Stabilitatea tensiunii de alimentare este o condiție necesară pentru funcționarea corectă a multora dispozitive electronice. Pentru a stabiliza tensiunea de curent continuu pe sarcină atunci când tensiunea rețelei fluctuează și curentul consumat de sarcină se modifică, stabilizatori de tensiune CC sunt instalați între redresor cu filtru și sarcină (consumator).
Tensiunea de ieșire a stabilizatorului depinde atât de tensiunea de intrare a stabilizatorului, cât și de curentul de sarcină (curent de ieșire):
Vom găsi diferenţial complet modificarea tensiunii la schimbare și:
Să împărțim părțile din dreapta și din stânga cu , și, de asemenea, să înmulțim și să împărțim primul termen din partea dreaptă cu , iar al doilea termen cu .
Introducând notația și trecerea la incremente finite, avem
Aici este coeficientul de stabilizare egal cu raportul creșterilor tensiunilor de intrare și de ieșire în unități relative;
Rezistența internă (de ieșire) a stabilizatorului.
Stabilizatorii sunt împărțiți în parametrii și compensatori.
Un stabilizator parametric se bazează pe utilizarea unui element cu o caracteristică neliniară, de exemplu o diodă zener semiconductoare (vezi § 1.3). Tensiunea de pe dioda Zener în zona defecțiunii electrice reversibile este aproape constantă, cu o schimbare semnificativă a curentului invers prin dispozitiv.
Diagrama stabilizatorului parametric este prezentată în Fig. 5.10, a.
Orez. 5.10. Stabilizatorul parametric (a), circuitul său echivalent pentru incremente (b) și caracteristicile externe ale redresorului cu stabilizator (curba 2) și fără stabilizator (curba ) (c)
Tensiunea de intrare a stabilizatorului trebuie să fie mai mare decât tensiunea de stabilizare a diodei zener. Pentru a limita curentul prin dioda zener, este instalat un rezistor de balast. Tensiunea de ieșire este îndepărtată de la dioda zener. O parte din tensiunea de intrare se pierde pe rezistor, restul este aplicat sarcinii:
Luăm în considerare că, obținem
Cel mai mare curent trece prin dioda zener la
Cel mai mic curent trece prin dioda zener la
Dacă sunt îndeplinite condițiile - curenții diodei zener limitând secțiunea de stabilizare, tensiunea pe sarcină este stabilă și egală. De la .
Pe măsură ce curentul crește, căderea de tensiune crește cu . Pe măsură ce rezistența de sarcină crește, curentul de sarcină scade, curentul prin dioda Zener crește cu aceeași valoare, căderea de tensiune pe sarcină rămâne neschimbată.
Pentru a-l găsi, vom construi un circuit echivalent pentru stabilizatorul din Fig. 5.10 și pentru creșteri. Elementul neliniar funcționează în secțiunea de stabilizare, unde rezistența sa la curent alternativ este un parametru al dispozitivului. Circuitul de înlocuire al stabilizatorului este prezentat în Fig. . Din circuitul echivalent obținem
Avand in vedere ca in stabilizator, avem
Pentru a găsi , la fel ca atunci când se calculează parametrii amplificatoarelor (vezi § 2.3), folosim teorema generatorului echivalent și setăm , apoi rezistența la ieșirea stabilizatorului
Expresiile (5.16), (5.17) arată că parametrii stabilizatorului sunt determinați de parametrii diodei zener semiconductoare (sau alt dispozitiv) utilizat. De obicei, pentru stabilizatorii parametrici nu este mai mare de 20-40, dar variază de la câțiva ohmi la câteva sute de ohmi.
În unele cazuri, astfel de indicatori se dovedesc a fi insuficienti, apoi se folosesc stabilizatori compensatori. În fig. Figura 5.11 prezintă unul dintre cele mai simple circuite de stabilizatoare de compensare, în care sarcina este conectată la sursa de tensiune de intrare printr-un element neliniar de reglare, tranzistorul V. Un semnal OS este furnizat la baza tranzistorului prin amplificatorul operațional. Intrarea amplificatorului operațional primește tensiuni de la un divizor rezistiv de înaltă rezistență și o tensiune de referință (de referință).
Orez. 5.11. Cea mai simplă schemă stabilizator de compensare cu op-amp
Să luăm în considerare funcționarea stabilizatorului. Să presupunem că tensiunea a crescut, urmată de o creștere și, în același timp, se aplică o creștere pozitivă a tensiunii la intrarea de inversare a amplificatorului operațional și are loc o creștere negativă a tensiunii la ieșirea amplificatorului operațional. . Diferența dintre tensiunile de bază și de emițător se aplică la joncțiunea emițătorului de control a tranzistorului V. În modul pe care îl luăm în considerare, curentul tranzistorului V scade și tensiunea de ieșire scade aproape la valoarea sa inițială. În mod similar, modificarea ieșirilor va fi calculată atunci când crește sau descrește: se va schimba, va apărea semnul corespunzător, curentul tranzistorului se va modifica. este foarte mare, deoarece în timpul funcționării modul de funcționare al diodei zener practic nu se schimbă, iar curentul prin aceasta este stabil.
Stabilizatorii de tensiune compensatori sunt produși sub formă de circuite integrate, care includ un element neliniar de reglare, tranzistorul V, un amplificator operațional și circuite care conectează sarcina la intrarea sa.
În fig. 5.10, c arată caracteristica exterioară a unei surse de alimentare cu stabilizator, zona sa de lucru este limitată de valorile curente
Utilizarea tranzistoarelor puternice cu efect de câmp în stabilizatorii de tensiune, în ciuda avantajelor lor incontestabile - rezistența ultra-scăzută a canalului deschis (unități de miliohmi), ceea ce face posibilă obținerea unei căderi de tensiune ultra-scăzute între tensiunea de intrare și de ieșire ( zecimi de volt), curenți mari (sute de amperi), costuri reduse (în special tranzistori cu canale n) - după cum se știe, este asociat cu rezolvarea unei probleme asociate cu tensiunea de prag înaltă (2 - 5 V) care trebuie aplicată la poartă pentru a deschide tranzistorul. Dacă, de exemplu, într-un stabilizator de tensiune pozitiv pe un tranzistor cu canale n, tensiunea de intrare este aplicată la dren, tensiunea de ieșire este îndepărtată de la sursă, iar poarta este controlată de amplificatorul operațional, apoi cu un mic căderea de tensiune a stabilizatorului (între sursa și scurgerea tranzistorului), amplificatorul operațional trebuie să aplice o tensiune de 2 la poartă - 5 V deasupra sursei și, prin urmare, deasupra drenului, adică deasupra tensiunii de intrare. Dar de unde îl pot obține dacă nu există altă tensiune în afară de intrare? La ce fel de trucuri se recurge pentru a obține o tensiune mai mare decât cea de intrare: folosesc o înfășurare suplimentară a transformatorului și un redresor pe baza acesteia, diverse circuite de creștere a tensiunii de intrare pe baza multiplicatorilor de tensiune și chiar convertoare DC/DC sunt încorporate în niște microcircuite stabilizatoare moderne.
Dacă este necesar un stabilizator bipolar, atunci se folosesc circuitele menționate mai sus cu dezavantajele lor.
Autorul a pus întrebarea: este posibil să se utilizeze într-un stabilizator bipolar pentru a alimenta amplificatorul operațional, în plus față de tensiunea de intrare a stabilizatorului, și tensiunea de intrare a unui alt stabilizator, iar în altul - tensiunea de intrare a primului ? După cum a arătat rezultatul unui astfel de experiment, se dovedește că este posibil. Mai mult, autorul a obținut un nivel atât de scăzut al intervalului de ondulare a tensiunii de ieșire a stabilizatorilor la curenți mari, încât nici măcar nu se aștepta.
