Стабилизатор как усилитель постоянного тока

Операционный усилитель постоянного тока

Известно, что амплитуда выходного сигнала серийно выпускаемых операционных усилителей сравнительно не­велика. Так, для операционных усилителей К153УД1 (К1УТ531А) и К153УД2 она составляет +10 В, а для других серий еще меньше. Во многих же случаях требу­ется значительно большая амцлитуда выходного сигна­ла, обеспечиваемая применением усилителей постоянного тока.

Описываемые здесь усилители можно использовать в качестве выходного или предоконечного каскада интеграль­ного операционного усилителя, а также как самостоятель­ный операционный усилитель.

Вниманию читателей предлагаются два варианта уси­лителя. Первый вариант приведен на рис. 1.

Рис. 1. Схема усилителя

Входное сопротивление усилителя не менее 15 кОм. Выходное со­противление сравнительно невелико, однако неискаженная передача сиг­нала обеспечивается только при сопротивлении нагрузки не менее 10 кОм. Полоса пропускания усилителя без обратной связи по уровню 0,9 около 250 Гц. При введении отрицательной обратной связи (на схе­ме — резистор R11) полоса пропускания расширяется до 1000 Гц. Для расширения полосы пропускания можно ввести дополнительные кон­денсаторы С1 и С2, показанные на схеме штриховыми линиями. Коэф­фициент усиления не менее 50. Линейность характеристики не ху­же 0,5%.

Усилитель собран на двух последовательно соединен­ных транзисторах VI и V2 разной структуры. Транзисторы включены по схеме с общим эмиттером, что позволило по­лучить коэффициент передачи по напряжению больше еди­ницы. Выходной сигнал снимается с точки соединения кол­лекторов транзисторов.

Напряжения смещения на базах транзисторов создают­ся цепочкой резисторов Rl, R2, R3. Ток покоя каскада уста­навливают исходя из минимальной мощности, потребляе­мой каскадом, и обеспечения стабильности его работы.

Входом усилителя является средняя точка цепочки ре­зисторов смещения. Резисторы R9 и R10, включенные между эмиттерами транзисторов VI, V2 и проводниками це­пи двуполярного источника питания, создают местную отрицатедьную обратную связь, что способствует некоторому повышению стабильности. Работа усилителя возможна и без этих резисторов.

Резисторы R4 и R8 являются токоотводящими элемен­тами и служат для уменьшения влияния изменения пара­метра I_кво транзисторов, под действием температуры на стабильность выходного нуля усилителя. Чтобы уменьшить дрейф нуля на выходе усилителя, вызываемый изменением тока I_кбо из-за неравномерного прогрева транзисторов, их для выравнивания температур целесообразно установить на общий теплоотвод возможно ближе друг к другу.

Подбором резистора R7 регулируют начальное смеще­ние выходного нуля усилителя, что необходимо для его балансировки. Подстроечным резистором R6 обеспечивают начальный ток транзистора VI, добиваясь нуля на выходе усилителя. Нулевое напряжение на входе усилителя уста­навливают подстроечным резистором R2.

Рис. 2. Схема усилителя постоянного тока с ис­пользованием серийного операционного усилителя

Рис. 3. Схема стабилиза­тора напряжения

Амплитуда выходного напряжения усилителя огра­ничивается предельно допустимыми для транзисторов зна­чениями напряжения U_{кэ макс}. Применяемые транзисторы должны иметь U_{кэ макс}>2U_ПИТ. Для рекомендуемого усили­теля амплитуда напряжения ограничивается транзистором КТ815В, U кэ мак с которого 60 В. Поэтому напряжение дву-полярного источника питания выбрано +30 В, а амплиту­да выходного напряжения с некоторым запасом принята равной + 27 В.

Для повышения выходной мощности усилителя он мо­жет быть дополнен каскадом усиления мощности, пред­ставляющим собой эмиттерный повторитель, собранный на транзисторах разной структуры.

