Компенсационные стабилизаторы с операционным усилителем

 

В схеме (рис. 5.6) компенсационного стабилизатора на операционном усилителе (ОУ) выходное напряжение ОУ используется для получения опорного напряжения U_ОП от прецизионного стабилитрона. Для большинства маломощных ОУ ток I _ОУ.Вых.≤ 10 мА. Для увеличения тока I _Н в нагрузке к схеме компенсационного стабилизатора подключают выходные транзисторы (рис. 5.7).

Такие схемы позволяют получить коэффициент стабилизации К_СТ = 300÷500.

Коэффициент К_СТ стабилизации схемы (рис. 5.7) можно существенно повысить (К_СТ ≥ 1000), если цепь с элементами R₁ и VD подключить к выходу стабилизатора (рис.5.6). При этом К_СТ стабилизации схемы определяется коэффициентом ослабления D изменения напряжения смещения при изменении питания ОУ.

Для схемы (рис. 5.6) справедливы соотношения: U_ОП = (¼÷½)∙U_Н. (*)

ΔU_Прям = [r_Вых/(r_Вых.+R₁)]∙ΔU_Вых.; ΔU_Инв = [R₂/(R₂+R_ОС)]∙ΔU_Вых.

 

U_ВЫХ = U_ОП∙К_U = U_ОП∙ [(R_ОC/R₂)+1]. (5.19)

 

Из (5.19) следует, что напряжение U_ВЫХ не зависит от изменения тока I_H и от U_И. Для исключения насыщения ОУ необходимо обеспечить условие:

 

U_ОП ≤ U_И - 2 B или U_Вых. ≤ U_И - 2 B; (5.20)

 

Выходное напряжение можно регулировать в диапазоне U_ВЫХ = (⅓÷⅞)∙U_И.

Для этого достаточно заменить R₂ на переменный резистор той же величины.

 

D = ΔU_И/ΔU₀. *(D ≤ 10 000); (коэфф. ослаблен. влияния пульсац. ΔU_И) (5.21)

 

где ΔU₀ ≤ 0,3 мВ - напряжение смещение нуля на выходе идеального ОУ при ΔТ = 20⁰.

 

Например, при ΔU_И = 2В и ΔU₀ ≤ 0,5 мВ получим D = 4 000.

 

К_СТ = D[r_Диф.VD/(r_Диф.VD+R₁) – R₂/(R₂+R_ОС)] ≈ |D|∙[R₂/(R₂+R_ОС)]. (5.22)

 

* Входной ток ОУ составляет (I _ВХ.ОУ ≤ 0,2 мА), поэтому ток делителя I _Д в цепи R_ОС и R₂ должен составлять I _Д = 0,5 ÷ 1 мА. (*)

При использовании в схеме (рис. 5.7) составного транзистора ток в нагрузке может превышать величину I_Н ≥ 1 А и составлять:

 

I_Н ≤ I_ОУ∙β₀. (β₀ = β₁∙β₂.) (5.23)

 

U_Н = (U_ОП∙[(R_ОC/R₂)+1] –U_БЭ1–U_БЭ2). (5.24)

 

Р_VT2 = (U_И –U_Н)∙I_Н = U_КЭ.VT2∙I_К.VT2.

 

Для защиты схем стабилизаторов от выхода из строя при случайном коротком замыкании, в схему вводят цепь защиты на элементах (R_П и VT₃), которые будет ограничивать ток I_К мощного транзистора при возникновении большого падения напряжения U_КЭ.VT. Если падение напряжения на резисторе R_П превысит величину U_БЭ.VT3 ≈ 0,6 В, то произойдет открывание транзистора VT₃, а это вызовет снижение напряжения на базе VT₂, т.е. U_БЭ.VT2 < U_ОП и, следовательно, частичное закрывание VT₂.

