить, используя вывод 8 микросхемы вместо эмиттерного вывода транзистора VT1.

В составе микросхемы имеется транзистор, защищающий выходной каскад от перегрузки по току. Токо–ограничительное сопротивление резистора R4 выбирают из расчета падения напряжения на нем 0,66 В при протекании аварийного тока. Без змиттерного повторителя VT1 следует установить резистор R4 сопротивлением 10 Ом.

Чтобы создать «падающую» характеристику ограничения тока перегрузки, подключают делитель R2R3 и производят расчет по следующим зависимостям:

Пример, I макс = 0,6 А (задано); I К3 - 0,2 А (выбираем не менее 1 /з I макс); U бЭ =0,66 В; U вых =12 В (задано); а = 0,11 (по расчету); R3 = 10 кОм (типичное значение); R2 = 1,24 кОи; R4 = 3,7 Ом.

В микросхеме дополнительно имеется вывод 14 для Управления стабилизатором. Если подать на этот вход единичный ТТЛ–уровень + (2,5…5) В, то выходное напряжение стабилизатора упадет до нуля. Чтобы обратный ток при наличии емкостной нагрузки не разрушил выходной транзистор, установлен диод VD1.

Конденсатор С1 емкостью 3,3…10 мк подавляет шум стабилитрона, однако установка его не является необходимой. Конденсатор С2 (емкостью до 0,1 мк) - элемент частотной коррекции; допустимо вместо него соединить вывод 13 с «земляным» проводом через последовательную RС–цепь 360 Ом (максимум) и 560 пФ (минимум).

На базе микросхем КР142ЕШ.2 (рис. 8) можно создавать стабилизаторы отрицательных напряжений (рис. 9).

Рис 9. Стабилизация отрицательного напряжения

При этом стабилитрон VD1 смещает уровень напряжения на выводе 8 относительно входного напряжения. Базовый ток транзистора VT1 не должен превышать максимально допустимого тока стабилитрона, иначе следует применить составной транзистор.

Широкие возможности микросхем КР142ЕН1,2 позволяют создавать на их основе релейные стабилизаторы напряжения, пример которых дан на рис. 10.

Рис. 10. Релейный стабилизатор напряжения

В таком стабилизаторе опорное напряжение, как и в стабилизаторе по схеме рис. 8, установлено делителем R4R5, а амплитуда пульсаций выходного напряжения на нагрузке задается вспомогательным делителем R2R3 и равна &U=U B x-R4IR3. Частота автоколебаний определяется из тех же соображений, что и для стабилизатора по схеме на рис. 7. Следует лишь иметь в виду, что ток нагрузки не может изменяться в широких пределах, обычно не более чем в два раза от номинального значения. Преимуществом релейных стабилизаторов является высокий КПД.

Необходимо рассмотреть еще один класс стабилизаторов - стабилизаторов тока, преобразующих напряжение в ток независимо от изменения сопротивления нагрузки. Из таких стабилизаторов, позволяющих заземлять нагрузку, отметим стабилизатор по схеме на рис. 11.

Рис. 11. Стабилизатор тока на ОУ

Ток нагрузки стабилизатора I u =U B-x .lRl. Интересно, что если напряжение U BX подавать на инвертирующий вход, то изменится только направление тока без изменения его значения.

Более мощные источники тока предусматривают подключение к ОУ усилительных транзисторов. На рис. 12 дана схема источника тока, а на рис. 13 - схема приемника тока.

Рис. 12. Прецизионная схема источника тока; входное напряжение - отрицательное

Рис 13. Схема прецизионного отвода тока; входное напряжение - положительное

В обоих устройствах сила тока определяется расчетом так же, как и в предыдущем варианте стабилизатора. Этот ток тем точнее зависит лишь от напряжения U вх и номинала резистора R1, чем меньше входной ток ОУ и чем меньше ток управления первого (после ОУ) транзистора, который выбран поэтому полевым. Ток нагрузки может достигать 100 мА.

Схема простого мощного источника тока для зарядного устройства показана на рис. 14.

Рис. 14. Источник тока высокой мощности

Здесь R4 - токоизмерительный проволочный резистор. Номинальное значение тока нагрузки I н =ДU/R4 = 5 А устанавливается. примерно при среднем положении движка резистора R1. При зарядке автомобильной аккумуляторной батареи напряжение U вх >18 В без учета пульсаций выпрямленного переменного напряжения. В таком устройстве следует применять ОУ с диапазоном входного напряжения вплоть до напряжения положительного питания. Такими возможностями обладают ОУ К553УД2, К153УД2, К153УД6, а также КР140УД18.

Литература

Бокуняев А. А. Релейные стабилизаторы постоянного напряжения - М: Энергия, 1978, 88 с.

Рутксвски Дж. Интегральные операционные усилители. - М.: Мир, 1978, 323 с.

Xоролац П, Хилл У. Искусство схемотехники, т. 1. - М.; Мир, - 1986, 598 с.

Спенсер Р Недорогой источник питания с нулевыми пульсациями. - Электроника, 1973, № 23, с 62.

Шило В. Л Линейные интегральные схемы. - М. Cов. Радио, 1979, 368 с.

Достоинства ШИМ-регуляторов с применением операционных усилителей так это то что можно применять практически любой ОУ (в типовой схеме включения, конечно).

Уровень выходного эффективного напряжения регулируется путём изменения уровня напряжения на неинвертирующем входе ОУ, что позволяет использовать схему как составную часть различных регуляторов напряжения и тока, а также схем с плавным зажиганием и гашением ламп накаливания.
Схема легка в повторении, не содержит редких элементов и при исправных элементах начинает работать сразу, без настройки. Силовой полевой транзистор подбирается по току нагрузки, но для уменьшения тепловой рассеиваемой мощности желательно использовать транзисторы, рассчитанные на большой ток, т.к. у них наименьшее сопротивление в открытом состоянии.
Площадь радиатора для полевого транзистора полностью определяется выбором его типа и током нагрузки. Если схема будет использоваться для регулирования напряжения в бортовых сетях + 24В, для предотвращения пробоя затвора полевого транзистора, между коллектором транзистора VT1 и затвором VT2 следует включить резистор сопротивлением 1 К, а резистор R6 зашунтировать любым подходящим стабилитроном на 15 В, остальные элементы схемы не изменяются.

Во всех ранее рассмотренных схемах в качестве силового полевого транзистора используются n - канальные транзисторы, как наиболее распространённые и имеющие наилучшие характеристики.

Если требуется регулировать напряжение на нагрузке, один из выводов которой подключен к "массе" , то используются схемы, в которых n - канальный полевой транзистор подключается стоком к + источника питания, а в цепи истока включается нагрузка.

Для обеспечения возможности полного открытия полевого транзистора схема управления должна содержать узел повышения напряжения в цепях управления затвором до 27 - 30 В, как это сделано в специализированных микросхемах U 6 080B ... U6084B , L9610, L9611 , тогда между затвором и истоком будет напряжение не менее 15 В. Если ток нагрузки не превышает 10А, можно использовать силовые полевые p - канальные транзисторы, ассортимент которых гораздо уже из - за технологических причин. В схеме изменяется и тип транзистора VT1 , а регулировочная характеристика R7 меняется на обратную. Если у первой схемы увеличение напряжения управления (движок переменного резистора перемещается к " +" источника питания) вызывает уменьшение выходного напряжения на нагрузке, то у второй схемы эта зависимость обратная. Если от конкретной схемы требуется инверсная от исходной зависимость выходного напряжения от входного, то в схемах необходимо поменять структуру транзисторов VT1 , т.е транзистор VT1 в первой схеме необходимо подключить как VT1 у второй схемы и наоборот.

Стабильность напряжения питания является необходимым условием правильной работы многих электронных устройств. Для стабилизации постоянного напряжения на нагрузке при колебаниях сетевого напряжения и изменении потребляемого нагрузкой тока между выпрямителем с фильтром и нагрузкой (потребителем) ставят стабилизаторы постоянного напряжения.

Выходное напряжение стабилизатора зависит как от входного напряжения стабилизатора, так и от тока нагрузки (выходного тока):

Найдем полный дифференциал изменение напряжения при изменении и :

Разделим правую и левую части на , а также умножим и разделим первое слагаемое в правой части на , а второе слагаемое на .

Вводя обозначения и переходя к конечным приращениям, имеем

Здесь - коэффициент стабилизации, равный отношению приращений входного и выходного напряжений в относительных единицах;

Внутреннее (выходное) сопротивление стабилизатора.

Стабилизаторы подразделяются на параметрические и компенсационные.

Параметрический стабилизатор основан на использовании элемента с нелинейной характеристикой, например полупроводникового стабилитрона (см. § 1.3). Напряжение на стабилитроне на участке обратимого электрического пробоя почти постоянно при значительном изменении обратного тока через прибор.

Схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 5.10, а.

Рис. 5.10. Параметрический стабилизатор (а), его схема замещения для приращений (б) и внешняя характеристика выпрямителя со стабилизатором (кривая 2) и без стабилизатора (кривая ) (в)

Входное напряжение стабилизатора должно быть больше напряжения стабилизации стабилитрона . Для ограничения тока через стабилитрон устанавливается балластный резистор Выходное напряжение снимается со стабилитрона. Часть входного напряжения теряется на резисторе , оставшаяся часть приложена к нагрузке:

Учитываем, что , получаем

Наибольший ток через стабилитрон протекает при

Наименьший ток через стабилитрон протекает при

При обеспечении условий - токи стабилитрона, ограничивающие участок стабилизации, напряжение на нагрузке стабильно и равно . Из .

