Radiohlam.ru - полезные устройства из радиохлама карта сайта о сайте на главную
   

Простейший компенсационный стабилизатор напряжения.

Схема компенсационного стабилизатора напряжения на ОУ и одном транзисторе

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

Обозначения:

IR - ток через балластный резистор (R0)

Iст - ток через стабилитрон

Iн - ток нагрузки

Iвх - входной ток операционного усилителя

Iд - ток через резистор R2

Uвх - входное напряжение

Uвых - выходное напряжение (падение напряжения на нагрузке)

Uст - падение напряжения на стабилитроне

Uд - напряжение, снимаемое с резистивного делителя (R1, R2)

UОУ - выходное напряжение операционного усилителя

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:

выход делителя напряжения

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

выходное напряжение стабилизатора

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:

область нормальной работы компенсационного стабилизатора

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).

radiohlam.ruтеорияпитание

Понравилась статья? Поделись с друзьями!

Обсудить эту статью на форуме

   
Rambler's Top100 © 2009 - Материалы сайта охраняются законом об авторском праве
номер карты сбербанка для пожертвований на развитие сайта: 67619600 0100397265