Стабилизатор напряжения на оу

Стабилизаторы напряжения на основе ОУ

Статьи » Радиошкола » Стабилизаторы напряжения на основе ОУ

Однополярные стабилизаторы напряжения на основе ОУ могут быть построены по схеме инвертирующего и неинвертирующего усилителя, на вход которого подано стабильное напряжение от опорного источника. Достоинством таких стабилизаторов является возможность получения различных по абсолютному значению и знаку стабилизированных напряжений при неизменном опорном.

На первом рисунке показана схема стабилизатора в котором на вход неинвертирующего усилителя подано опорное напряжение U0 со стабилитрона VD1. Для увеличения выходного тока стабилизатора используется повторитель напряжения на транзисторе VT1. Выходное напряжение данного стабилизатора рассчитывается по следующей формуле:

Uвых = U0(R1/R2+1)

Для увеличения стабильности опорного напряжения можно подключить параметрический стабилизатор R3 VD1 не ко входу, а к выходу стабилизатора как показано на втором рисунке.

Ток через стабилизатор VD1 в этом случае равен U0R1/(R2R3) и не зависит от изменения входного напряжения, при этом ОУ охватывается двумя видами обратной связи: положительной и отрицательной.

Наличие отрицательной связи приводит к тому, что на выходе ОУ при включении питания в принципе может установится как положительное так и отрицательное напряжение. Для установления напряжения нужного знака, необходима некая начальная несимметрия. В стабилизаторе эта несимметрия создается за счет выходного транзисторного повторителя напряжения.

Двухполярные стабилизаторы напряжения как правило состоят на основе двух однополярных, использующих один источник опорного напряжения. Пример такого двух полярного стабилизатора показан на рисунке.

ОУ DA2 здесь включен по схеме инвертора с коэффициентом передачи -1. Выходные каскады в двух полярном стабилизаторе могут быть построены на основе транзисторных повторителей как в предыдущих схемах.

В данном стабилизаторе применен другой вариант выходного каскада, достоинством которого является возможность уменьшить минимальную разность выходного и входного напряжения стабилизатора до 3-5 В.

Она определяется падением напряжения на базо-эмиттерном переходе транзистора от 0,4 до 0,7 В и разностью между напряжением питания и максимальным выходным напряжением ОУ от 2 до 4 В.

Например если выходное напряжение равно 15 В, то на базу транзистора необходимо подать 15,6 В, соответственно напряжение питания ОУ должно быть не менее 17,6-19,6 В. В случае применения выходного каскада показанного на рисунке, минимальная разность выходного и входного напряжения стабилизатора определяется напряжением насыщения транзисторов VT1 VT4 и не превышает 1 В.

Транзисторы VT2 VT3 в стабилизаторе дополнительно усиливают ток, поступающий на базы выходных транзисторов VT1 VT4, что дает возможность увеличить выходную мощность стабилизатора за счет использования более мощных выходных транзисторов.

В ранее рассмотренных стабилизаторах выходное напряжение не может быть меньше опорного, поэтому для получения малых выходных напряжений использовать низковольтные стабилитроны или использовать в качестве опорных источников светодиоды.

Выходное напряжение на выходе стабилизатора которое меньше опорного напряжения можно получить используя схему показанную  на рисунке.

В схеме мост образованный резисторами R1 R2 R3 и стабилитроном VD1, включен между напряжениями +Uвых и -Uвых. Если R4=R5, то получаем +Uвых = U0(1+R1/R2)/2, где U0 — падение напряжения на стабилитроне. Ток через стабилитрон равен U0R1/(R2R3).

Источник — Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных уст-вах (1988)

Источник: http://rcl-radio.ru/?p=36067

Простейший компенсационный стабилизатор напряжения

Итак, схема простейшего компенсационного стабилизатора напряжения изображена на рисунке справа.

Обозначения:

  1. IR — ток через балластный резистор (R0)
  2. Iст — ток через стабилитрон
  3. Iн — ток нагрузки
  4. Iвх — входной ток операционного усилителя
  5. Iд — ток через резистор R2
  6. Uвх — входное напряжение
  7. Uвых — выходное напряжение (падение напряжения на нагрузке)
  8. Uст — падение напряжения на стабилитроне
  9. Uд — напряжение, снимаемое с резистивного делителя (R1, R2)
  10. UОУ — выходное напряжение операционного усилителя
  11. Uбэ — падение напряжения на p-n переходе база-эмиттер транзистора

Почему такой стабилизатор называется компенсационным и в чём его преимущества? На самом деле такой стабилизатор — это система управления с отрицательной обратной связью по напряжению, но для тех, кто не в курсе, что это такое, мы начнём издалека.

Как вы помните, операционный усилитель усиливает разность напряжений между своими входами. Напряжение на неинвертирующем входе у нас равно напряжению стабилизации стабилитрона (Uст).

На инвертирующий вход мы подаём часть выходного напряжения, снятую с делителя (Uд), то есть там у нас выходное напряжение, делённое на некоторый коэффициент, определяемый резисторами R1, R2.