Restul prezentării se va baza pe după cum urmează. În primul rând, vom prezenta binecunoscutele circuite simplificate ale stabilizatorilor bazate pe amplificatoare operaționale și tranzistoare cu efect de câmp, apoi vor fi date diagrame schematice bazate pe acestea, apoi dispunerea plăcilor stabilizatoare, fotografiile acestora și proiectarea unei surse de alimentare (PS) bazată pe un stabilizator bipolar. După aceasta, vor fi prezentate rezultatele testelor stabilizatorilor și, în special, oscilogramelor ondulațiilor de tensiune de ieșire. La sfârșitul articolului, vor fi rezumați parametrii de ieșire ai stabilizatorilor.
Diagrame simplificate
Figura 1 prezintă patru versiuni ale circuitelor stabilizatoare simplificate bazate pe amplificatoare operaționale și tranzistoare cu efect de câmp de putere.
Principiul de funcționare al stabilizatorului din figura 1a este următorul. Tensiunea de intrare U VХ este furnizată la drenul tranzistorului cu efect de câmp cu canale n, iar cel stabilizat tensiune de ieșire U OUT este îndepărtat de la sursă, al cărei potențial este întotdeauna mai mic decât potențialul de scurgere. Astfel, în acest circuit tranzistorul funcționează în regim normal. Op-amp-ul compară tensiunea de referință V REF aplicată intrării sale neinversoare cu o parte din ieșirea luată de la divizorul R, aplicată intrării sale inversoare și egală cu V REF pentru un U OUT dat. Cu tensiunea de ieșire, amplificatorul operațional influențează poarta tranzistorului în așa fel încât tensiunea scoasă din divizor să fie întotdeauna egală cu V REF, indiferent de tensiunea de intrare și curentul de sarcină. De exemplu, atunci când curentul de sarcină crește, tensiunea de ieșire scade și, prin urmare, scade și tensiunea îndepărtată din divizor și, deoarece este aplicată la intrarea de inversare a amplificatorului operațional, tensiunea de ieșire a amplificatorului operațional crește, determinând creșterea potențialului de poartă, iar tranzistorul se deschide ușor, restabilind tensiunea de ieșire la nivelul anterior. Particularitatea și principalul dezavantaj al acestui circuit este faptul că tensiunea porții, la care tranzistorul începe să se deschidă, este întotdeauna mai mare decât tensiunea sursei cu 2 - 5 V. Prin urmare, dacă tensiunea de alimentare pozitivă a amplificatorului operațional este luată de la tensiunea de intrare, atunci ar trebui să fie întotdeauna mai mare decât tensiunea de intrare cu câțiva volți, adică câțiva volți mai mult de 2 - 5 V, ceea ce este inacceptabil de mare. Dar dacă nu există altă tensiune decât tensiunea de intrare, atunci acest circuit pur și simplu nu poate fi utilizat. Dacă există? Atunci este posibil (și necesar!), și aceasta este tocmai una dintre caracteristicile stabilizatorilor descriși în articol. Avantajul circuitului este utilizarea unui tranzistor puternic cu efect de câmp cu canale n, care, în condițiile egale, este de 2 până la 5 ori mai ieftin decât unul cu canal p. În plus, tranzistoarele cu canal n puternice sunt de câteva ori mai frecvente decât tranzistoarele cu canal p și, în cele din urmă, tranzistoarele cu canal n, în unele privințe, au caracteristici de neatins de tranzistoarele cu canal p. De exemplu, rezistența ultra-scăzută a canalului deschis, care atinge până la 2,4 mOhm (IRFB3206) sau o transconductanță enormă, a cărei valoare minimă este de 230 cm (IRFB3306), pur și simplu nu există în tranzistoarele cu canal p. Deși costul (aproximativ 1 USD) al acestor tranzistoare (IRFB3206, IRFB3306) nu depășește costul celor mai moderne tranzistoare cu canal p.
Figura 1c prezintă un circuit simplificat al unui stabilizator de tensiune negativă, care este o „oglindă” a circuitului din Figura 1a și funcționează în mod similar (doar pentru tensiunea negativă), prin urmare, în opinia autorului, nu este necesară nicio explicație. Un dezavantaj suplimentar al acestui circuit este utilizarea unui tranzistor cu efect de câmp cu canal p în el.