На рис. 2 приведена схема второго варианта усилителя постоянного тока, в котором используется серийный опера­ционный усилитель К153УД1А. Отрицательная обратная связь может быть местной, то есть охватывающей каждый операционный усилитель, или общей (как на схеме). Этот вариант усилителя позволяет получить лучшие параметры, в частности, по линейности выходной характеристики, ко­торая у рекомендуемого усилителя не хуже 0,1%. Рабочая полоса частот усилителя не менее 1,5 кГц. Коэффициент передачи, определяемый цепью обратной связи (резисторы Rl, R5, R16, R17), должен выбираться исходя из конкрет­ных требований, предъявляемых к усилителю.

Транзистор КТ814В можно заменить на П306А, а КТ815В — на П701А.

В усилителе использованы четыре стабилизатора на­пряжения.

Схема стабилизатора напряжения -ЬЗО В показана на рис. 3, Стабилизатор напряжения +15 В отличается от него только типом стабилитрона V2 — он должен бытт Д814Г,

По такой же схеме собирают и стабилизаторы напря. жений -«-30 В и — 15 В. Но в первом из них транзистор VI должен быть КТ814В, V3 — КТ815В, стабилитрон V2 — КС518А, а во втором стабилизаторе соответственно КТ316В, КТ815В и Д814Г с учетом, разумеется, полярно-сти их включения.

Резисторы R5 подбирают из условия обеспечения на­дежного запуска стабилизаторов напряжений.

Настраивают усилитель, предварительно отклю-чив цепочки обратной связи. Сначала резистором R7 уста­навливают нуль на входе, резистором R1J — нуль на выхо­де усилителя, затем восстанавливают цепь обратной связи.

Во время работы усилителя установку нуля осуществля­ют резистором R4, а коэффициент передачи регулируют резистором R5.

Компенсационные стабилизаторы напряжения

Компенсационный стабилизатор напряжения (КСН) работает по иному принципу, нежели ПСН. Из названия видно, что КСН чего-то там компенсирует. В общем-то принцип действия КСН основан на изменении сопротивления регулирующего элемента в зависимости от управляющего сигнала. А вот и определение из книжки — КСН относятся к стабилизаторам непрерывного действия и представляют собой устройства автоматического регулирования, которые с заданной точностью поддерживают напряжение на нагрузке независимо от изменения входного напряжения и тока нагрузки. КСН бывают последовательного и параллельного типа. Для рывка рассмотрим структурную схему типичного КСН последовательного типа.

Рис. 26.10. — КСН последовательного типа

РЭ — это регулирующий элемент, в качестве которого чаще всего используется транзистор (биполярный или полевой), СУ — схема управления — собственно управляет работой РЭ. Иногда вместо СУ изображают усилитель постоянного тока (УПТ). Его задача — усилить сигнал рассогласования и подать его на РЭ. Д — делитель напряжения, ИОН — источник опорного напряжения. В качестве ИОН применяют схему параметрического стабилизатора. Источник опорного напряжения и делитель объединяют в так называемый измерительный элемент (ИЭ). Из-за включения РЭ последовательно с нагрузкой схема так и называется — последовательная.

Итак, источник опорного напряжения (ИОН) задает опорное напряжение, поступающее на вход СУ. С делителя часть выходного напряжения (соизмеримого с напряжением ИОН) также подается на вход схемы управления (СУ). В результате сравнения выходного напряжения (или его части) с опорным СУ управляет РЭ, сопротивление которого меняется в ту или иную сторону. Сигнал с делителя напряжения подается на схему управления и та, в свою очередь, сравнивая напряжение с ИОН, дает команду РЭ увеличить (уменьшить) сопротивление. В результате на нагрузке напряжение остается постоянным. Кроме того, измерительный элемент выделяет пульсации выпрямленного напряжения, поступающие на РЭ, который достаточно хорошо сглаживает их.

Параллельную схему КСН рассмотрим только в структуре. Ее изображение приведено на рисунке 26.11.

Рис.26.11. — КСН параллельного типа

Принцип действия такого стабилизатора основан на изменении проводимости РЭ (опять же, в соответствии с управляющим сигналом), вызывающее изменение падения напряжения на балластом резисторе. Эта схема хорошо работает при небольшом импульсном изменении тока нагрузки. Её основное достоинство — при импульсном изменении тока нагрузки не происходит изменения тока, потребляемого от сети.

Ну а теперь перейдем к самому главному: к схемам. Очень простая и понятная, так сказать, типичная схема приведена на рисунке 26.12.

Рис.26.12. — Принципиальная схема КСН.