Разность этих напряжений (Uст-Uд) — это сигнал ошибки, он показывает, на сколько напряжение с делителя отличается от напряжения на стабилитроне (обозначим эту разность буквой E).

Далее, выходное напряжение ОУ получается равным E*Kоу, где Коу — коэффициент усиления операционного усилителя с разомкнутой петлёй обратной связи (в англоязычной литературе Gopenloop). Напряжение на нагрузке равно разности напряжения на выходе ОУ и падения напряжения на p-n переходе база-эмиттер транзистора.

Математически всё то, о чём мы говорили выше, выглядит так:

Uвых=Uоу-Uбэ=E*Kоу-Uбэ (1)

E=Uст-Uд (2)

Рассмотрим более внимательно первое уравнение и преобразуем его к такому виду:

E=Uвых / Kоу + Uбэ / Kоу

Теперь давайте вспомним — в чём же главная особенность операционных усилителей и почему их все так любят? Правильно, — их главная особенность — в огромном коэффициенте усиления, порядка 106 и более (у идеального ОУ он вообще равен бесконечности).

Что нам это даёт? Как видите, в правой части последнего уравнения оба слагаемых имеют в делителе Коу, а поскольку Коу очень очень большой, следовательно оба этих слагаемых очень очень маленькие (при идеальном ОУ они стремятся к нулю).

То есть наша схема при работе стремится к такому состоянию, когда сигнал ошибки равен нулю.

Можно сказать, что операционный усилитель сравнивает напряжения на своих входах и если они отличаются (если есть ошибка), то напряжение на выходе ОУ меняется таким образом, чтобы разность напряжений на его входах стала равна нулю. Другими словами он стремится скомпенсировать ошибку. Отсюда и название стабилизатора — компенсационный.

Далее, у нас осталось ещё одно уравнение. С учётом того, что мы сделали с первым уравнением, второе уравнение будет выглядеть так:

0=Uст-Uд (2*)

Uд, как мы помним, — это часть выходного напряжения, снимаемая с делителя на резисторах R1, R2. Если рассчитать наш делитель, не забывая про входной ток ОУ, то получим:

и после подстановки этого выражения в уравнение (2*) сможем записать для выходного напряжения следующую формулу (3):

Входной ток операционного усилителя обычно очень мал (микро, нано и даже пикоамперы), поэтому при достаточно большом токе Iд можно считать, что ток в обоих плечах делителя одинаков и равен Iд, самое правое слагаемое формулы (3) при этом можно считать равным нулю, а саму формулу (3) переписать в следующем виде:

Uвых=Uст(R1+R2)/R2 (3*)

При расчёте резисторов R1, R2 необходимо помнить о том, что формула (3*) справедлива только в том случае, когда ток через резисторы делителя много больше входного тока операционного усилителя. Оценить величину Iд можно по формулам:

Iд=Uст/R2 или Iд=Uвых/(R1+R2).

Теперь давайте оценим область нормальной работы нашего стабилизатора, рассчитаем R0 и подумаем, что будет влиять на стабильность выходного напряжения.

Как видно из последней формулы, существенное влияние на стабильность Uвых может оказывать только стабильность опорного напряжения. Опорное напряжение — это то, с которым мы сравниваем часть выходного напряжения, то есть это напряжение на стабилитроне. Сопротивления резисторов будем считать не зависящими от протекающего через них тока (температурную нестабильность мы не рассматриваем).

Зависимость выходного напряжения от падения напряжения на p-n переходе транзистора (которое слабо, но зависит от тока), как в случае с параметрическим стабилизатором на транзисторе, тоже пропадает (помните мы когда ошибку из первой формулы считали — поделили падение на переходе БЭ транзистора на Коу и посчитали это выражение равным нулю из-за очень большого коэффициента усиления операционника).

Из сказанного выше следует, что главный путь повышения стабильности тут один — увеличивать стабильность источника опорного напряжения.

Для этого можно либо сузить диапазон нормальной работы (уменьшить диапазон входного напряжения схемы, что приведёт к меньшему изменению тока через стабилитрон), либо взять вместо стабилитрона интегральный стабилизатор.

Кроме этого, можно вспомнить про наши упрощения, тогда вырисовываются ещё несколько путей: взять операционник с бОльшим коэффициентом усиления и меньшим входным током (это даст возможность ещё и резисторы делителя побольше номиналом взять, — КПД повысится).

Ну ладно, вернёмся к области нормальной работы и расчёту R0. Для нормальной работы схемы ток стабилитрона должен быть в пределах от Iст min до Iст max. Минимальный ток стабилитрона будет при минимальном входном напряжении, то есть:

Uвх min=IR*R0+Uст, где IR=Iст min+Iвх

Здесь аналогично, — если ток стабилитрона много больше входного тока операционного усилителя, то можно считать IR=Iст min. Тогда наша формула запишется в виде Uвх min=Iст min*R0+Uст (4) и из неё можно выразить R0:

R0=(Uвх min-Uст)/Iст min

Исходя из того, что максимальный ток через стабилитрон будет течь при максимальном входном напряжении запишем ещё одну формулу: Uвх max=Iст max*R0+Uст (5) и объединив её с формулой (4) найдём область нормальной работы:

Читайте также:  Снижение температуры в системном блоке

Ну и, как я уже говорил, если получившийся диапазон входного напряжения шире, чем вам нужно, — можно его сузить, при этом возрастёт стабильность выходного напряжения (за счёт повышения стабильности опорного напряжения).

Источник: http://radiohlam.ru/?p=1175

Стабилизаторы напряжения на ОУ-особенности запуска

Стабилизатор напряжения на операционных усилителях 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. На рис.

1 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 на рис. 2, а условно в виде источника постоян­ного напряжения (см. книгу Шило В. Л.

«Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре» М., «Со­ветское радио», 1974, с 106). 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.

г Москва

Раздел: [Конструкции средней сложности]

Источник: http://www.cavr.ru/article/5150-stabilizatory-napryazheniya-na-ou-osobennosti-zapuska

Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя

Рис. 4. Последовательный компенсационный стабилизатор с применением операционного усилителя

Часть выходного напряжения Uout, снимаемая с потенциометра R2, сравнивается с опорным напряжением Uz на стабилитроне D1. Разность напряжений усиливается операционным усилителем U1 и подаётся на базу регулирующего транзистора, включенного по схеме эмиттерного повторителя[1].

Для устойчивой работы схемы петлевой сдвиг фазы должен быть близок к 180°+n*360°. Так как часть выходного напряжения Uout подаётся на инвертирующий вход операционного усилителя U1, то операционный усилитель U1 сдвигает фазу на 180°, регулирующий транзистор включен по схеме эмиттерного повторителя, который фазу не сдвигает.

Петлевой сдвиг фазы равен 180°, условие устойчивости по фазе соблюдается.

Опорное напряжение Uz практически не зависит от величины тока, протекающего через стабилитрон, и равно напряжению стабилизации стабилитрона. Для повышения его стабильности при изменениях Uin, вместо резистора RV применяется источник тока.

В данном стабилизаторе, операционный усилитель фактически включён по схеме неинвертирующего усилителя (с эмиттерным повторителем, для увеличения выходного тока).

Соотношение резисторов в цепи обратной связи задают его коэффициент усиления, который определяет, во сколько раз выходное напряжение будет выше входного (то есть опорного, поданного на неинвертирующий вход ОУ).

Поскольку коэффициент усиления неинвертирующего усилителя всегда больше единицы, величина опорного напряжения Uz (напряжение стабилизации стабилитрона) должна быть выбрана меньше, чем Uout.

Нестабильность выходного напряжения такого стабилизатора практически полностью определяется нестабильностью опорного напряжения, за счёт большого коэффициента петлевого усиления современных ОУ (Gopenloop = 105 ÷ 106).

Для исключения влияния нестабильности входного напряжения на режим работы самого ОУ, он может запитываться стабилизированным напряжением (от дополнительных параметрических стабилизаторов на стабилитроне).

Источники опорного напряжения

В любой схеме стабилизатора компенсационного типа требуется опорное напряжение, с которым сравнивается величина выходного напряжения.

Стабильность выходного напряжения стабилизатора не может быть выше стабильности его источника опорного напряжения.

Источники опорного напряжения (ИОН) широко применяются также в качестве эталонной меры в аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователях, а также в разного рода пороговых устройствах.

Основное назначение ИОН — создавать образцовое напряжение, которое могло бы быть использовано электронными устройствами преобразования информации в качестве меры, эталона.

ИОН на стабилитронах

Простейший метод получения опорного напряжения состоит в том, что нестабилизированное входное напряжение прикладывают через токоограничивающий резистор к стабилитрону, который играет роль так называемого параметрического стабилизатора, чей основной параметр — напряжение пробоя обратносмещенного/ья-перехода (Рис. 5а.).

Полупроводниковый стабилитрон, представляющий собой разновидность диода обладает характерной вольтамперной характеристикой (Рис. 6).__

Рис. 5.Схемы ИОН на стабилитронах: а — параметрический ИОН, б — ИОН компенсационного типа

Рис. 6.Вольтамперная характеристика стабилитрона

При определенном обратном напряжении происходит пробой/?-п-перехода, причем вследствие конструктивных и технологических особенностей этот пробой не приводит к выходу прибора из строя. Участок вольтамперной характеристики, соответствующий режиму пробоя, расположен почти вертикально, так что при изменении тока через стабилитрон напряжение на нем меняется мало.

Качество стабилизации оценивается коэффициентом

Кст =VIN /VREF>

который называется коэффициентом стабилизации. Для схемы на Рис.5а коэффициен стабилизации

КСТ = 1 + R / r cт ~ R / r ст

и составляет обычно от 10 до 100. Здесь гст — дифференциальное (динамическое) сопротивление стабилитрона. Оно приблизительно обратно пропорционально току, протекающему через стабилитрон, поэтому при заданном входном напряжении увеличением сопротивления резистора R невозможно добиться повышения коэффициента стабилизации.

Важным фактором для выбора стабилитрона является величина шумовой составляющей напряжения стабилизации, которая сильно возрастает при малых величинах тока. Недостатком схемы на Рис. 5а является относительно высокое выходное сопротивление (десятки Ом), которое также возрастает при уменьшении тока через стабилитрон.

Другим недостатком является большой разброс напряжений стабилизации, который даже для прецизионных стабилитронов достигает 5% от номинального значения.

Существенного повышения коэффициента стабилизации можно достичь, если токоограничивающий резистор заменить источником стабильного тока, например на полевом транзисторе (Рис. 7).

В этом случае может превысить 1000.

Рис. 7. Источник опорного напряжения с полевым транзистором

Можно заметно улучшить характеристики источника опорного напряжения, если использовать в его составе операционный усилитель (Рис.56), т. е.

выполнить ИОН по схеме стабилизатора напряжения компенсационного типа, Коэффициент стабилизации в такой схеме определяется главным образом коэффициентом подавления нестабильности питания А^пп в используемом ОУ и может достигать величины порядка 10000.

Выходное сопротивление этой схемы составляет десятые доли Ом. Поскольку напряжения на входах ОУ практически равны, выходное напряжение ИОН

VOUT = VREF (1 + R2 /R1)

В схеме на Рис. 56 выходное напряжение ИОН не может быть меньше напряжения стабилизации стабилитрона.

Если требуется более низкое напряжение, то между стабилитроном и неинвертирующим входом усилителя включается резистивный делитель. Так устроен, например, источник опорного напряжения AD586.

Применение ОУ позволяет также путем подгонки соотношения сопротивлений резисторов R2 /R1 достичь высокой точности установки опорного напряжения.

В итоге, колебания выходного напряжения ИОН, выполненного по схеме на Рис. 5.б, при реальных изменениях входного напряжения и нагрузки не превышают 1 мВ.

Существенно болешие значения имеют температурные колебания опорного напряжения.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации стабилитрона (ТКН) определяется как отношение относительного приращения напряжения стабилизации к приращению температуры

ТКН = VCT/ ( VCTT).

Для большинства стабилитронов он находится в пределах + /—1*10-3К-1.

Для малых напряжений стабилизации он отрицателен, для больших — положителен.

Это вызвано тем, что в стабилитронах имеют место два механизма пробоя: туннельный, проявляющийся на низких напряжениях (его напряжение имеет отрицательный ТКН), и вторичный (зенеровский), для которого характерен положительный ТКН, существенный на больших напряжениях.

Минимума по абсолютной величине этот коэффициент достигает при напряжениях стабилизации около 6 В, причем напряжение, соответствующее нулевому ТКН, зависит от тока через стабилитрон. Стабилитроны, имеющие ТКН в пределах +10-5 К-1, называют опорными диодами и обычно используют в схемах ИОН на напряжения, превышающие 7.5 В.

Читайте также:  Простой микроконтроллерный пробник

Примером такого источника опорного напряжения может служить ИМС МАХ671С, обеспечивающая выходное напряжение 10 В с точностью 0.01% при КСТ = 20000, ТКН = 310-6 К-1 и токе потребления 9 мА. Другой пример — AD586 (отечественный аналог — 1009ЕН2) создает выходное напряжение 5 В с точностью 0.05% при А”сх = 10000, ТКН = 210-6 К-1 и токе потребления 3 мА.

Рекордными характеристиками для этого класса ИОН обладает 5-вольтовая ИМС VRE3050 производства фирмы «Thaler Corporation» — ТКН = 0.6-10-6 К-1, точность 0.01%, выходное сопротивление 0.025 Ом.

Для повышения температурной стабильности в некоторые ИМС источников опорного напряжения (например, LM199/299/399, отечественный аналог — 2С483) встраивают термостаты с нагревательным элементом. Обе части схемы (нагреватель и ИОН) изготавливаются на одном кристалле, который помещается в теплоизолированном корпусе. Это позволяет достичь ТКН<\p>

Источник: https://megaobuchalka.ru/8/33572.html

Схемотехника. Стабилизаторы напряжения

В простейшем стабилизаторе напряжения при подключении нагрузки токчерез сопротивление R делится на две части: ток через стабилитрон и ток через нагрузку (выходной ток), т.е..

Так как, то на стабилитроне рассеивается мощностьПри изменении сопротивления нагрузки, а следовательно и выходного тока,изменяется. Поэтому стабилитрон должен выбираться с запасом рассеиваемой мощности, которая при малом токе нагрузки близка к максимальной:.

Рис. 4.5. Применение ЭП в стабилизаторах напряжения

Для уменьшения мощности, рассеиваемой на стабилитроне, используется ЭП.

В этом случае нагрузкой стабилитрона является достаточно высокое сопротивление транзистора со стороны базы RБ и ток стабилитрона в значительно меньшей степени зависим от нагрузки, так как по цепи базы транзистора протекает относительно небольшой ток. В итоге получаем выигрыш примерно в ß раз больше по мощности, рассеиваемой на стабилитроне.

