Стабілізатор напруги на ОУ, HomeElectronics
Всім доброго доби! Минулої статті я розглядав RC генератори синусоїдальних (гармонічних) коливань на ОУ. У статті я розгляну стабілізатори напруги, основу яких лежать операційні підсилювачі. Основна перевага ОУ при використанні їх у стабілізаторах напруги є те, що ОУ має великий коефіцієнт посилення (кілька десятків тисяч). Тому вони дозволяють отримати нестабільність вихідної напруги близько 0,001%.
Основна схема компенсаційного стабілізатора напруги
Більшість сучасної силової електроніки представлено імпульсними джерелами живлення, які мають високий ККД і невеликі габаритні розміри. Однак лінійні стабілізатори напруги знаходять своє застосування, перш за все в пристроях невеликої потужності, а також в схемах, де не бажані імпульсні перешкоди.
Як відомо лінійні джерела живлення поділяються на послідовні та паралельні залежно від схеми приєднання регулюючого елемента щодо виходу. Найбільшого поширення набули послідовні стабілізатори, оскільки можуть забезпечити ККД і стабілізацію більш ніж паралельні, з основних переваг яких є можливість перевантаження струмом і здатність витримувати коротке замикання.
Крім схеми підключення регулюючого елемента, стабілізатори напруги класифікуються за способом регулювання вихідної напруги: параметричні та компенсаційні. Робота параметричних стабілізаторів заснована на нелінійних властивостях регулюючих елементах, тобто при значній зміні струму падіння напруги, що протікає через нього, на регулювальному елементі мало змінюється. Такі стабілізатори застосовуються у схемах невеликоїпотужності до кількох ватів. Найбільшого поширення набули схеми послідовних стабілізаторів компенсаційного типу, структурна схема якого представлена нижче
В одній із статей я розповідав про компенсаційні стабілізатори напруги, виконані на транзисторах, тому нагадаю принцип його роботи. Схема складається з чотирьох основних частин: джерело зразкової напругиІ, елемента порівнянняЕС, підсилювального елементаУ та регулюючого елементаР. Елемент порівняння порівнює вихідну напругу U1 з напругу виробленим джерелом зразкової напруги і видає помилку порівняння на підсилювальний елемент, де відбувається посилення помилки порівняння і виробляється сигнал для регулюючого елемента.
Досить часто в простих схемах відбувається об'єднання елемента порівняння та підсилювача (а іноді і регулюючого елемента в слаботочних схемах) в один пристрій. У сучасних схемах функції елемента порівняння та підсилювача виконують на ОУ.
Схема стабілізатора напруги на ОУ
Для побудови стабілізатора напруги використовується підсилювач, що масштабує, на ОУ в неівертуючому включенні. Схема такого стабілізатора напруги показана нижче
Схема складається з ОУ DA1, резисторів зворотного зв'язку R1 та R2 та джерела опорної напруги UОП. Вихідна напруга визначатиметься відомою формулою для підсилювача, що не інвертує.
Таким чином, якість стабілізатора напруги визначатиметься якістю джерела опорної напруги, так як ОУ навіть з дуже хорошими параметрами та високим коефіцієнтом посилення не може забезпечити стабільністьвихідної напруги.
Існує кілька видів джерел опорної напруги: стабілітрон, джерело опорної напруги зі стабілізатором струму та інтегральні стабілізатори напруги. Розглянемо їх окремо.
Використання стабілітрона як джерело опорної напруги
Стабілітрон широко використовується практично у всіх стабілізаторах напруги, так як має нелінійну вольт-амперну характеристику, що дозволяє при широкій зміні струму навантаження практично залишатися стабільною вихідною напругою. Схема стабілізатора напруги з використанням стабілітрона як джерело опорної напруги показана нижче
На цій схемі опорна напруга задається параметричним стабілізатором напруги R1VD1, що дає задовільні результати у більшості практичних випадках. При цьому величина опорної напруги відповідає величині напруги стабілізації стабілітрона VD1, а різниця між вхідною напругою стабілізатора і опорним розсіюється на резисторі R1. Номінали елементів параметричного стабілізатора вибираються з наступних співвідношень
де UCT - напруга стабілізації стабілітрона,
IСТ – номінальний струм стабілізації стабілітрона.
Схема з використання стабілітрона в якості джерела опорної напруги забезпечує помірний рівень стабілізації, що становить частки відсотка (зазвичай 0,1 ... 0,05%), значно кращі показники забезпечуються, якщо замість резистора R1, що гасить, застосувати стабілізатор струму.
