Стабилизатор на напрежението на операционния усилвател, HomeElectronics
Хубав ден на всички! В последната статия разгледах RC генератори на синусоидални (хармонични) трептения на оп-усилвател. В тази статия ще разгледам регулатори на напрежение, които се основават на операционни усилватели. Основното предимство на операционните усилватели, когато се използват в стабилизатори на напрежение, е, че операционният усилвател има голямо усилване (няколко десетки хиляди). Следователно те позволяват да се получи нестабилност на изходното напрежение от порядъка на 0,001%.
Основната верига на компенсационния регулатор на напрежението
Повечето съвременни силови електроники са представени от импулсни захранвания, които имат висока ефективност и малки габаритни размери. Въпреки това, линейните регулатори на напрежение също намират своето приложение, предимно в устройства с ниска мощност, както и във вериги, където импулсният шум не е желателен.
Както знаете, линейните захранвания се делят на последователни и паралелни, в зависимост от схемата на свързване на регулиращия елемент спрямо изхода. Серийните стабилизатори са най-широко използвани, тъй като те могат да осигурят ефективност и стабилизация повече от паралелните, чиито основни предимства са възможността за свръхток и способността да издържат на късо съединение.
В допълнение към схемата на свързване на регулаторния елемент, стабилизаторите на напрежението се класифицират според метода за регулиране на изходното напрежение: параметричен и компенсационен. Работата на параметричните стабилизатори се основава на нелинейните свойства на управляващите елементи, т.е. при значителна промяна в тока, протичащ през него, спадът на напрежението в управляващия елемент се променя малко. Такива стабилизатори се използват в малки веригимощност до няколко вата. Най-разпространените схеми на серийни стабилизатори компенсационен тип, чиято блокова схема е представена по-долу
В една от статиите говорих за компенсиращи стабилизатори на напрежение, направени на транзистори, така че ще ви напомня за принципа на неговата работа. Веригата се състои от четири основни части: източник на еталонно напрежениеI, сравнителен елементES, усилващ елементU и регулиращ елементR. Елементът за сравнение сравнява изходното напрежение U1 с напрежението, генерирано от източника на еталонно напрежение и извежда грешка за сравнение към усилващия елемент, където грешката за сравнение се усилва и се генерира управляващ сигнал за контролния елемент.
Доста често в прости вериги елемент за сравнение и усилвател (а понякога и регулиращ елемент в схеми с нисък ток) се комбинират в едно устройство. В съвременните схеми функциите на сравнителния елемент и усилвателя се изпълняват на операционния усилвател.
Верига на регулатора на напрежението на операционния усилвател
За изграждане на стабилизатор на напрежение се използва мащабиращ усилвател на операционен усилвател в неинвертираща връзка. Диаграма на такъв регулатор на напрежението е показана по-долу.
Веригата се състои от операционен усилвател DA1, резистори за обратна връзка R1 и R2 и източник на референтно напрежение UOP. Изходното напрежение ще се определи по добре известната формула за неинвертиращ усилвател
По този начин качеството на регулатора на напрежението ще се определя от качеството на източника на референтно напрежение, тъй като оп-усилвателят, дори и с много добри параметри и високо усилване, не може да осигури стабилност.изходно напрежение.
Има няколко вида източници на референтно напрежение: ценеров диод, източник на еталонно напрежение със стабилизатор на ток и интегрални стабилизатори на напрежение. Нека ги разгледаме отделно.
Използване на ценеров диод като еталонно напрежение
Ценеровият диод се използва широко в почти всички стабилизатори на напрежение, тъй като има нелинейна характеристика на напрежението, което позволява изходното напрежение да остане практически стабилно при широка промяна в тока на натоварване. Схема на регулатор на напрежение, използваща ценеров диод като еталонно напрежение, е показана по-долу.
В тази схема еталонното напрежение се задава от параметричния регулатор на напрежение R1VD1, което дава задоволителни резултати в повечето практически случаи. В този случай стойността на еталонното напрежение съответства на стойността на стабилизиращото напрежение на ценеровия диод VD1, а разликата между входното напрежение на стабилизатора и еталонното се разсейва от резистора R1. Оценките на елементите на параметричния стабилизатор се избират от следните зависимости
където UCT е стабилизиращото напрежение на ценеровия диод,
IST е номиналният стабилизиращ ток на ценеровия диод.
Верига, използваща ценеров диод като източник на референтно напрежение, осигурява умерено ниво на стабилизация, което е част от процента (обикновено 0,1 ... 0,05%), много по-добра производителност се осигурява, ако се използва токов стабилизатор вместо охлаждащ резистор R1.
Използване на регулатор на ток в еталонно напрежение
Доста често се използват стабилизатори на напрежение във входящи веригинестабилизираното напрежение може да варира в рамките на няколко волта, а понякога и повече. Това условие води до факта, че във веригата на параметричния стабилизатор R1VD1, показан на фигурата по-горе, води до промяна на тока, преминаващ през ценеровия диод, като по този начин променя стабилизиращото му напрежение в рамките на части от волта. За да се предотвратят подобни промени, в веригата на източника на референтно напрежение се въвежда стабилизатор на ток. Веригата на регулатора на напрежението на операционния усилвател с регулатор на тока във веригата на референтното напрежение е показана по-долу
В тази схема, вместо охлаждащ резистор на параметричен стабилизатор, се въвежда токов стабилизатор R1VD1VT1R2, който позволява да се намалят колебанията в тока на стабилизиране на ценеровия диод VD2 до няколко процента, с колебания на входящото нестабилизирано напрежение в рамките на десетки проценти. В резултат на това коефициентът на стабилизация на източника на референтно напрежение ще достигне няколко стотици, докато стабилизирането на конвенционален параметричен регулатор на напрежението едва достига няколко десетки.
Друго приложение на тази схема е регулируемо референтно напрежение. За да направите това, достатъчно е да замените ценерови диод VD2 с променлив резистор, който позволява, при постоянен ток, зададен от текущия стабилизатор, чрез промяна на съпротивлението на променливия резистор в широк диапазон, регулиране на референтното напрежение, като по този начин регулира изходното напрежение на текущия стабилизатор.
Тази схема обаче не може да осигури същата стабилност като описаните по-горе вериги с ценерови диоди, така че се използва изключително рядко.
Най-голяма стабилност може да се получи чрез схеми, където, катоизточници на референтно напрежение, използват се интегрирани стабилизатори на напрежение.
Използване на интегрирани регулатори на напрежение като източници на еталонно напрежение
Интегрираните стабилизатори на напрежение, произвеждани от индустрията в момента, имат широка гама от продукти и се характеризират с високи технически параметри. Например, широко използваният чип за стабилизиране на напрежението от серията KR142EN се произвежда за различни стабилизирани напрежения от 5 до 30 V, има коефициент на нестабилност на напрежението най-малко 0,1% / V и коефициент на изглаждане на пулсации от най-малко 30 dB. Следователно те са най-подходящи като източници на еталонно напрежение в мощни линейни регулатори на напрежение. По-долу е показана диаграма за използването им като източници на референтно напрежение.
Съгласно техническата документация на микросхемата KR142ENxx, кондензаторите трябва да бъдат свързани към входа и изхода: C1 ≥ 2,2 μF, C2 ≥ 1 μF.
Когато използвате интегрирани стабилизатори, е доста лесно да внедрите регулируем регулатор на напрежението, за това е достатъчно да поставите променлив резистор на изхода на източника на референтно напрежение, от средния кран на който да премахнете напрежението към операционния усилвател
Горните схеми на стабилизатор на напрежението на операционния усилвател ви позволяват да получите много добри показатели за стабилност на изходното напрежение. Операционните усилватели обаче не могат да осигурят достатъчно голям изходен ток (обикновено няколко десетки mA), така че изходната мощност е ограничена до части от ватове, в зависимост отизходно напрежение.
За да могат такива стабилизатори да дадат повече мощност, е необходимо да включите етапа на усилвателя на мощността под формата на транзистор на неговия изход.
Увеличаване на изходната мощност на стабилизатора на напрежението
За да могат такива стабилизатори да дадат повече мощност, е необходимо да включите етапа на усилвателя на мощността под формата на транзистор или няколко паралелни последователни транзистора на неговия изход, който понякога се нарича усилвател на изходния ток. Най-простата схема на регулатор на напрежението на операционен усилвател с усилващо стъпало е показана по-долу.
Във веригата на регулатора на напрежението, за да се увеличи изходната мощност, е включен усилвателен етап на транзистора VT1. За да се ограничи максималния изходен ток на операционния усилвател, се въвежда резистор R2, който може да се определи от следния израз
където UKEnas е напрежението на насищане на колектора-емитер на усилващия транзистор,
IOUT.MAX - ограничаване на изходния ток на операционния усилвател.
Понякога възниква ситуация, когато коефициентът на усилване на един транзистор не е достатъчен за необходимата изходна мощност, поради което се използват композитни транзистори съгласно схемата на Дарлингтън или Шиклай, за да се увеличи текущото усилване.
Схеми с един бустер транзистор или транзистор Дарлингтън обикновено се използват за получаване на изходен ток на стабилизатора до няколко ампера. Ако е необходим по-голям изходен ток, изходният транзистор се изгражда от няколко паралелни, за да се увеличи изходната мощност.
Теорията е добра, но без практическо приложение това са само думи Тук можете да направите всичко със собствените си ръце.