Итак, разберем все детали. Функции РЭ выполняет транзистор VT1. ИОН образован резиком R1 и стабилитроном VD1 (как видим, это параметрический стабилизатор). Делитель, соответственно, состоит из резисторов R2-R4. На транзисторе VT2 собран усилитель постоянного тока (УПТ). ИОН задает для УПТ образцовое напряжение, которое вводится в цепь эмиттера транзистора VT2. На базу транзистора поступает напряжение с делителя. Если изменяется выходное напряжение, а соответственно, и напряжение на базе транзистора VT2, который сравнивая это напряжение с напряжением на эмиттере, задает РЭ такой режим работы, что сопротивление его перехода изменяется, и напряжение на нагрузке остается постоянным. С помощью резика R3 можно регулировать выходное напряжение.

В качестве регулирующего элемента при малом токе нагрузки (не больше 0,1-0,2 А) используются одиночные транзисторы. При больших токах нагрузки ставят составные и так называемые тройные составные транзисторы.

Такая схема обладает защитой от короткого замыкания (КЗ). При КЗ обесточивается стабилитрон VD1 и транзисторы VT1, VT2 закрываются. Правда злоупотреблять этим не следует (т. е. ради интереса замыкать плюс с минусом). Защита от КЗ кратковременная.

На практике один из вариантов такой схемы можно встретить с резистором между коллектором и эмиттером РЭ. Он необходим для нормальной работы стабилизатора при отрицательных температурах. Иногда пишут, что резистор, шунтирующий переход коллектор-эмиттер РЭ, служит для запуска стабилизатора. Ну в принципе, наверное, понятно, что для смены полярности необходимо поменять тип транзисторов, направление включения стабилитрона и, соответственно, полярность включения кондеров (на схеме не показаны).

Итак, практическая схема вышеописанного стабилизатора приведена ниже:

Эта схема блока питания и, как видно, отличие состоит лишь в конденсаторах и резисторе R1. Резистороом R4 подстраивают выходное напряжение. Подбирая стабилитрон VD1 можно изменять выходное напряжение ( при изменении входного, соответственно). При этом надо менять сопротивление резистора R1. Две черточки на его корпусе обозначают мощность, т. е. 2 Вт. При больших токах нагрузки резистор R1 греется. Естественно, транзистор VT1 необходимо установить на радиатор, площадью хотя бы 50 см 2 .

Одной из разновидностей схем такого рода является так называемая схема с «холодным» коллектором. Её отличием является то, что регулирующий транзистор включается в цепь общего провода, а не «горячего». А это значит, что изолировать транзистор от радиатора или радиатор от корпуса устройства не надо, чего не скажешь о схемах на рисунках 26.12 и 26.13. В этих схемах транзисторы сгорят, если забыли изолировать коллектор .

Рис. 26.14 — КСН с «холодным» коллектором

Как видно, практически никаких отличий от предыдущей схемы. В качестве регулирующего использован составной транзистор КТ827А. Его можно легко заменить двумя — КТ815 и КТ819. Недостаток схемы — меньший ток нагрузки, нежели у схемы на рисунке 26.13. Да к тому же для такого стабилизатора необходим отдельный выпрямитель Другими словами, если нужно несколько стабилизаторов, то для каждого придется забабахать свой выпрямитель. Зато все регулирующие транзисторы можно поставить на один теплоотвод, не изолируя их.

Другие схемы не только по этой теме будут постепенно накапливаться в отдельном разделе; назовем его «каталог схем».

Рассмотрим несколько схем с применением интегральных стабилизаторов. На рис. ниже показаны типовые схемы включения стабилизаторов.

Рис. 26.15. — Типовая схема включения КР142ЕН5

Рис. 26.16. — Типовая схема включения КР142ЕН12

На рисунке 26.15 показана схема с фиксированным выходным напряжением, на рис. 26.16 — с регулируемым. Конденсаторы С1, С2 включены для повышения устойчивости стабилизаторов (0,33 мкФ÷1 мкФ).

Для стабилизатора по схеме на рис. 26.15 (с фиксированным выходным напряжением) имеется возможность увеличения в некоторых пределах выходного напряжения (но не более, чем до U_вх — 10%). Для этого в схему вводится стабилитрон, как показано на рис. ниже:

Рис. 26.17 — Увеличение выходного напряжения

Выходное напряжение повышается на величину напряжения стабилизации стабилитрона U_ст. Можно также примерно подобное сотворить со схемой на рис. 26.16, но это крайне нежелательно, т.к. через резистор R2 будет течь ток I_пот, потребляемый цепями управления стабилизатора, который зависит от тока нагрузки. Это приведет к увеличению выходного сопротивления стабилизатора. Выходное напряжение стабилизатора в этом случае определяется по формуле:

Для увеличения выходного тока, а, следовательно, мощности в схему стабилизатора втыкают транзистор, примерно так, как показано на рисунке 26.18

Рис. 26.18 — Увеличение мощности стабилизатора

Вместе с внутренним выходным транзистором интегрального стабилизатора транзистор VT1 образует комплементарный составной транзистор. Недостаток такого способа состоит в том, что схема ограничения тока и цепь защиты выходного транзистора стабилизатора фактически не используется. Некоторые фирмы выпускают микросхемы, содержащие, по существу, только цепи управления стабилизатором напряжения и предназначенные для подключения к мощному транзистору по схеме, сходной с приведенной на рис. 26.19. Так, например, фирма Maxim Integrated Products производит ИМС типа МАХ687, к которой подключается pnp-транзистор с малым напряжением насыщения коллектор-эмиттер. При фиксированном выходном напряжении 3,3 В этот стабилизатор допускает при токе нагрузки 1А минимальную разность входного и выходного напряжений 0,14 В. Фирма Analog Devices выпускает в миниатюрном корпусе SO-8 микросхему регулятора ADP3310, которая совместно с мощным полевым транзистором способна отдать в нагрузку ток до 10 А. Минимальная разность напряжений вход-выход составляет в этом случае порядка 0,5 В (существенно зависит от параметров регулирующего МОП-транзистора). Для токовой защиты включается внешний резистор.

Для стабилизации тока можно применить следующую схему:

Рис. 26.19 — Схема стабилизации тока

Сопротивление резистора R1 определяется по формуле:

На резисторе R1 падает напряжение, равное номинальному выходному напряжению стабилизатора. Это составляет для КР142ЕН5 около 5 В, что приводит к большим потерям энергии в резисторе. Поэтому в такой схеме целесообразно использовать ИМС регулируемого стабилизатора, например, КР142ЕН12, у которого, при указанной схеме включения, это напряжение составит 1,2 В.

Номенклатура двухполярных стабилизаторов напряжения сравнительно бедна, поэтому для построения стабилизатора с выходным напряжением, например, ±5 В можно использовать схему, приведенную на рис. 26.20. Поскольку потенциал неинвертирующего входа ОУ (DA2) нулевой, то и потенциал инвертирующего входа этого усилителя также должен быть равен нулю. При работе ОУ DA2 в линейном режиме и равенстве сопротивлений резисторов в делителе это может быть только в случае равенства по абсолютной величине разнополярных напряжений на выходе схемы. В простейшем случае, если ток выхода отрицательной полярности не превосходит допустимого выходного тока ОУ DA2, транзистор VT1 может быть исключен из схемы, а выход ОУ DA2 должен быть непосредственно соединен с отрицательным выходом стабилизатора.

Стабилизатор как усилитель постоянного тока

• admin
• 11 февраля 2009
• Электроника

Это устройства для поддержания стабильного напряжения на нагрузке при изменении питающего напряжения. Основными показателями стабилизаторов напряжения являются: 1) Коэффициент стабилизации. 2) Выходное сопротивление. 3) КПД.
Коэффициент стабилизации – это отношение относительного приращения напряжения на входе к относительному приращению напряжения на выходе.
Выходное сопротивление стабилизатора отношение абсолютного приращения напряжения на выходе к абсолютному приращению тока нагрузки.
Коэффициент полезного действия стабилизатора – это отношение мощности в нагрузке к входной мощности стабилизатора.

Стабилизаторы напряжения делятся на параметрические и компенсационные.

Из полученного выражения следует, что для увеличения коэффициента стабилизации параметрического стабилизатора необходимо увеличивать величину балансного сопротивления и уменьшать динамическое сопротивление стабилитрона.

Компенсационные стабилизаторы.
Компенсационные стабилизаторы делятся на стабилизаторы параллельного типа и последовательного типа.

При замене резистора R1 на стабилитрон коэффициент стабилизации параллельного стабилитрона увеличивается, однако исчезает возможность плавной регулировки выходного напряжения.
В случае необходимости ещё большего коэффициента стабилизации применяют двух транзисторную схему параллельного стабилизатора.

Общим недостатком стабилитронов параллельного типа явлся относительно низкая выходная мощность.

Компенсационные стабилизаторы последовательного типа.

Максимальный допустимый ток данного стабилизатора равен максимальному допустимому току транзистора.
Недостаток данной схемы явл – ся неизбежный выход транзистора из строя при замыкании выходных клем стабилизатора даже очень короткое время. Для устранения данного недостатка в коллекторную цепь транзистора включают ограничивающий резистор. Ограничивающий резистор может быть выбран маломощным. В случае короткого замыкания на выходе стабилизатора ограничивающий резистор сгорает, а транзистор остается неповрежденным.

Для увеличения выходного тока компенсационного стабилизатора последовательного типа вместо одиночного транзистора применяют схему Дарлингтона.

Схема стабилизатора с ООС по напряжению.

Использование ООС по напряжению в стабилизаторе напряжения позволяет уменьшить выходное сопротивление стабилизатора, а также повысить коэффициент стабилизации.

Недостаток схемы: 1) явлся зависимость от параметров конкретного экземпляра полевого транзистора 2) начальный ток стока и напряжение отсечки затвора.

Подбирая сопротивление резистора R2 в соответствии с приведенной формулой можно задать любой требуемый ток стабилизатора.

Усилители постоянного тока.

При изменении температуры на один градус Цельсии напряжение БЭ транзистора изменяется на 2,5 милливатта.
Дрейфом нуля называется изменение выходного напряжения усилителя при постоянстве его на входе. Для устранения дрейфа нуля применяют дифференциальные усилители.
Дифференциальным усилителем называются устройства усиливающие разность двух напряжений.
Структурная схема имеет следующий вид:

Для обеспечения максимальной стабильности используемые в дифференциальном каскаде и одинаковую температуру, что достигается как правило путем выполнения транзисторов на одном кристалле полупроводника. Для устранения зависимости коэффициента усиления дифференциального усилителя от напряжения питания в нем используют стабилизатор тока.

Данную схему промышленность выпускает в виде микросхемы.

Использование токового зеркала в качестве активной нагрузки

Токовое зеркало устраняет синфазную составляющею тока транзисторов диф. каскада и не устраняет противофазную составляющею. В результате оказывается возможным перейти от диф выхода (состоящею из двух проводов) к обычному входу (из одного провода).

Операционные усилители
Это усилители постоянного тока с диф. входом и одноактным выходом, характеризующимся высоким коэффициентом усиления, высоким входным и низким выходным сопротивлением, изготавливаемый в виде полупроводниковой интегральной схемы. Идеальный операционный усилитель: входное сопротивление =?, коэффициент усиления по напряжению =?, входное сопротивление =0.

Эквивалентная схема ОУ

, при К>? ,
Коэффициент усиления усилительной схемы на операционном усилители зависит только от входящих в схему резисторов и не зависит от коэф. усиления операционного усилителя.

Повторитель на операционном усилители

Принцип виртуального замыкания состоит в том, что напряжение между входами опер усилителя =0, независимо от выходного напряжения.

Параметры операционного усилителя
1. номинальное напряжение питания
2. номинальный ток потребления
3. частота единичного усиления (частота при которой KU=1)
4. входной ток смещения , где
5. токи инверсного и не инвертируемого входа. Наличие входных токов смещения приводит к появлению на выходе усилителя постоянной составляющей. Для ее устранения применяют схему тока смещения.

6. разность входных токов
7. входное напряжение смещения – это напряжение которое следует подать на входные зажимы опер усилителя, чтобы привести выходное напряжение к 0. Для устранения напряжения смещения некоторые операционные усилители снабжены входами для подключения блока построечного резистора.

8. Температура дрейф. 0, это состояние напряжения смещения при изменении температуры.

Это электронное устройство, преобразующие энергию источника постоянной ЭДС в энергию электрических колебаний. Для того, чтобы усилитель охваченный обратной связью генерировал электрические колебания, необходимо выполнить 2 условия его самовозбуждения: 1. амплитудное условие саможбуждения 2. Фазовое условие самовозбуждения (? фазовый сдвиг вносимый усилителем, фазовый сдвиг вносимый усилителем с обратной связью, n – целое число).

Режимы возбуждения генератора

Кривая 1 соответствует случаю когда при близкой к 0 амплитуде входное напряжение усилителя, выполняется амплитудное условие самовозбуждения, при этом при включении генератора в нем самопроизвольно возникают электрические колебания – мягкого режим самовозбуждения. Кривая 2 соответствует случаю жесткого режима самовозбуждения генератора при котором для возникновения в генераторе электрических колебаний необходимо внешнее воздействие на генератор.

RC – генератор с фазосдвигающими цыпочками

Схема генератора с мостом Вина

Методы стабилизации амплитудного генератора

При увеличении амплитуды выходного напряжения генератора до 1,2 В, через диодный мост и стабилитрон начинает проткать ток который уменьшает сопротивление резистора цепи обратной связи и тем самым понижает коэффициент усиления усилителя при этом снижает напряжение усилителя.

Стабилизатор как усилитель постоянного тока

2018/2019 учебный год. Крылов И. Р.

Полупроводниковый диод. Дифференциальное сопротивление.

Однополупериодное и двухполупериодное выпрямление. Трансформатор.

Двусторонний ограничитель на диодах.

Биполярный полупроводниковый транзистор.

Эмиттерный повторитель в качестве стабилизатора напряжения.

Транзисторный источник тока.

Усилитель с общим эмиттером.

Расщепление фазы. Фазовращатель.

Смещение усилителя с общим эмиттером.

Согласованные транзисторы. Токовое зеркало.

Согласованные транзисторы. Токовое зеркало (продолжение).

Двухтактные выходные каскады.

Повторители со связью по переменному току.

Стабилизатор напряжения +5В.

Переключатель для больших токов.

Негодные транзисторные схемы (продолжение):

Повторитель с нулевым смещением.

Усилитель переменного тока с большим коэффициентом усиления.

Переключатель усиления +-1.

Регулятор усиления в пределах от -1 до +1.

Преобразователь фототок — напряжение.

Усилитель с частотной коррекцией.

Негодные схемы с операционным усилителем.

Десятикратный усилитель переменного тока.

Генератор треугольных колебаний с регулируемой частотой.

Источник тока, программируемый напряжением.

100-кратный усилитель постоянного напряжения.

Источник тока 200 мА.

Выходной каскад на операционном усилителе со стократным усилением для звуковых частот.

Стабилизатор на +15 В.

Операционный усилитель в качестве стабилизатора +15 В.

Полевой транзистор с p— n переходом.

МОП транзисторы ( MOSFET ).

Аналоговые ключи на полевом транзисторе.

Последовательная логика. RS -триггер.

Еще раз о D -триггере.

Выходы с тремя состояниями.

Регистр. Шина. Память.

Синхронный счетчик. Реверсивный счетчик.

Схема счета фотонов. ФЭУ. Лавинный фотодиод.

COM -порт ( RS -232).

Цифро-аналоговый преобразователь ЦАП ( DAC ).

Аналого-цифровой преобразователь АЦП ( ADC ).

Сигма-дельта ЦАП и АЦП.

Двойной Т-образный фильтр пробка. Резонансный усилитель.

Системы активной стабилизации на примере работы операционного усилителя.

Стабилизация частоты генерации лазера по его мощности.

Стабилизация частоты генерации лазера по частоте пропускания интерферометра Ф абри — Перо.

Стабилизация лазера по резонансу насыщения поглощения.

Система частотной привязки одного лазера к другому.

Система накопления сигнала.

Лекция 10 (лекция 20 за 2016 год).

Цепочка Вина. Генератор синусоиды.

Аналоговый перемножитель К525ПС2. Синхронный детектор.

Лекция 11 (лекция 21 за 2016 год).

Фазовращатель на операционном усилителе.

Высоковольтные схемы последовательное включение транзисторов.

Высокочастотные схемы. Малые сопротивления.