Aici ar trebui să facem o digresiune cu privire la circuitele redresoare utilizate în stabilizatorii bipolari.
Cel mai obișnuit circuit folosește un transformator secundar și două circuite redresoare cu jumătate de punte pentru fiecare tensiune (pozitivă și negativă). Această schemă (din cauza simplității nu este dată) folosește două diode redresoare pentru fiecare dintre circuitele de redresare în jumătate de punte, deci numărul total de diode este de patru, ceea ce este un avantaj cert. Deoarece, de regulă, transformatorul este alimentat cu două înfășurări secundare identice (mai degrabă decât una cu un robinet din punctul din mijloc), într-un astfel de circuit de redresare capătul uneia dintre înfășurări este conectat la începutul celuilalt - acesta este punctul de mijloc.
Mai puțin obișnuit este un circuit de redresare cu punte completă pentru fiecare dintre tensiunile celor două înfășurări secundare, care utilizează deja 4 diode pentru fiecare tensiune, iar numărul total de diode este de 8, adică de două ori mai multe decât prima. Deși numărul dublu de diode este un dezavantaj al unui astfel de circuit de redresare, un lucru foarte bun poate fi învățat din proprietățile sale. caracteristică interesantă, care constă în faptul că ambele tensiuni redresate sunt izolate una de cealaltă.
Trebuie remarcat aici că ideea unei astfel de surse de alimentare suplimentare pentru stabilizatori nu este nouă. Pentru prima dată, din câte știe autorul, o astfel de idee a fost folosită în lucru pentru a alimenta un stabilizator bazat pe componente discrete (adică fără utilizarea de microcircuite), unde tranzistorii bipolari au fost folosiți ca și putere.
În activitatea din circuitul stabilizator, care se baza și pe componente discrete, tranzistoarele cu efect de câmp erau deja utilizate, dar complexitatea circuitului a dus la faptul că placa stabilizatoare s-a dovedit a fi pur și simplu uriașă (175x80 mm) și chiar și cu cablare pe două fețe, ceea ce este foarte problematic de fabricat pe cont propriu. Privind în viitor, observăm că placa stabilizatorului bipolar descrisă aici are cablare unilaterală și o dimensiune de numai 40x16 mm. Este ușor să faci singur o astfel de placă (vezi mai jos).
Pentru a obține putere suplimentară (de la un alt stabilizator), în lucrare au fost utilizate diode Zener cu rezistențele lor limitatoare de curent, iar în diagrama Figura 2, așa cum sa menționat deja, au fost utilizate microcircuite stabilizatoare 78L24/79L24. Utilizarea acestor microcircuite în locul diodelor zener cu rezistențe este justificată din următoarele motive. În primul rând, stabilitatea de joasă tensiune a diodelor zener nu poate fi comparată cu stabilitatea relativ ridicată a tensiunii de ieșire a microcircuitelor, în al doilea rând, în mod ciudat, microcircuitul este mai ieftin decât o diodă zener de jumătate de wați plus un rezistor de jumătate de wați (și mai mic; puterea nu poate fi utilizată, deoarece acest lucru va duce la încălzirea rezistenței și a diodei zener și la o probabilitate mare de defecțiune a acesteia), iar în al treilea rând, microcircuitele ocupă mai puțin spațiu pe placă.
În Figura 2, conductorii de putere sunt evidențiați cu caractere aldine. Diodele VD1 - VD4 sunt folosite pentru a porni inițial stabilizatorii atunci când alimentarea este pornită.
Acum, după astfel de explicații preliminare detaliate, nu este greu de înțeles funcționarea schemelor de circuit.
Literatură
- Kuzminov A. Stabilizatori de tensiune îmbunătățiți cu un filtru activ. - Radio, 2017, Nr. 9, p. 18, 19.
- Kuzminov A. Aplicarea unui amplificator instrumental pentru conectarea în punte a două amplificatoare operaționale puternice. Partea 3. - Electronica modernă, 2017, Nr. 6, p. 74 - 80.
- Kuzminov A. Stabilizatoare bazate pe amplificatoare operaționale și tranzistoare cu efect de câmp de mare putere cu filtru electronic activ și protecție la supracurent. Partea 2. - Electronică modernă, 2018, Nr. 1, p. 58 - 62.
- Kuzminov A. Fabricarea dispozitivelor pe plăci de circuite imprimate ah s rezoluție înaltă acasă. - Tehnologii în industria electronică, 2010, nr. 8, p. 18 - 25; 2011, nr. 1, p. 9 - 13; nr. 2, p. 18 - 25.
- Kuzminov A. Tehnologie de fabricare a plăcilor de circuite imprimate cu rezoluție înaltă în condiții de amatori. - Radio, 2017, Nr. 10, p. 24 - 28.
- Oreshkin V. Stabilizator de tensiune de alimentare UMZCH. - Radio, 1987, nr. 8, p. 31.
- Muravtsev M. Unitate de alimentare stabilizată UMZCH. - Radio, 2017, Nr.2, p. 25 - 27; nr. 3, p. 17-19.
- Titze U., Schenk K. Circuite semiconductoare. - M.: Mir. 1982.
- Horowitz P., Hill W. The Art of Circuit Design. - M.: Mir. 1993.
Stabilizator cu amplificator operațional și protecție la scurtcircuit.În stabilizator (Fig. 16.41, a) în Un op-amp este folosit ca dispozitiv de comparație. Tensiune de referință de la diodă VD2 este furnizată la intrarea neinversoare, iar tensiunea de ieșire pulsatorie este furnizată la intrarea inversoare. Feedback negativ prin diodă VD1 iar două tranzistoare îndeplinesc funcții de amortizare. Pentru a proteja stabilizatorul de scurtcircuit, este inclus un rezistor R5. Caracteristicile de sarcină sunt prezentate în Fig. 16.41, în (curba 1) și fig. 16.41, G. Dacă schimbați conexiunile lanțurilor R4, VD2Şi R6 - R8, caracteristica de sarcină arată ca o curbă 2 în fig. 16.41, la. În fig. 16.41, b Este prezentată dependența abaterii tensiunii de ieșire de tensiunea de intrare a stabilizatorului.
Orez. 16.41
Stabilizatori de tensiune op-amp. Stabilizatorul (Fig. 16.42, a) asigură o tensiune de ieșire de 15 V la un curent de sarcină de 0,5 A. Elementul stabilizator din acest circuit este un amplificator operațional, cu care puteți obține un coeficient de stabilizare mai mare de 4-10 4. Tensiunea de referință generată de diodă VD1 si un tranzistor VT3, este furnizat la o intrare a amplificatorului operațional, iar a doua intrare este conectată la un divizor, care asigură că stabilizatorul pornește atunci când este pornit. Stabilitatea ridicată a tensiunii de referință este asigurată de lanț VD1, VT3,în care tranzistorul acționează ca un generator de curent.
Pentru a reduce influența curentului invers al tranzistorului VT1 se foloseste rezistenta R1. Rezistor R2 limitează curentul de bază al tranzistorului VT2. Parametrii lanțului de reglare R3 C1 selectat ținând cont de funcționarea amplificatorului operațional cu feedback profund.
Pentru a obține o tensiune la ieșirea stabilizatorului care depășește tensiunea de alimentare a amplificatorului operațional, ar trebui să utilizați circuitul din Fig. 16.42, b. În acest circuit, amplificatorul este alimentat de la o etapă suplimentară de stabilizare Rl, VD1, VD2 care asigură o tensiune de 24 V. Folosind acest circuit, se poate obține un coeficient de stabilizare mai mare de 2-10 4 la un curent de sarcină de 1 A.
Orez. 16.42
Orez. 16.43 Fig. 16.44
Stabilizator cu coeficient de stabilizare reglabil. Stabilizatorul (Fig. 16.43) are un coeficient de stabilizare mai mare de 10 5. În funcție de rezistența rezistenței R4 Coeficientul de stabilizare poate fi pozitiv sau negativ. Pentru a reduce puterea disipată de tranzistor VT3, rezistența se pornește R7. Rezistența acestui rezistor este determinată de curentul constant de sarcină. Curentul asociat cu schimbarea rezistenței de sarcină circulă prin tranzistor VT3.
Stabilizator de înaltă tensiune bazat pe amplificator operațional. Un stabilizator de tensiune de înaltă tensiune (Fig. 16.44) are un coeficient de stabilizare mai mare de 10 3. Este proiectat pentru curenți de până la 0,1 A. Un amplificator operațional este utilizat ca element de amplificare, a cărui tensiune de alimentare este ridicată la nivelul de 100 V. Pentru a preveni funcționarea defectuoasă a stabilizatorului, este de dorit să creșteți tensiunea de intrare. lin până la valoarea dorită.
Orez. 16.45
Stabilizator de înaltă tensiune. Stabilizatorul de înaltă tensiune (Fig. 16.45) are £00 V la ieșire Cu un curent de sarcină de 0,1 A, tensiunea de intrare ar trebui să fie de 300 V. Circuitul are un coeficient de stabilizare mai mare de 10 4. Acest lucru se realizează prin trei tipuri de atenuare a pulsațiilor. Folosind diode zener VD1 - VD3 tensiunea de referință este setată la 250 V. Pentru a reduce rezistența internă a diodelor zener, este inclus un condensator C1, care împreună cu un rezistor R1 formează un circuit de filtrare. Principalul circuit de stabilizare este amplificatorul operațional și tranzistoarele de control VT1Şi VT2. Folosind diode zener VD5Şi VD6 tensiunea la intrarea amplificatorului operațional scade la câțiva volți. La acest nivel, apar modificări ale tensiunii de ieșire. În acest interval se află și tensiunea de referință. Toate modificările tensiunii de ieșire sunt înmulțite cu câștigul amplificatorului operațional și sunt transmise la intrarea tranzistoarelor de control, care netezesc aceste modificări.
Stabilizatorii de tensiune de comutare au o eficiență ridicată. și dimensiuni reduse, astfel încât acestea sunt utilizate pe scară largă în sursele de energie secundare moderne. Diagrama schematicăÎn Fig. 4.19.
Orez. 19. Schema schematică a unui stabilizator de tensiune de impuls de tip serie bazat pe un amplificator operațional
Schema circuitului de măsurare este similară cu Fig. 4. 17, dar amplificatorul operațional nu este un amplificator, ci un comparator cu o caracteristică de releu în formă de buclă. Feedback-ul pozitiv, creând o caracteristică în formă de buclă, este realizat de rezistența R6, lățimea buclei este determinată de raportul dintre rezistențele rezistențelor R5 și R6. Rezistența rezistorului R6 este mult mai mare decât rezistența rezistorului R5, iar lățimea buclei este de câțiva milivolți. În mod convențional, caracteristica statică a comparatorului în raport cu tensiunea divizorului este prezentată în Fig. 4.20.
Orez. 4. 20. Caracteristicile statice ale comparatorului
Dacă tensiunea depăşeşte pragul superior U P2, atunci tensiunea comparatorului este minimă, dioda zener VD2 este închisă, tranzistoarele VT2 și VT1 sunt închise, tensiunea de ieșire scade în timp. Dacă tensiunea este mai mică decât pragul inferior U P1, atunci tensiunea comparatorului este maximă, dioda zener VD2 este spartă, tranzistoarele VT2 și VT1 sunt deschise, tensiunea de ieșire crește în timp. Apar auto-oscilații de tensiune U 2 raportat la valoarea . Deoarece bucla comparatorului este foarte îngustă, abaterile de tensiune U 2 sunt considerate acceptabile. În fig. Fig. 4. 21 prezintă diagrame temporale ale modificărilor tensiunilor SCV pentru două valori ale tensiunii de intrare.
Orez. 4. 21. Diagrame de timp ale tensiunilor SSC pulsate
Reducerea tensiunii U 1 a dus la o creștere a duratei impulsului de tensiune U K(4.creșterea timpului deschis al tranzistorului VT1) și scăderea duratei pauzei. S-a schimbat și perioada de repetare a pulsului. Gama de tensiune U 2 depășește zona limitată de valorile de prag din cauza proceselor oscilatorii din filtrul LC.