При увеличении растет ток , увеличивается падение напряжения на . При увеличении сопротивления нагрузки уменьшается ток нагрузки, растет на то же значение ток через стабилитрон, падения напряжения на и на нагрузке остаются неизменными.

Для нахождения построим схему замещения стабилизатора рис. 5.10, а для приращений. Нелинейный элемент работает на участке стабилизации, где его сопротивление переменному гоку является параметром прибора. Схема замещения стабилизатора приведена на рис. . Из схемы замещения получаем

Учитывая, что в стабилизаторе , имеем

Для нахождения , так же как и при расчете параметров усилителей (см. § 2.3), воспользуемся теоремой об эквивалентном генераторе и положим , тогда сопротивление на выходе стабилизатора

Выражения (5.16), (5.17) показывают, что параметры стабилизатора определяются параметрами используемого полупроводникового стабилитрона (или другого прибора). Обычно для параметрических стабилизаторов не более 20-40, а лежит в пределах от нескольких ом до нескольких сот ом.

В ряде случаев такие показатели оказываются недостаточными, тогда применяют компенсационные стабилизаторы. На рис. 5.11 приведена одна из простейших схем компенсационных стабилизаторов, в котором нагрузка подключена к источнику входного напряжения через регулирующий нелинейный элемент, транзистор V. На базу транзистора через ОУ подается сигнал ОС. На вход ОУ поступают напряжения с высокоомного резистивного делителя и эталонное (опорное) напряжение .

Рис. 5.11. Простейшая схема компенсационного стабилизатора с ОУ

Рассмотрим работу стабилизатора. Предположим, что увеличилось напряжение , вслед за ним возрастает и При этом на инвертирующий вход ОУ подается положительное приращение напряжения , а на выходе ОУ возникает отрицательное приращение напряжения . К управляющему эмиттерному переходу транзистора V приложена разность базового и эмиттерного напряжений . В рассматриваемом нами режиме , ток транзистора V уменьшается и напряжение ивых снижается почти до первоначального значения. Аналогично будет отработано изменение ивых при увеличении или уменьшении : изменится , возникнет соответствующего знака, изменится ток транзистора . очень высока, так как в процессе работы режим работы стабилитрона практически не изменяется и ток через него стабилен.

Компенсационные стабилизаторы напряжения выпускаются в виде ИМС, которые включают в себя регулирующий нелинейный элемент, транзистор V, ОУ и цепи, связывающие нагрузку с его входом.

На рис. 5.10, в показана внешняя характеристика источника питания со стабилизатором, ее рабочий участок ограничен значениями тока

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:

где:
Uвх.мин и Uвх.макс - минимальное и максимальное входные напря­жения стабили­затора;
Uд - максимальное па­дение напряже­ния на диоде V1;
Uсм.макс - максимальное напряжение сме­щения ОУ;
U3 ном - напряжение на входе 3 ОУ (см рис. 1) при но­минальном ре­жиме стабили­затора.

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.

Как известно, — для питания светодиодов требуется стабильный ток. Устройство, способное питать светодиоды стабильным током, называется драйвером светодиодов. Эта статья посвящена изготовлению такого драйвера с использованием операционного усилителя.

Итак, главная идея заключается в том, чтобы стабилизировать падение напряжения на резисторе известного номинала (в нашем случае — R 3), включенном в цепь последовательно с нагрузкой (светодиодом). Поскольку резистор включен последовательно со светодиодом, то через них протекает одинаковый ток. Если этот резистор подобран таким образом, что он практически не нагревается, то и сопротивление его будет неизменным. Таким образом, стабилизировав падение напряжения на нём, мы стабилизируем и ток через него и, соответственно ток через светодиод.

Причём же здесь операционный усилитель? Да при том, что одним из его замечательных свойств является то, что ОУ стремится к такому состоянию, когда разность напряжений на его входах равна нулю. И делает он это путём изменения своего выходного напряжения. Если разность U 1 -U 2 положительна — выходное напряжение будет возрастать, а если отрицательна — уменьшаться.

Представим, что наша схема находится в некоем равновесном состоянии, когда напряжение на выходе ОУ равно Uвых. При этом через нагрузку и резистор протекает ток I н. Если по каким либо причинам ток в цепи возрастёт (например, если под действием нагрева уменьшится сопротивление светодиода), то это вызовет увеличение падения напряжения на резисторе R 3 и, соответственно, увеличение напряжения на инвертирующем входе ОУ. Между входами ОУ появится отрицательная разность напряжений (ошибка), стремясь скомпенсировать которую, операционник будет уменьшать выходное напряжение. Он будет делать это до тех пор, пока напряжения на его входах не станут равными, т.е. пока падение напряжения на резисторе R 3 не станет равным напряжению на неинвертирующем входе ОУ.

Таким образом, вся задача свелась к тому, чтобы стабилизировать напряжение на неинверирующем входе ОУ. Если вся схема питается стабильным напряжением U п, то для этого достаточно простого делителя (как на схеме 1). Раз делитель подключен к стабильному напряжению, то и выход делителя тоже будет стабильным.

Расчёты : Для расчётов выберем реальный пример: пусть мы хотим запитать два сверхъярких светодиода подсветки сотового телефона Nokia от напряжения Uп=12В (отличный фонарик в машину). Нам нужно получить ток через каждый светодиод 20 мА и при этом у нас имеется выковырянный с материнской платы сдвоенный операционный усилитель LM833. При таком токе наши светодиоды светят гораздо ярче, чем в телефоне, но сгорать и не собираются, значительный нагрев начинается где-то ближе к 30 мА. Расчёт будем вести для одного канала операционника, т.к. для второго он абсолютно аналогичен.

напряжение на неинвертирующем входе: U 1 =U п *R 2 /(R 1 +R 2)

напряжение на инвертирующем входе: U 2 =I н *R 3

из условия равенства напряжений в состоянии равновесия:

U 1 =U 2 => I н =U п *R 2 /R 3 *1/(R 1 +R 2)

Как выбирать номиналы элементов? Во-первых, выражение для U 1 справедливо только в том случае, если входной ток операционного усилителя = 0. То есть для идеального операционного усилителя. Чтобы можно было не учитывать входной ток реального ОУ, ток через делитель должен быть по крайней мере раз в 100 больше, чем входной ток ОУ. Величину входного тока можно посмотреть в даташите, обычно для современных ОУ она может составлять от десятков пикоампер до сотен наноампер (для нашего случая input bias current max=1 мкА). То есть ток через делитель должен быть по меньшей мере 100..200 мкА. Во-вторых, с одной стороны — чем больше R 3 — тем более наша схема чувствительна к изменению тока, но с другой стороны — увеличение R 3 снижает КПД схемы, поскольку резистор рассеивает мощность, пропорциональную сопротивлению. Будем исходить из того, что мы не хотим падения напряжения на резисторе более 1В.

Итак, пусть R 1 =47кОм, тогда с учётом того, что U 1 =U 2 =1В, из выражения для U 1 получим R 2 =R 1 /(U п /U 1 -1)=4,272 -> из стандартного ряда выбираем резистор на 4,3 кОм. Из выражения для U 2 находим R 3 =U 2 /I н =50 -> выбираем резистор на 47 Ом. Проверим ток через делитель: I д =U п /(R 1 +R 2)=234 мкА, что вполне нас устраивает. Мощность, рассеиваемая на R 3: P=I н 2 *R 3 =18,8 мВт, что тоже вполне приемлемо. Для сравнения, — самые обычные резисторы МЛТ-0,125 рассчитаны на 125 мВт.

Как уже было отмечено, описанная выше схема рассчитана на стабильное питание U п. Что же делать, если питание НЕ стабильное. Самым простым решением является замена сопротивления R 2 делителя на стабилитрон. Что важно учитывать в этом случае?

Во-первых, важно чтобы стабилитрон мог работать во всем диапазоне напряжения питания. Если ток через R 1 D 1 будет слишком маленьким — напряжение на стабилитроне будет значительно выше напряжения стабилизации, соответственно, выходное напряжение будет значительно выше требуемого и светодиод может сгореть. Итак, нужно, чтобы при U п min ток через R 1 D 1 был больше или равен I ст min (минимальный ток стабилизации узнаём из даташита на стабилитрон).

R 1 max = (U п min -U ст)/I ст min

Во-вторых, при максимальном напряжении питания ток через стабилитрон не должен быть выше I ст max (наш стабилитрон не должен сгореть). То есть

R 1 min =(U п max -U ст)/I ст max

И, наконец, в-третьих, напряжение на реальном стабилитроне не точно равно U ст, — оно, в зависимости от тока, меняется от U ст min до U ст max . Соответственно, падение на резисторе R 3 тоже изменяется от U ст min до U ст max . Это так же следует учитывать, поскольку чем больше ΔU ст — тем больше ошибка регулирования тока, в зависимости от напряжения питания.

Ну ладно, с небольшими токами разобрались, а что делать, если нам нужен ток через светодиод не 20, а 500 мА, что превышает возможности операционника? Тут тоже всё достаточно просто — выход можно умощнить с помощью обычного биполярного или полевого транзистора, все расчёты при этом остаются без изменений. Единственное очевидное условие — транзистор должен выдерживать требуемый ток и максимальное напряжение питания.

Ну вот, пожалуй и всё. Удачи! И ни в коем случае не выкидывайте старый радиохлам — у нас впереди ещё много прикольных штуковин.