Використання стабілізатора струму в джерелі опорної напруги
Досить часто стабілізатори напруги використовуються у схемах, де входятьнестабілізована напруга може змінюватися в межах кількох вольт, а іноді й вище. Ця умова призводить до того, що в схемі параметричного стабілізатора R1VD1, показаного на малюнку вище, призводить до зміни струму, що проходить через стабілітрон, тим самим змінюючи його напругу стабілізації в межах часток вольта. Для недопущення таких змін схему джерела опорної напруги вводять стабілізатор струму. Схема стабілізатора напруги на ОУ зі стабілізатором струму в ланцюзі опорної напруги наведена нижче
У цій схемі замість гасить резистора параметричного стабілізатора введений стабілізатор струму R1VD1VT1R2, що дозволяє звести коливання струму стабілізації стабілітрона VD2 до кількох відсотків, при коливанні вхідної нестабілізованої напруги в межах десятків відсотків. У результаті коефіцієнт стабілізації джерела опорної напруги досягне кількох сотень, тоді як стабілізації нормального параметричного стабілізатора напруги ледве сягає кількох десятків.
Ще одним застосування цієї схеми є регульоване джерело опорної напруги. Для цього достатньо замінити стабілітрон VD2 змінним резистором, що дозволяє при постійному струмі, що задається стабілізатором струму, змінюючи опір змінного резистора в широких межах регулювати опорну напругу, регулюючи тим самим вихідну напругу стабілізатора струму.
Однак дана схема не може забезпечити такої стабільності, як схеми на стабілітронах описані вище, тому вона застосовується вкрай рідко.
Найбільшу стабільність дозволяють отримати схеми, де якДжерел опорної напруги застосовуються інтегральні стабілізатори напруги.
Використання інтегральних стабілізаторів напруги як джерела опорної напруги
Інтегральні стабілізатори напруги, що випускаються промисловістю в даний час, має широку номенклатуру виробів і характеризуються високими технічними параметрами. Так, наприклад, широко застосовувана мікросхема стабілізатора напруг серії КР142ЕН випускаються на різні напруги, що стабілізуються від 5 до 30 В, мають коефіцієнт нестабільності по напруги не менше 0,1 %/В, а коефіцієнт згладжування пульсацій не менше 30 дБ. Тому вони найкраще підходять як джерела опорної напруги в потужних лінійних стабілізаторах напруги. Схема використання їх як опорних джерел напруги показана нижче
Відповідно до технічної документації мікросхеми типу КР142ЕНхх на вхід і вихід необхідно включити конденсатори: С1 ≥ 2,2 мкФ, С2 ≥ 1 мкФ.
При використанні інтегральних стабілізаторів досить просто реалізувати регульований стабілізатор напруги, для цього достатньо поставити на виході джерела опорної напруги змінний резистор, з відведення якого знімати напругу на операційний підсилювач
Вищеописані схеми стабілізаторів напруги на ОУ дозволяють отримати дуже добрі показники стабільності вихідної напруги. Однак ОУ не можуть забезпечити достатньо великий вихідний струм (зазвичай кілька десятків мА), тому вихідна потужність обмежена частками ватами, залежно відвихідної напруги.
Для того щоб такі стабілізатори віддавали більше потужності, необхідно на його виході включити каскад підсилювача потужності у вигляді транзистора.
Збільшення вихідної потужності стабілізатора напруги
Для того, щоб такі стабілізатори віддавали більше потужності, необхідно на його виході включити каскад підсилювача потужності у вигляді транзистора або декількох паралельно-послідовних транзисторів, який іноді називають бустером вихідного струму. Найпростіша схема стабілізатора напруги на ОУ з бустерним каскадом показана нижче
У схемі стабілізатора напруги збільшення вихідної потужності включений бустерний каскад на транзисторі VT1. Для обмеження максимального вихідного струму ОУ введено резистор R2, який може бути визначений за таким виразом
де UКЕнас – напруга насичення колектор-емітер бустерного транзистора,
IВИХ.МАХ - граничний вихідний струм ОУ.
Іноді виникає ситуація коли посилення одного транзистора не вистачає для необхідної вихідної потужності, тому застосовують складові транзистори за схемою Дарлінгтон або Шикла для збільшення коефіцієнта посилення по струму.
Схеми з одним бустерним транзистором або транзистором Дарлінгтон зазвичай використовують для отримання вихідних струмів стабілізатора до декількох ампер. При необхідності вихідного струму більшого значення вихідний транзистор складають з декількох паралельних для збільшення потужності, що віддається.
Теорія це добре, але без практичного застосування це просто слова. Тут можна все зробити своїми руками.