Prezența auto-oscilațiilor în tensiunea de ieșire este un dezavantaj stabilizatoare de puls tensiune, dar aceasta nu are practic niciun efect asupra funcționării consumatorilor alimentați de stabilizator, iar avantajele reglării impulsului sunt semnificative. Trebuie remarcat faptul că, deoarece tranzistoarele VT1 și VT2 au o conductivitate diferită, este nevoie de un circuit de declanșare VD4, R9, care funcționează în același mod ca într-un circuit secvenţial VS pe tranzistoare de conductivitate diferită.
Deci, circuitul celui mai simplu stabilizator de tensiune de compensare este prezentat în figura din dreapta.
Denumiri:
- I R - curent prin rezistorul de balast (R 0)
- I st - curent prin dioda zener
- I n - curent de sarcină
- Iin - curent de intrare amplificator operațional
- I d - curent prin rezistorul R 2
- Uin - tensiune de intrare
- U out - tensiune de ieșire (cădere de tensiune pe sarcină)
- U st - căderea de tensiune pe dioda zener
- U d - tensiune eliminată din divizorul rezistiv (R 1, R 2)
- U op-amp - tensiunea de ieșire a amplificatorului operațional
- U be - căderea de tensiune pe suprafață joncțiune p-n tranzistor bază-emițător
De ce se numește un astfel de stabilizator compensație și care sunt avantajele acestuia? De fapt, un astfel de stabilizator este un sistem de control cu feedback negativ de tensiune, dar pentru cei care nu știu ce este, vom începe de departe.
După cum vă amintiți, un amplificator operațional amplifică diferența de tensiune dintre intrările sale. Tensiunea la intrarea neinversoare este egală cu tensiunea de stabilizare a diodei zener (U st). Intrării inversoare furnizăm o parte din tensiunea de ieșire luată de la divizor (U d), adică acolo avem o tensiune de ieșire împărțită la un anumit coeficient determinat de rezistențele R 1, R 2. Diferența dintre aceste tensiuni (U st -U d) este un semnal de eroare, arată cât de mult diferă tensiunea de la divizor de tensiunea de pe dioda zener (să notăm această diferență cu litera E).
Mai mult, tensiunea de ieșire a amplificatorului operațional este egală cu E*K ou, unde K ou este câștigul amplificatorului operațional cu o buclă de feedback deschisă (în literatura engleză G openloop). Tensiunea pe sarcină este egală cu diferența dintre tensiunea de la ieșirea amplificatorului operațional și căderea de tensiune pe joncțiunea p-n emițător-bază a tranzistorului.
Din punct de vedere matematic, tot ceea ce am vorbit mai sus arată astfel:
U out =U ou -U fie =E*K sau -U fi (1)
E=U st -U d (2)
Să aruncăm o privire mai atentă la prima ecuație și să o transformăm în această formă:
E=U out / K ou + U fi / K ou
Acum să ne amintim - care este principala caracteristică a amplificatoarelor operaționale și de ce toată lumea le iubește atât de mult? Așa e, principala lor caracteristică este un câștig uriaș, de ordinul a 10 6 sau mai mult (pentru un op-amp ideal este în general egal cu infinitul). Ce ne oferă asta? După cum puteți vedea, în partea dreaptă a ultimei ecuații, ambii termeni au K ou în divizor și, deoarece K ou este foarte, foarte mare, prin urmare, ambii acești termeni sunt foarte foarte mici (cu un amplificator operațional ideal, ei tind la zero). Adică, circuitul nostru în timpul funcționării tinde către o stare în care semnalul de eroare este zero. Putem spune că amplificatorul operațional compară tensiunile la intrările sale și dacă acestea diferă (dacă există o eroare), atunci tensiunea la ieșirea amplificatorului operațional se modifică astfel încât diferența de tensiune la intrările sale devine zero. Cu alte cuvinte, el caută să compenseze eroarea. De aici și numele stabilizatorului - compensare.
0=U st -U d (2*)
Ud, după cum ne amintim, face parte din tensiunea de ieșire îndepărtată de la divizor între rezistențele R1, R2. Dacă ne calculăm divizorul, fără a uita de curentul de intrare al amplificatorului operațional, obținem:
iar după înlocuirea acestei expresii în ecuația (2*), putem scrie următoarea formulă (3) pentru tensiunea de ieșire:
Curentul de intrare al amplificatorului operațional este de obicei foarte mic (micro, nano și chiar picoamperi), prin urmare, cu un curent I d suficient de mare, putem presupune că curentul din ambele brațe ale divizorului este același și egal cu I d , termenul din dreapta al formulei (3) poate fi considerat egal cu zero și rescrieți formula (3) după cum urmează:
U out =U st (R 1 +R 2)/R 2 (3*)
La calcularea rezistențelor R1, R2, este necesar să ne amintim că formula (3*) este valabilă numai atunci când curentul prin rezistențele divizorului este mult mai mare decât curentul de intrare al amplificatorului operațional. Valoarea lui Id poate fi estimată folosind formulele:
I d =U st /R 2 sau I d =U out /(R 1 +R 2).
Acum să evaluăm zona funcţionare normală stabilizatorul nostru, calculați R0 și gândiți-vă la ceea ce va afecta stabilitatea tensiunii de ieșire.
După cum se poate observa din ultima formulă, numai stabilitatea tensiunii de referință poate avea un impact semnificativ asupra stabilității Uout. Tensiunea de referință este cea cu care comparăm o parte din tensiunea de ieșire, adică este tensiunea pe dioda Zener. Vom considera că rezistența rezistențelor este independentă de curentul care trece prin ele (nu avem în vedere instabilitatea temperaturii). Dependența tensiunii de ieșire de scăderea tensiunii la joncțiunea p-n a tranzistorului (care este slabă, dar depinde de curent), ca și în cazul cu , dispare de asemenea (amintiți-vă când am calculat eroarea din prima formulă - am a împărțit căderea de la joncțiunea BE a tranzistorului la K ou și a calculat această expresie egală cu zero datorită câștigului foarte mare al amplificatorului operațional).
Din cele de mai sus rezultă că principala modalitate de a crește stabilitatea aici este creșterea stabilității sursei de tensiune de referință. Pentru a face acest lucru, puteți fie să restrângeți domeniul de funcționare normală (reduceți intervalul de tensiune de intrare a circuitului, ceea ce va duce la o modificare mai mică a curentului prin dioda Zener), fie să luați un stabilizator integrat în locul diodei Zener. În plus, vă puteți aminti despre simplificările noastre, apoi apar mai multe moduri: luați un amplificator operațional cu un câștig mai mare și un curent de intrare mai mic (acest lucru va face, de asemenea, posibilă luarea de rezistențe divizor cu o valoare mai mare - eficiența va crește) .
Bine, să revenim la zona de funcționare normală și la calculul lui R 0 . Pentru funcționarea normală a circuitului, curentul diodei Zener trebuie să fie în intervalul de la Ist min la Ist max. Curentul minim al diodei Zener va fi la tensiunea de intrare minimă, adică:
U în min =I R *R 0 +U st, unde I R =I st min +I in
Aici este similar - dacă curentul diodei Zener este mult mai mare decât curentul de intrare al amplificatorului operațional, atunci putem considera I R =I st min. Atunci formula noastră se va scrie sub forma U în min =I st min *R 0 +U st (4) și din ea putem exprima R 0:
R 0 =(U în min -U st)/I st min
Pe baza faptului că curentul maxim prin dioda zener va circula la tensiunea maximă de intrare, vom scrie o altă formulă: U în max =I st max *R 0 +U st (5) și combinând-o cu formula (4) găsim zona de operare normală:
Ei bine, așa cum am spus deja, dacă intervalul de tensiune de intrare rezultat este mai larg decât aveți nevoie, îl puteți restrânge, iar stabilitatea tensiunii de ieșire va crește (prin creșterea stabilității tensiunii de referință).