 

Уровень ограничения тока составит: I_К2.ОГР ≈ 0,6/R_П. (5.25)

Например, при I_К.ОГР ≈ 1А, R_ОГР составит: R_П =U_БЭ.3/I_К2.ОГР = 0,6. Ом. (5.26)

 

Пример 1. Выполнить расчет параметров схемы стабилизатора на ОУ (рис. 5.6)

для U_Н = 15 В, при I _Н ≤ 10 мА, U_И.Мах = 19 В и ΔU_И = 2 В; ΔU₀ = 0,3 мВ.

Решение. Из условия, что *(U_ОП = (¼ ÷ ½)∙U_Н), выберем стабилитрон КС147А с

параметрами: U_ОП = 4,7 В; I _ОП.Ном. = 5 мА.

 

Определим значение R₁: R₁ = (U_Н – U_ОП)/I_ОП.Ном. = (15 – 5)/(5∙10^-3) = 2000 Ом.

 

Из условия, что *(I _ВХ.ОУ ≤ 0,2 мА), подберем величины (R_OC+R₂) так, чтобы ток делителя I _Д в цепи (R_ОС+R₂) составлял I _Д = 1 мА.

 

(R_OC +R₂) =U_Н / I _Дел. =15/10^-3 =15 кОм. (в качестве (R_OC+R₂)’ можно взять потенциометр).

 

Возьмем (R_OC + R₂) = 15 кОм. Из выражения (5.19) определим величину R₁:

В связи с тем, что К_U =U_Н/U_ОП = 3 = [(R_ОC/R₂)+1], получим: [(10к/5к)+1] = 3.

 

Проверка: R₂ = (R_OC + R₂)∙(U_ОП/U_Н) = 15000∙(5/15) = 5 кОм.

Установим движок потенциометра (R_OC+R₂)’ в положение R₂’ ≈ 5 кОм и R_ОС’ ≈ 10 кОм, или заменим его на два постоянных резистора: R₂ = 5 кОм и R_OC = 10 кОм.

4) Мин. напряжение нестабилизированного источника должно составлять:

 

U_И.Мин. = U_Н + 2 В = 17 В. D = ΔU_И./ΔU₀. = 2/0,0003 ≈ 6660;

К_СТ ≈ |D|∙[R₂/(R₂+R_ОС)] = 6660∙(5/(5+10)) ≈ 2000.

 

Пример 2. Вычислить параметры стабили­затора напряжения (рис. 5.8), обеспечивающего ток I_Н =6 А и U_Н =15 В, при: U_И = 20 В; I_Вых.ОУ ≤ 10 мА.

Решение. Определим требуемый коэффициент β₀ проходного транзистора:

β₀ = I_Н/I_Вых.ОУ = 6 А/10^-2 А = 600.

Для обеспечения такого коэффициента усиления необходимо два транзистора.

Распределим коэффициенты b₁, b₂ так, чтобы b₁×b₂ = b₀. Выберем b₁= 30; b₂= 20.

Определим мощность, рассеиваемую на составном транзисторе:

 

Р_VT = (U_И–U_Н)∙I_Н =(20–15)∙6 = 30 Вт. η = P_ВЫХ/P_ВХ = 6∙15/6∙20 = 0,75.

 

Используя выр. (1 – 26), вычисляют все параметры элементов схемы.

Литература основная

1. Рекус Г.Г. Основы электротехники и промышленной электроники в примерах

и задачах с решениями: Учебное пособие. – М.: Высш. шк., 2008. – 343 с.

2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высш. шк., 2001. - 620 с.

3. Березкина Т.Ф., Гусев Н.Г. Задачник по общей электротехнике с основами

электроники. – М.: Высш. шк., 2001. - 377 с.

4. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – М.: Радио, 2000. – 384 с.

Литература дополнительная

5. Сборник задач по электротехнике и основам электроники / Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высш. шк., 1987. - 288 с.

6. Изъюрова Г.И. Расчет электронных схем. – М.: Высш. шк., 1987. - 334 с.

7. Гусев В.Г. Сборник задач по электронике. – М.: Высш. шк., 1988. - 240 с.

⇐ Предыдущая78910111213141516Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: