Стабілізатор на операційному підсилювачі схема. Шим-регулятор на операційному підсилювачі. Мікросхеми стабілізаторів постійної напруги

Мал. 8. Основна схема включення регулятора КР142ЕН1

Опорна напруга на виводі 5 мікросхеми становить близько 2 В, причому дільник напруги, що знімається з опорного стабілітрона, введений до складу мікросхеми. Завдяки цьому при побудові стабілізаторів з вихідними напругами від 3 до 30 В застосовують одну і ту ж схему включення з зовнішнім дільником вихідного напруги. Додатково зазначимо, що у мікросхеми КР142ЕН1.2 є вільні висновки не тільки инвертирующего (висновок 3), але і неинвертирующего (висновок 4) входів підсилювача, що спрощує стабілізатор отрица ного напруги з цієї ІМС. У цьому полягає основна відмінність мікросхеми КРН2ЕШ, 2 від мікросхеми 142ЕН1.2 більш раннього випуску.

Зовнішній транзистор V T1 - це емітерний повторювач для збільшення струму навантаження до 1 ... 2 А. Якщо потрібно струм не більше 50 мА, то транзистор слід виключити, використовуючи висновок 8 мікросхеми замість емітерного виведення транзистора V T1.

У складі мікросхеми є транзистор, що захищає вихідний каскад від перевантаження по струму. Токо-обмежувальне опір резистора R4 вибирають з розрахунку падіння напруги на ньому 0,66 В при протіканні аварійного струму. Без зміттерного повторювача V T1 слід встановити резистор R4 опором 10 Ом.

Щоб створити «падаючу» характеристику обмеження струму перевантаження, підключають дільник R2R3 і роблять розрахунок за такими залежностями:

Приклад, I макс \u003d 0,6 А (задано); I К3 - 0,2 А (вибираємо не менше 1 / з I макс); U бе \u003d 0,66 В; U вих \u003d 12 В (задано); а \u003d 0,11 (за розрахунком); R3 \u003d 10 кОм (типове значення); R2 \u003d 1,24 вряди; R4 \u003d 3,7 Ом.

У мікросхемі додатково є висновок 14 для Управління стабілізатором. Якщо подати на цей вхід одиничний ТТЛ-рівень + (2,5 ... 5) В, то вихідна напруга стабілізатора впаде до нуля. Щоб зворотний струм при наявності ємнісний навантаження не зруйнував вихідний транзистор, встановлений діод V D1.

конденсатор З 1 ємністю 3,3 ... 10 мк пригнічує шум стабилитрона, однак установка його не є необхідною. конденсатор С2 (Ємністю до 0,1 мк) - елемент частотної корекції; допустимо замість нього з'єднати висновок 13 з «земляним» проводом через послідовну RС-ланцюг 360 Ом (максимум) і 560 пФ (мінімум).

На базі мікросхем КР142ЕШ.2 (рис. 8) можна створювати стабілізатори негативних напруг (рис. 9).

Рис 9. Стабілізація негативної напруги

При цьому стабілітрон V D1 зміщує рівень напруги на виводі 8 щодо вхідного напруги. Базовий струм транзистора V T1 не повинен перевищувати максимально допустимого струму стабілітрона, інакше слід застосувати складовою транзистор.

Широкі можливості мікросхем КР142ЕН1,2 дозволяють створювати на їх основі релейні стабілізатори напруги, приклад яких дано на рис. 10.

Мал. 10. Релейний стабілізатор напруги

В такому стабілізаторі опорна напруга, як і в стабілізаторі за схемою рис. 8, встановлено дільником R4R5, а амплітуда пульсацій вихідної напруги на навантаженні задається допоміжним дільником R2R3 і дорівнює & U \u003d U B x-R4IR3. Частота автоколивань визначається з тих же міркувань, що і для стабілізатора за схемою на рис. 7. Слід лише мати на увазі, що струм навантаження не може змінюватися в широких межах, як правило, не більше ніж в два рази від номінального значення. Перевагою релейних стабілізаторів є високий ККД.

Необхідно розглянути ще один клас стабілізаторів - стабілізаторів струму, що перетворюють напругу в струм незалежно від зміни опору навантаження. З таких стабілізаторів, що дозволяють заземлювати навантаження, відзначимо стабілізатор за схемою на рис. 11.

Мал. 11. Стабілізатор струму на ОУ

Струм навантаження стабілізатора I u \u003d U B-x .lRl. Цікаво, що якщо напруга U BX подавати на інвертується вхід, то зміниться тільки напрямок струму без зміни його значення.

Більш потужні джерела струму передбачають підключення до ОУ підсилюючих транзисторів. На рис. 12 дана схема джерела струму, а на рис. 13 - схема приймача струму.

Мал. 12. Прецизійна схема джерела струму; вхідна напруга - негативне

Рис 13. Схема прецизійного відведення струму; вхідна напруга - позитивне

В обох пристроях сила струму визначається розрахунком так само, як і в попередньому варіанті стабілізатора. Цей струм тим точніше залежить лише від напруги U вх і номіналу резистора R1, чим менше вхідний струм ОУ і чим менше струм управління першого (після ОУ) транзистора, яка була обрана тому польовим. Струм навантаження може досягати 100 мА.

Схема простого потужного джерела струму для зарядного пристрою показана на рис. 14.

Мал. 14. Джерело струму високої потужності

тут R4 - струмові дротяний резистор. Номінальне значення струму навантаження I н \u003d ДU / R4 \u003d 5 А встановлюється. приблизно при середньому положенні движка резистора R1. При зарядці автомобільної акумуляторної батареї напруга U вх\u003e 18 В без урахування пульсацій випрямленої змінної напруги. У такому пристрої слід застосовувати ОУ з діапазоном вхідної напруги аж до напруги позитивного харчування. Такими можливостями мають ОУ К553УД2, К153УД2, К153УД6, а також КР140УД18.

література

Бокуняев А. А. Релейні стабілізатори постійної напруги - М: Енергія, 1978, 88 с.

Рутксвскі Дж. Інтегральні операційні підсилювачі. - М .: Мир, 1978, 323 с.

Xоролац П, Хілл У. Мистецтво схемотехніки, т. 1. - М .; Світ, - 1986, 598 с.

Спенсер Р Недорогий джерело живлення з нульовими пульсаціями. - Електроніка, 1973, № 23, с 62.

Шило В. Л Лінійні інтегральні схеми. - М. Cов. Радіо, 1979, 368 с.

Переваги ШІМ-регуляторів із застосуванням операційних підсилювачів так це те що можна застосовувати практично будь-який ОУ (в типовою схемою включення, звичайно).

Рівень вихідного ефективного напруги регулюється шляхом зміни рівня напруги на неінвертуючий вхід ОП, що дозволяє використовувати схему як складову частину різних регуляторів напруги і струму, а також схем з плавним запалюванням і гасінням ламп розжарювання.
схема легка в повторенні, не містить рідкісних елементів і при справних елементах починає працювати відразу, без настройки. Силовий польовий транзистор підбирається по струму навантаження, але для зменшення теплової потужності, що розсіюється бажано використовувати транзистори, розраховані на великий струм, тому що у них найменший опір у відкритому стані.
Площа радіатора для польового транзистора повністю визначається вибором його типу і струмом навантаження. Якщо схема буде використовуватися для регулювання напруги в бортових мережах +24, для запобігання пробою затвора польового транзистора, між колектором транзистораVT1 і затвором VT2 слід включити резистор опором 1 К, а резисторR6 зашунтувати будь-яким підходящим стабілітроном на 15 В, інші елементи схеми не змінюються.

У всіх раніше розглянутих схемах в якості силового польового транзистора використовуютьсяn - канальні транзистори, як найбільш поширені і мають найкращі характеристики.

Якщо потрібно регулювати напругу на навантаженні, один з висновків якої підключений до "масі", то використовуються схеми, в якихn - канальний польовий транзистор підключається стоком до + джерела живлення, а в ланцюзі витоку включається навантаження.

Для забезпечення можливості повного відкриття польового транзистора схема управління повинна містити вузол підвищення напруги в ланцюгах управління затвором до 27 - 30 В, як це зроблено в спеціалізованих мікросхемахU 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 польовіp - канальні транзистори, асортимент яких значно вужчими з - за технологічних причин. У схемі змінюється і тип транзистораVT1 , А регулювальна характеристикаR7 змінюється на зворотну. Якщо у першій схеми збільшення напруги управління (движок змінного резистора переміщається до "+" джерела живлення) викликає зменшення вихідної напруги на навантаженні, то у другій схеми ця залежність зворотна. Якщо від конкретної схеми потрібно інверсна від вихідної залежність вихідної напруги від вхідного, то в схемах необхідно поміняти структуру транзисторівVT1, тобто транзистор VT1 в першій схемі необхідно підключити якVT1 у другій схеми і навпаки.

Стабільність напруги харчування є необхідною умовою правильної роботи багатьох електронних пристроїв. Для стабілізації постійної напруги на навантаженні при коливаннях напруги і зміні споживаного навантаженням струму між випрямлячем з фільтром і навантаженням (споживачем) ставлять стабілізатори постійної напруги.

Вихідна напруга стабілізатора залежить як від вхідної напруги стабілізатора, так і від струму навантаження (вихідного струму):

Знайдемо повний диференціал зміна напруги при зміні і:

Розділимо праву і ліву частини на, а також помножимо і розділимо перший доданок в правій частині на, а другий доданок на.

Вводячи позначення і переходячи до кінцевих приращениям, маємо

Тут - коефіцієнт стабілізації, рівний відношенню збільшень вхідного і вихідного напруг в відносних одиницях;

Внутрішнє (вихідний) опір стабілізатора.

Стабілізатори поділяються на параметричні та компенсаційні.

Параметричний стабілізатор заснований на використанні елемента з нелінійної характеристикою, Наприклад напівпровідникового стабілітрона (див. § 1.3). Напруга на стабілітроні на ділянці оборотного електричного пробою майже постійно при значній зміні зворотного струму через прилад.

Схема параметричного стабілізатора приведена на рис. 5.10, а.

Мал. 5.10. Параметричний стабілізатор (а), його схема заміщення для збільшень (б) і зовнішня характеристика випрямляча зі стабілізатором (крива 2) і без стабілізатора (крива) (в)

Вхідна напруга стабілізатора має бути більше напруги стабілізації стабілітрона. Для обмеження струму через стабілітрон встановлюється баластовий резистор Вихідна напруга знімається з стабілітрона. Частина вхідної напруги втрачається на резисторі, решта прикладена до навантаження:

Враховуємо, що, отримуємо

Найбільший струм через стабілітрон протікає при

Найменший струм через стабілітрон протікає при

При забезпеченні умов - струми стабилитрона, що обмежують ділянку стабілізації, напруга на навантаженні стабільно і рівно. З.

При збільшенні зростає струм, збільшується падіння напруги на. При збільшенні опору навантаження зменшується струм навантаження, зростає на те ж значення струм через стабілітрон, падіння напруги на і на навантаженні залишаються незмінними.

Для знаходження побудуємо схему заміщення стабілізатора рис. 5.10, а для збільшень. Нелінійний елемент працює на ділянці стабілізації, де його опір змінному гоку є параметром приладу. Схема заміщення стабілізатора приведена на рис. . Зі схеми заміщення отримуємо

З огляду на, що в стабілізаторі, маємо

Для знаходження, так само як і при розрахунку параметрів підсилювачів (див. § 2.3), скористаємося теоремою про еквівалентний генератор і покладемо, тоді опір на виході стабілізатора

Вирази (5.16), (5.17) показують, що параметри стабілізатора визначаються параметрами використовуваного напівпровідникового стабілітрона (або іншого приладу). Зазвичай для параметричних стабілізаторів не більше 20-40, а лежить в межах від декількох ом до декількох сот му.

У ряді випадків такі показники виявляються недостатніми, тоді застосовують компенсаційні стабілізатори. На рис. 5.11 приведена одна з найпростіших схем компенсаційних стабілізаторів, в якому навантаження підключена до джерела вхідної напруги через регулюючий нелінійний елемент, Транзистор V. На базу транзистора через ОУ подається сигнал ОС. На вхід ОУ надходять напруги з високоомного резистивного дільника і еталонне (опорна) напруга.

Мал. 5.11. найпростіша схема компенсаційного стабілізатора з ОУ

Розглянемо роботу стабілізатора. Припустимо, що збільшилася напруга, слідом за ним зростає і При цьому на інвертується вхід ОП подається позитивне збільшення напруги, а на виході ОУ виникає негативне прирощення напруги. До керуючому емітерного переходу транзистора V прикладена різниця базової і емітерного напружень. У розглянутому нами режимі, струм транзистора V зменшується і напруга івих знижується майже до початкового значення. Аналогічно буде відпрацьовано зміна івих при збільшенні або зменшенні: зміниться, виникне відповідного знака, зміниться струм транзистора. дуже висока, так як в процесі роботи режим роботи стабілітрона практично не змінюється і струм через нього стабільний.

Компенсаційні стабілізатори напруги випускаються у вигляді ІМС, які включають в себе регулює нелінійний елемент, транзистор V, ОУ і ланцюги, що зв'язують навантаження з його входом.

На рис. 5.10, в показана зовнішня характеристика джерела живлення зі стабілізатором, її робочий ділянка обмежена значеннями струму

схема:

Стабілізатор напруги на операційних підсилювачах (ОП) іноді не запускається, тобто не виходить на режим стабілізації при включенні харчування, і напруга на його виході залишається практично рівним нулю. Після заміни мікросхеми стабілізатор починає працювати нормально. Перевірка заміненого ОУ показує, що він абсолютно справний. При повторній установці цього ОУ в працездатний стабілізатор вказане вище явище повторюється - стабілізатор знову не починається. Вище показана схема одного з типових стабілізаторів, в який спостерігалося таке явище.

Після ряду експериментів було встановлено. що його причиною є напруга зсуву Uсм операційного підсилювача, показане нижче умовно у вигляді джерела постійної напруги:

Вхідний опір операційного підсилювача зображує резистор Rвх. Напруга змішання ОУ, як відомо, може бути будь-який полярності. Припустимо, що воно виявилося таким, як показано на малюнку. Тоді в перший момент після включення вихідна напруга стабілізатора, а отже, і напруга між входами ОУ дорівнюють нулю, і негативний полюс джерела Uсм виявляється підключеним безпосередньо до неінвертіруюшему входу ОУ. Напруга на його виході при цьому зменшується і при досить великому значенні ЦСН (для К1УТ531Б, наприклад, воно може досягати 7,5 мВ) через велику коефіцієнта посилення напруги вихідний каскад ОУ виявляється в сильному насиченні, напруга на виході становить лише десяті частки вольта . Цього напруги недостатньо для відкривання регулюючого транзистора стабілізатора і тому він не запускається. Якщо ж виявиться, що після заміни мікросхеми у знову встановленого ОУ значення напруги зсуву не надто велике або його полярність зворотна показаної на рис. 2а стабілізатор буде запускатися нормально.

Позбутися від необхідності трудомісткого підбору примірника ОУ для кожного конкретного стабілізатора можна різними способами. Один з них, наприклад, полягає в застосуванні для запуску стабілізатора подільника напруги з розділовим діодом (рис 2б). Напруга на резисторі R2 має задовольняти слідуючи нерівностей:

де:
Uвх.мін і Uвх.макс - мінімальне і максимальне вхідні напруги стабілізатора;
Uд - максимальне падіння напруги на діоді V1;
Uсм.макс - максимальне напруження зсуву ОУ;
U3 ном - напруга на вході 3 ОУ (див рис. 1) при номінальному режимі стабілізатора.

При підключенні стабілізатора до джерела живлення позитивне напруга з резистора R2 (рис. 2. б) через діод VI підводиться до неінвертуючий вхід ОУ. Вихідна напруга ОУ при цьому різко зростає і регулюючий транзистор стабілізатора відкривається.

Після виходу стабілізатора на номінальний режим, діод VI закривається і відключає дільник напруги від входу ОУ. для найбільш повного усунення впливу запускає цінуй на роботу стабілізатора діод слід вибирати кремнієвий, з малим зворотним струмом.

Практична перевірка підтвердила ефективність застосування описаної ланцюга - стабілізатор з нею запускався безвідмовно при будь-яких значеннях і полярності напруги Uсм. тоді як без неї іноді включення стабілізатора не відбувалося. Впливу запускає ланцюга на показники стабілізатора (коефіцієнт стабілізації - більше. 6000, вихідний опір 8 мОм) помічено не було.

Як відомо, - для живлення світлодіодів потрібно стабільний струм. Пристрій, здатний живити світлодіоди стабільним струмом, називається драйвером світлодіодів. Ця стаття присвячена виготовленню такого драйвера з використанням операційного підсилювача.

Отже, головна ідея полягає в тому, щоб стабілізувати падіння напруги на резисторі відомого номіналу (в нашому випадку - R 3), включеному в ланцюг послідовно з навантаженням (світлодіодом). Оскільки резистор включений послідовно з світлодіодом, то через них протікає однаковий струм. Якщо цей резистор підібраний таким чином, що він практично не нагрівається, то й відвертий спротив його буде незмінним. Таким чином, стабілізувавши падіння напруги на ньому, ми стабілізуємо і струм через нього і, відповідно струм через світлодіод.

Причому ж тут операційний підсилювач? Так при тому, що одним з його чудових властивостей є те, що ОУ прагне до такого стану, коли різниця напруги на його входах дорівнює нулю. І робить він це шляхом зміни свого вихідного напруги. Якщо різниця U 1 -U 2 позитивна - вихідна напруга буде зростати, а якщо негативна - зменшуватися.

Уявімо, що наша схема знаходиться в якомусь стані рівноваги, коли напруга на виході ОУ одно U вих. При цьому через навантаження і резистор протікає струм I н. Якщо з якихось причин струм в ланцюзі зросте (наприклад, якщо під дією нагрівання зменшиться опір світлодіода), то це викличе збільшення падіння напруги на резисторі R 3 і, відповідно, збільшення напруги на вході інвертується ОУ. Між входами ОУ з'явиться негативна різниця напруги (помилка), прагнучи компенсувати яку, операціоннік буде зменшувати вихідну напругу. Він буде робити це до тих пір, поки напруги на його входах не стануть рівними, тобто поки падіння напруги на резисторі R 3 не стане рівним напрузі на неінвертуючий вхід ОП.

Таким чином, вся задача звелася до того, щоб стабілізувати напругу на неінверірующем вході ОУ. Якщо вся схема харчується стабільною напругою U п, то для цього достатньо простого дільника (як на схемі 1). Раз дільник підключений до стабільного напруги, то і вихід дільника теж буде стабільним.

розрахунки: Для розрахунків виберемо реальний приклад: нехай ми хочемо живити два надяскравих світлодіода підсвічування стільникового телефону Nokia від напруги Uп \u003d 12В (відмінний ліхтарик в машину). Нам потрібно отримати струм через кожен світлодіод 20 мА і при цьому у нас є виколупати з материнської плати здвоєний операційний підсилювач LM833. При такому струмі наші світлодіоди світять набагато яскравіше, ніж в телефоні, але згоряти і не збираються, значне нагрівання починається десь ближче до 30 мА. Розрахунок будемо вести для одного каналу операціонніка, тому що для другого він абсолютно аналогічний.

напруга на неінвертуючий вході: U 1 \u003d U п * R 2 / (R 1 + R 2)

напруга на вході інвертується: U 2 \u003d I н * R 3

з умови рівності напружень в стані рівноваги:

U 1 \u003d U 2 \u003d\u003e I н \u003d U п * R 2 / R 3 * 1 / (R 1 + R 2)

Як вибирати номінали елементів? По-перше, вираз для U 1 справедливо тільки в тому випадку, якщо вхідний струм операційного підсилювача \u003d 0. Тобто для ідеального операційного підсилювача. Щоб можна було не враховувати вхідний струм реального ОУ, струм через дільник повинен бути принаймні раз в 100 більше, ніж вхідний струм ОУ. Величину вхідного струму можна подивитися в даташіте, зазвичай для сучасних ОУ вона може становити від десятків пікоампер до сотень наноампер (для нашого випадку input bias current max \u003d 1 мкА). Тобто струм через дільник повинен бути щонайменше 100..200 мкА. По-друге, з одного боку - чим більше R 3 - тим більше наша схема чутлива до зміни струму, але з іншого боку - збільшення R 3 знижує ККД схеми, оскільки резистор розсіює потужність, пропорційну опору. Будемо виходити з того, що ми не хочемо падіння напруги на резисторі більш 1В.

Отже, нехай R 1 \u003d 47кОм, тоді з урахуванням того, що U 1 \u003d U 2 \u003d 1В, з виразу для U 1 отримаємо R 2 \u003d R 1 / (U п / U 1 -1) \u003d 4,272 -\u003e зі стандартного ряду вибираємо резистор на 4,3 кОм. З виразу для U 2 знаходимо R 3 \u003d U 2 / I н \u003d 50 -\u003e вибираємо резистор на 47 Ом. Перевіримо струм через дільник: I д \u003d U п / (R 1 + R 2) \u003d 234 мкА, що цілком нас влаштовує. Потужність, що розсіюється на R 3: P \u003d I н 2 * R 3 \u003d 18,8 мВт, що теж цілком прийнятно. Для порівняння, - звичайнісінькі резистори МЛТ-0,125 розраховані на 125 мВт.

Як вже було зазначено, описана вище схема розрахована на стабільне живлення U п. Що ж робити, якщо харчування НЕ стабільний. самим простим рішенням є заміна опору R 2 дільника на стабілітрон. Що важливо враховувати в цьому випадку?

По-перше, важливо щоб стабілітрон міг працювати у всьому діапазоні напруги живлення. Якщо струм через R 1 D 1 буде занадто маленьким - напруга на стабілітроні буде значно вище напруги стабілізації, відповідно, вихідна напруга буде значно вище необхідного і світлодіод може згоріти. Отже, потрібно, щоб при U п min струм через R 1 D 1 був більше або дорівнює I ст min (мінімальний струм стабілізації дізнаємося з даташіта на стабілітрон).

R 1 max \u003d (U п min -U ст) / I ст min

По-друге, при максимальній напрузі живлення струм через стабілітрон не повинен бути вище I ст max (наш стабілітрон не повинен згоріти). Тобто

R 1 min \u003d (U п max -U ст) / I ст max

І, нарешті, по-третє, напруга на реальному стабілітроні неточно одно U ст, - воно, в залежності від струму, змінюється від U ст min до U ст max. Відповідно, падіння на резисторі R 3 теж змінюється від U ст min до U ст max. Це так само слід враховувати, оскільки чим більше ΔU ст - тим більше помилка регулювання струму, в залежності від напруги живлення.

Ну ладно, з невеликими струмами розібралися, а що робити, якщо нам потрібен струм через світлодіод не 20, а 500 мА, що перевищує можливості операціонніка? Тут теж все досить просто - вихід можна умощніть за допомогою звичайного біполярного або польового транзистора, всі розрахунки при цьому залишаються без змін. Єдине очевидне умова - транзистор повинен витримувати необхідний струм і максимальна напруга живлення.

Ну ось, мабуть і все. Успіхів! І ні в якому разі не викидайте старий радіохлам - у нас попереду ще багато прикольних штучок.