Из множества различных устройств вторичных источников питания ограничимся рассмотрением стабилизаторов с использованием ОУ, как наиболее соответствующим содержанию курса АЭУ.

Компенсационные стабилизаторы напряжения с ОУ позволяют достичь высокого значения коэффициента стабилизации напряжения, низкого дифференциального выходного сопротивления, повышенного КПД.

На рисунке 7.31а приведена схема высококачественного стабилизатора на ОУ.

Рисунок 7.31. Стабилизаторы напряжения на ОУ

Здесь ОУ используется в качестве буферного усилителя. Высокое значение входного сопротивления ОУ обеспечивает идеальные условия для работы стабилитрона. Нагрузка может быть достаточно низкоомной, т.к. выход ОУ низкоомный за счет действия 100% ПООСН.

Недостатком рассмотренного стабилизатора является малый рабочий ток, обусловленный низкой нагрузочной способностью ОУ.

Избежать этого недостатка можно усилением выходного тока ОУ с помощью внешних транзисторов, используемых в режиме повторителей напряжения (рисунок 7.31б).

Здесь к выходу ОУ подключен составной транзистор (VT1, VT2, VT3) по схеме с ОК. Максимальный ток нагрузки такого стабилизатора ориентировочно равен

Iн max = IОУ max·H21Э1·H21Э2·H21Э3.

Необходимое напряжение стабилизации определяется выбором типа стабилитрона VD и, помимо этого, соответствующим выбором резисторов R1 и R2. Устройство не нуждается в емкости фильтра на выходе, т.к. здесь используется эффект умножения по отношению к нагрузке емкости конденсатора C, подключенного к базе VT3.

Другие устройства вторичных источников питания описаны в [12, 14].

Схемотехника. Гираторы.

Гиратором называется электронное устройство, преобразующее полное сопротивление реактивных элементов. Обычно это преобразователь емкости в индуктивность, т.е. эквивалент индуктивности.

Широкое распространение гираторов в ИМС объясняется большими трудностями изготовления катушек индуктивностей с помощью твердотельной технологии.

Использование гираторов позволяет получить относительно большую индуктивность с хорошими массогабаритными показателями.

На рисунке 7.20 приведена электрическая схема одного из вариантов гиратора, представляющего собой повторитель на ОУ, охваченный частотно-избирательной ПОС (Rос и C1).

Поскольку с увеличением частоты сигнала емкостное сопротивление конденсатора C1 уменьшается, то напряжение в точке a будет возрастать. Вместе с ним будет возрастать напряжение на выходе ОУ.

Увеличенное напряжение с выхода по цепи ПОС поступает на неинвертирующий вход, что приводит к дальнейшему росту напряжения в точке a, причем тем интенсивнее, чем выше частота. Таким образом, напряжение в точке a ведет себя подобно напряжению на катушке индуктивности.

Синтезированная индуктивность определяется по формуле: L = R1RосC1.

Добротность гиратора определяется как :

Одной из основных проблем при создании гираторов является трудность в получении эквивалента индуктивности, у которой оба вывода не соединены с общей шиной. Такой гиратор выполняется, как минимум, на четырех ОУ. Другой проблемой является относительно узкий диапазон рабочих частот гиратора (до нескольких килогерц на ОУ широкого применения).

58. Схемотехника. Активные фильтры.

Активные фильтры – это фильтры, использующие для формирования частотной характеристики и пассивные (резисторы и конденсаторы) и активные (усилительные) элементы.

Преимущества активных фильтров:

1. Способность усиливать сигнал, лежащий в полосе их пропускания.

2. Возможность отказа от нетехнологической индуктивности, следовательно, возможность использования в интегральных схемах.

3. Легкость настройки.

4. Малые масса и объем.

5. Простота каскадного включения

Недостатки:

1. Невозможность использования в силовых цепях.

2. Необходимость доп. источника.

3.Ограниченный диапазон частот.

Виды фильтров: ФВЧ – фильтр высоких частот, усиливает начиная с какой-то частоты f0 до бесконечности. ФНЧ – фильтр низких частот, усиливает от нуля до частоты f0. Полосовой фильтр усиливает в полосе частот от f0 до f1. Режекторный усиливает от нуля до частоты f0 и начиная с f1 до бесконечности.

В качестве простейшего фильтра низких частот можно использовать дифференциатор, а высоких частот – интегратор.

Полосовой фильтр можно получить последовательно соединением ФВЧ и ФНЧ

Режекторный – параллельным соединением ФНЧ и ФВЧ

Схемотехника. Генераторы.

Генератором называется автоколебательная структура, в которой энергия источника питания преобразуется в энергию электрических автоколебаний. Различают генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний и генераторы сигналов специальной формы (прямоугольной, треугольной и т.д.)

Обобщенная макромодель генератора приведена на рисунке 7.28 и представляет собой усилительный каскад, охваченный цепью ПОС.

Для возникновения колебаний в данной системе необходимо выполнение условия баланса амплитуд и баланса фаз

Для получения на выходе генератора синусоидального напряжения достаточно, чтобы данные условия выполнялись только на одной частоте.

Существует большое количество схемных реализаций генераторов, поэтому ограничимся рассмотрением генераторов на основе ОУ, как наиболее соответствующим содержанию курса АЭУ. На рисунке 7.29 приведены различные варианты схем генераторов гармонических колебаний на ОУ.

В схеме LC-автогенератора (рисунок 7.29а) баланс фаз обеспечивается наличием ПОС, вводимой с помощью резисторов R2 и R3, баланс амплитуд достигается выбором номиналов резисторов R2 и R3 по условию K = R3(R2 + R3)·K ? 1.

Здесь под K подразумевается масштабный коэффициент усиления, равный K = R?/R1, где R? — сопротивление контура на частоте резонанса. Частота резонанса определяется элементами LC-контура и рассчитывается по известной формуле

Можно избежать применения индуктивностей, используя селективные RC-цепи. Наибольшее применение получила так называемая фазирующая RC-цепь, включенная в схеме RC-генератора (рисунок 7.29б) между выходом и неинвертирующим входом ОУ.

На частоте генерации f0 = 1/2?RC фазовый сдвиг ?ос=0 и выполняется условие баланса фаз, для выполнения баланса амплитуд необходимо скомпенсировать затухание, вносимое фазирующей цепью на частоте генерации, т.е.

выполнить условие KОС = R2/(R1 + R2) = A0, где A0?3,3 — затухание, вносимое фазирующей цепью.

Чтобы генерировать колебания сложной формы, следует выполнить неравенство KОС>>A0 как условие генерации многочастотных колебаний. Оно легко реализуется.

В схеме RC-автогенератора с электронной перестройкой частоты (рисунок 7.29г) в качестве управляемых сопротивлений используется сдвоенный ПТ, у которого сопротивление канала является линейной функцией управляющего напряжения Eупр.

Очевидно, что при изменении Eупр происходит электронная перестройка частоты. Если в качестве управляющего напряжения использовать низкочастотное колебание, то по закону изменения амплитуды этого колебания будет изменяться частота автогенератора, т.е.

осуществляться частотная модуляция.

Важным параметром автогенераторов является температурная нестабильность частоты, которая в обычных LC-генераторах достигает порядка (10-3…10-4)% на 1°C, в RC-генераторах — примерно на порядок ниже.

Гораздо лучшие показатели стабильности частоты обеспечивают кварцевые автогенераторы (рисунок 7.29в).

Здесь кварц используется в качестве эквивалентной индуктивности,образующей с емкостью С последовательный колебательный контур, имеющий на частоте резонанса минимальное сопротивление. На частоте резонанса ПОС достигает максимума, и возникает генерация.

Для стабилизации режима ОУ охвачен глубокой ООС по постоянному напряжению, которая, в целях выполнения условия баланса амплитуд, устраняется на частоте генерации конденсатором C1, емкость которого выбирается из условия XC1 = 1/2?fC

Источник: https://infopedia.su/15x88b6.html

Тема 2. Стабилизаторы напряжения и тока. Принцип стабилизации и основные определения. Параметрические стабилизаторы. Стабилизаторы на основе ОУ. Импульсные. – презентация

1 Тема 2. Стабилизаторы напряжения и тока. Принцип стабилизации и основные определения. Параметрические стабилизаторы. Стабилизаторы на основе ОУ. Импульсные стабилизаторы.<\p>

2 Принцип стабилизации и основные определения. Для питания электронной аппаратуры недостаточно выпрямить и сгладить напряжение. Необходимо еще, чтобы оно оставалось стабильным при изменении переменного напряжения и тока, потребляемого нагрузкой.<\p>

3 Наиболее часто используются компенсационные стабилизаторы последовательного типа. Они поддерживают напряжение U вых практически постоянным за счет изменения напряжения на регулирующем элементе U рэ. Информация об изменениях U вых через делитель поступает на усилитель, который сравнивает поступившее напряжение с опорным Uоп. Выходной сигнал усилителя управляет регулирующим элементом так, что при даже незначительном увеличении (уменьшении) U вых падение напряжения U рэ уменьшается (увеличивается) и U вых практически не меняется<\p>

4 Работа стабилизатора иллюстрируется рисунком: Для токов нагрузки до 50 – 100 мА можно использовать упрощенную схему последовательного стабилизатора, в которой отсутствует делитель напряжения и усилитель. Здесь работой регулирующего элемента VT1 управляет разность потенциалов между базой и эмиттером U бэ =U б – U э. Например, при увеличении тока нагрузки начинает уменьшаться U э, напряжение U бэ возрастает и ток через транзистор увеличивается, поддерживая этим U вых. При увеличении Uвх (синяя линия) возрастает U рэ2 >U рэ1, а U вых (красная линия).<\p>

5 Параметрические стабилизаторы При малых токах нагрузки и невысоких требованиях к стабильности к Uст применяются простейшие параметрические стабилизаторы на кремниевом стабилитроне а). Вольтамперная характеристика кремниевого стабилитрона б) имеет участок, на котором при изменениях тока от Imin до Imax напряжение остается практически постоянным. Вольтамперная характеристика кремниевого стабилитрона: Чтобы ток через стабилитрон не превысил Imах, включается резистор Rб. При изменении тока нагрузки или напряжения Uф=Uб+Uст изменяется, только Uб, а Uст = Uн остается постоянным. При необходимости увеличить Uст стабилитроны соединяют последовательно. Стабилизатор А) уменьшает относительные изменения напряжения в 5-10 раз. Но изменять величину Uст в параметрическом стабилизаторе невозможно. Оно определяется выбранным стабилитроном.<\p>

6 Стабилизаторы на основе ОУ. Схема стабилизатора напряжения на ОУ позволяет регулировать Uстаб2=-Uстаб1 Rос/R1 путем изменения Rос. Недостаток: небольшие токи, которые можно снимать с ОУ. Для увеличения тока на выходе схемы устанавливается эмиттерный повторитель на мощном транзисторе. Рис. Стабилизатор напряжения на ОУ<\p>

7 Импульсные стабилизатор напряжения. Генератор ШИМ обеспечивает широтно-импульсную модуляцию, при которой ширина генерируемых импульсов Uг пропорциональна управляющему напряжению Uуп Недостатки вышерассмотренных стабилизаторов: Низкий КПД, не превышающий 50%. Большие габариты конденсатора и индуктивности в фильтре. Эти недостатки снимаются при использовании импульсного (ключевого) стабилизатора. В этом стабилизаторе транзистор VT ставится в ключевой режим: Рисунок. Импульсный стабилизатор напряжения<\p>

8 Процесс работы импульсного стабилизатора Во время импульса Uупр транзистор VT открывается, емкость С подзаряжается через индуктивность VT1 закрывается, индуктивность и емкость отдают энергию потребителю. Диод VD устанавливается для замыкания обратного тока индуктивности через емкость и нагрузку. Генератор ШИМ выдает последовательность импульсов на базу VT, ширина которых зависит от U вых. Длительность импульса t и =К (U оп -U вых R 1 /(R 1 +R 2 )) Если, например, выходное напряжение уменьшается то длительность импульсов увеличивается. При этом возрастает энергия, накопленная в индуктивности и выходное напряжение поддерживается постоянным. Тактовая частота приблизительно равна 20 кГц. Конденсатор подпитывается достаточно часто, поэтому емкость его значительно меньше, чем при использовании непрерывного стабилизатора.<\p>

Источник: http://www.myshared.ru/slide/689755/

Читать

Задача создания стабильного источника питания встает всякий раз, когда необходимо обеспечить независимость параметров электронного устройства от изменений питающего напряжения.

Современная аппаратура, работающая на цифровых и аналоговых микросхемах, всегда предусматривает наличие стабилизаторов напряжения и тока, как правило, нескольких.

С распространением интегральных операционных усилителей (ОУ) появилась возможность решить эту задачу просто и эффективно с точностью регулировки и стабильности в диапазоне 0,01…0,5 %, причем ОУ легко встраивать в традиционные стабилизаторы напряжения и тока.

Простейший стабилизатор напряжения представляет собой усилитель постоянного тока, на вход которого подано постоянное напряжение стабилитрона или часть его. Нагрузочная способность такого стабилизатора определяется силой максимального выходного тока ОУ.

Следящие стабилизаторы, как известно, работают на принципе сравнения опорного и выходного напряжений, усиления их разности и управления электропроводностью регулирующего транзистора.

Стабилизатор по схеме рис. 1 выдает напряжение Uвых большее, чем опорное напряжение стабилитрона VD1, а стабилизатор по схеме рис. 2 — меньшее.

Рис. 1.Стабилизатор с делителем выходного напряжения

Рис. 2.Стабилизатор с делителем опорного напряжения

Стабилизаторы питаются от одного источника. С помощью эмиттерного повторителя VT2 увеличивают ток нагрузки, в нашем примере — до 100 мА, но можно и более с составным повторителем на мощном транзисторе.

Транзистор VT1 защищает выходной транзистор VT2 от перегрузок по току, причем датчиком тока служит резистор R8 небольшого сопротивления, включенный в цепь эмиттера транзистора VT2.

Когда падение напряжения на нем превысит Uб–э=0,6 В, откроется транзистор VT1 и зашунтирует эмиттерный переход транзистора VT2. При токах нагрузки до 10… 15 мА резисторы R7, R8 и транзисторы VT1, VT2 можно не ставить.

Отметим, что в стабилизаторах по схемам рис. 1 и 2 входное напряжение не должно превышать максимально допустимой для ОУ суммы напряжений питания.

Если проектируемый источник питания имеет выходное напряжение, не меньшее чем сумма минимально допустимых напряжений питания для имеющегося ОУ, то его лучше включить в стабилизатор таким образом, чтобы усилитель питался стабилизированным напряжением. Схема подобного стабилизатора приведена на рис. 3.

Рис. 3. Улучшенный стабилизатор напряжения:

a — принципиальная схема, б — нагрузочная характеристика

Здесь дополнительно включены несколько элементов, улучшающих работу стабилизатора напряжения. Потенциал выхода О У DA1 смещен в сторону положительного напряжения с помощью стабилитрона VD3 и транзистора VT1.

Выходной эммитерный повторитель — составной (VT2, VT3), а к базе защитного транзистора VT4 подключен делитель R4R5, что позволяет создать «падающую» характеристику ограничения тока перегрузки.

Ток короткого замыкания не превышает 0,3 А, хотя нормальный рабочий ток составляет 0,5 А. Термоком–пенсированный источник опорного напряжения выполнен на микросхеме К101КТ1А (DA2).

Выходное напряжение стабилизатора, равное +15 В, изменяется всего на 0,0002 % при изменении входного напряжения в пределах 19…30 В; при изменении тока нагрузки от нуля до номинального выходное напряжение падает лишь на 0,001 %.

В этом стабилизаторе подавление пульсаций входного напряжения частотой 100 Гц составляет 120 дБ. К достоинствам стабилизатора следует отнести также и то, что в отсутствии нагрузки потребляемый ток составляет около 10 мА. При скачкообразном изменении тока нагрузки выходное напряжение устанавливается с погрешностью 0,1 % за время не более 5 мкс.

Практически нулевые пульсации напряжения на выходе может обеспечить стабилизатор по схеме рис. 4.

Рис. 4.Источник питания с компенсированными пульсациями

Если движок переменного резистора R1 находится в верхнем (по схеме) положении, амплитуда пульсаций максимальна.

По мере перемещения движка вниз амплитуда будет уменьшаться, так как напряжение пульсаций, поданное на инвертирующий вход ОУ через конденсатор С2, в противофазе складывается с выходным напряжением пульсаций. Примерно в среднем положении движка резистора R1 пульсации будут компенсированы.

Стабилизаторы по приведенным выше схемам рассчитаны на положительное выходное напряжение.

Чтобы получить отрицательное, надо в качестве повторителя применить р–n–р транзистор, а также заземлить положительную шину питания ОУ.

Но можно поступить по–другому, если в аппаратуре требуются стабилизированные напряжения разной полярности. На рис. 5 приведены две упрощенные схемы соединения стабилизаторов для получения выходных напряжений разного знака.

Рис. 5. Схема образования двуполярного стабилизированного напряжения:

а — на разнополярных стабилизаторах, б — на одинаковых стабилизаторах

В первом случае входная и выходная цепи имеют общую шину. Пусть, например, имеются только положительные стабилизаторы.

Тогда в стабилизаторе по второй схеме их можно применить, если оба канала по входным цепям гальванически развязаны, чтобы можно было заземлять положительный полюс нижнего (по схеме) стабилизатора.

Источником опорного напряжения для одного из каналов служит стабилитрон, а для второго — выходное напряжение первого стабилизатора.

Для этого необходимо включить делитель из двух резисторов между выводами +UСT и — UCT стабилизаторов и подвести напряжение средней точки делителя к неинвертирующему входу ОУ второго стабилизатора, заземлив инвертирующий вход ОУ. Тогда выходные напряжения двух стабилизаторов (несимметричные в общем случае) связаны и регулирование напряжений осуществляется одним переменным резистором.

Если для питания устройства используется одна батарея, а необходимы два питающих напряжения с заземленной средней точкой, тр можно применить активный делитель на ОУ с повторителями для увеличения нагрузочной способности (рис. 6).

Рис. 6. Преобразование однополярного напряжения в симметричное двуполярное

Если R1 = R2, то равны и выходные напряжения относительно заземленной средней точки. Через выходные транзисторы VT1 и VT2 протекают полные токи нагрузки, а падения напряжения на участках коллектор — эмиттер равны половине входного напряжения. Зто надо иметь в виду при выборе радиаторов охлаждения.

Ключевые стабилизаторы напряжения зарекомендовали себя наилучшим образом с точки зрения экономичности, так как КПД таких устройств всегда высокий.

Несмотря на их сложность по сравнению с линейными стабилизаторами-, только за счет уменьшения размеров теплоотводящего радиатора проходного транзистора ключевой стабилизатор позволяет уменьшить габариты регулируемого мощного источника питания в два–три раза. Недостаток ключевых стабилизаторов заключается в повышенном уровне помех.

Однако рациональное конструирование, когда весь блок выполнен в виде экранированного модуля с расположенной непосредственно на теплоотводе мощного транзистора платой управления, позволяет свести помехи к минимуму.

Устранить «пролезание» высокочастотных помех в не–стабилизиоованный источник первичного питания и нагрузку можно путем включения последовательно радиочастотных дросселей, рассчитанных на постоянный точ 1…3 А. Имея в виду эти замечания, подготовленный радиолюбитель может браться за создание ключевых стабилизаторов напряжения, в которых с успехом работают интегральные компараторы.

Источник: https://www.litmir.me/br/?b=187405&p=3

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector