Стабилизаторы постоянного напряжения, область применения, параметрические и компенсационные стабилизаторы, описание их работы.

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 8Следующая ⇒

Практически все электрические схемы промышленной электроники требуют стабильного источника напряжения, в котором выходное напряжение остается неизменным, несмотря на изменение входного напряжения или изменения нагрузки. Для этих целей используются стабилизаторы напряжения. Существуют параметрические и компенсационные стабилизаторы. Первые основаны на использовании нелинейных элементов, как правило, стабилитронов. Последние основаны на автоматическом регулировании выходного напряжения.

В параметрическом стабилизаторе напряжения используется нелинейная зависимость тока от напряжения полупроводникового стабилитрона. Типовая вольт-амперная характеристика стабилитрона представлена на рис. 1а, а схема параметрического стабилизатора на рис. 1б.

Рис.1. Вольтамперная характеристика стабилитрона – а), схема параметрического стабилизатора – б)

В данной схеме – балластный резистор, который выбирается из следующих соображений:

где – входное минимальное напряжение;

– напряжение стабилизации, оно же напряжение на нагрузке;

– максимальный ток нагрузки;

– минимальный ток стабилитрона.

Найдем коэффициент подавления пульсаций входного напряжения:

Пусть в исходном состоянии напряжение на входе , тогда

или .

Если входное напряжение, например, увеличилось на напряжение , тогда можно записать

Вычитая из предыдущего равенства последнее, получаем:

где r – динамическое сопротивление стабилитрона, справочная величина. Тогда

, , следовательно .

Найдем выходное сопротивление параметрического стабилизатора. Пусть ток нагрузки изменится на , тогда

, ,

, .

Таким образом, выходное сопротивление стабилизатора определяется динамическим сопротивлением стабилитрона.

Существуют две схемы компенсационных стабилизаторов напряжения: с последовательным и параллельным регулирующим элементом, функциональные схемы которых представлены на рис. 2.

На схемах приняты следующие обозначения: РЭ – регулирующий элемент; СС – схема сравнения; ИОН – источник опорного напряжения; , – резистивный делитель; – сопротивление нагрузки.

Рис.2. Функциональные схемы компенсационных стабилизаторов: а) с последовательным регулирующим элементом; б) с параллельным регулирующим элементом.

В стабилизаторах с последовательным РЭ он включен последовательно с источником входного напряжения и нагрузкой . Если по какой-либо причине (например, из-за нестабильности или при изменении ) выходное напряжение отклонилось от своего номинального значения, то разность между опорным напряжением и напряжением с делителя , изменяется. В схеме сравнения она усиливается и воздействует на регулирующий элемент. При этом сопротивление регулирующего элемента автоматически изменяется и напряжение распределяется между РЭ и таким образом, чтобы компенсировать произошедшее изменение на нагрузке.

В схеме компенсационного стабилизатора с параллельным РЭ при отклонении выходного напряжения от номинального выделяется сигнал, равный разности опорного напряжения и напряжения с делителя , , усиливается в схеме сравнения и воздействует на регулирующий элемент РЭ, включенный параллельно нагрузке. Ток регулирующего элемента изменяется. Поэтому на балластном резисторе , включенном последовательно с сопротивлением нагрузки , изменяется падение напряжения, а напряжение на выходе остается стабильным.

Наиболее часто используются стабилизаторы с последовательным регулирующим элементом, а стабилизаторы с параллельным РЭ используются в основном как замена стабилитронов.

7. Операционные усилители: назначение, область применения. Основные параметры: коэффициент усиления дифференциального напряжения, коэффициент усиления синфазного напряжения, входное и выходное сопротивления. Понятие идеального операционного усилителя, примеры использования.

Операционный усилитель (ОУ) – универсальное усилительное устройство, изначально предназначенное для выполнения математических операций – откуда и название операционный. Графическое обозначение ОУ дано на рис.1.

Рис.1. Графическое обозначение ОУ, – коэффициент усиления ОУ

Кроме отмеченных выводов схемы ОУ имеют еще выводы питания, при необходимости, выводы частотной коррекции, балансировки, задания тока потребления и пр.

Абсолютные значения трех сигнальных напряжений, отсчитываемых относительно общего вывода питания, находятся в пределах питающих напряжений. Как правило, напряжения питания , . При этом размах выходного напряжения , и входных , симметричен в обеих полярностях и гарантированно перекрывает диапазон .

Основным свойством ОУ является чувствительность только к разности входных напряжений и не зависит от их абсолютных значений. Откуда вводятся два понятия: синфазное входное напряжение (общая составляющая напряжений на входах, которая должна подавляться) и дифференциальное входное напряжение , на которое усилитель реагирует. Будем считать, что , .

Для понимания работы схем с использованием ОУ полагают, что ОУ «идеальный». Под идеальным ОУ понимается следующее: – коэффициент усиления ОУ равен бесконечности; входное сопротивление ; ; коэффициент подавления синфазного входного напряжения равен ∞. Понятно, что с таким коэффициентом усиления ОУ никому не нужен. Поэтому он предназначен для работы с глубокой отрицательной обратной связью. Различают два вида широко используемой обратной связи в схемах с ОУ. Это параллельная и последовательная отрицательные обратные связи.

Схема с ОУ, охваченным параллельной отрицательной обратной связью, представлена на рис. 2.

Рис.2. Параллельная отрицательная обратная связь

Схема ОУ с последовательной отрицательной обратной связью представлена на рис. 3.

Рис.3. Последовательная отрицательная ОС

8. Операционный усилитель с параллельной отрицательной обратной связью, примеры использования (интегратор, дифференциатор, инвертирующий усилитель, инвертор).

Схема с ОУ, охваченным параллельной отрицательной обратной связью, представлена на рис. 1.

Рис.1. Параллельная отрицательная обратная связь

Из свойств идеального ОУ вытекает, что разность между инвертирующим и неинвертирующим входами чрезвычайно мала и входы можно считать виртуально (квази) закороченными. Выходное напряжение для данной схемы можно найти из следующих соображений. Поскольку инвертирующий вход – точка суммирования, находится под нулевым потенциалом, то ток, протекающий по резистору , является входным током, который будет определяться следующим соотношением , а выходное напряжение , откуда коэффициент усиления схемы с параллельной ООС будет равен , то есть определяется не свойствами ОУ, а элементами ОС , .

Рассмотрим ряд схем, реализованных на основе ОУ с параллельной ООС, представленных на рис.2. На рис.2а представлена схема инвертора или схема умножения входного напряжения на . Это достигается тем, резисторы . На рис.2б представлена схема дифференциатора. Поскольку , а , который в то же время равен (инвертирующий вход виртуально заземлен), то , .

На рис.2в представлена схема дифференциатора с использованием индуктивности L. Для нее справедливо , то есть, как и в схеме с использованием конденсатора, выходное напряжение пропорционально производной от входного. На рис.2г, 2д представлены схемы интеграторов входного напряжения. Для схемы на рис.2г справедливо

, , , .

Аналогично имеем для схемы на рисунке 3д

, , .

На рис.2е представлен преобразователь ток-напряжение. В данной схеме источник тока виртуально заземлен (схема имеет неоспоримые преимущества по сравнению с преобразователями ток-напряжение на основе низкоомных резисторов-шунтов). Выходное напряжение пропорционально входному току. Коэффициент пропорциональности – сопротивление . На рис.2ж представлена схема сумматора. Здесь в точке суммирования складываются входные токи, протекающие по входным резисторам. Суммарный ток протекает по резистору обратной связи и создает выходное напряжение.

На рис.2з представлен дифференциальный усилитель. Выходное напряжение схемы пропорционально разности .

Некоторым недостатком схем с параллельной ООС является невысокое входное сопротивление, определяемое входным сопротивлением .

Достоинство данных схем состоит в том, что отсутствует синфазная составляющая входного сигнала. Неинвертирующий вход заземлен .

Рис.2. Схемы на основе ОУ с параллельной ООС

9. ОУ с последовательной отрицательной обратной связью, примеры использования (повторитель, сумматор, дифференциальный усилитель).

Рис.1. Графическое обозначение ОУ, – коэффициент усиления ОУ

Схема ОУ с последовательной отрицательной обратной связью представлена на рис. 2.

Рис.2. Последовательная отрицательная ОС

В данной схеме часть выходного напряжения передается на инвертирующий вход через делитель , . Напряжение на инвертирующем входе равно

Напряжение на неинвертирующем входе равно . Поскольку входы ОУ виртуально заземлены , то справедливо равенство

, ,

откуда

, .

Таким образом, коэффициент усиления схемы определяется, как и прежде, только соотношением сопротивлений резисторов , и не зависит от свойств от ОУ. Несколько схем включения ОУ с последовательной ОС представлено на рис. 3.

На рис.3а представлена схема сумматора. Напряжение , а напряжение находится следующим образом

где .

Рис.3. Схемы на основе ОУ с последовательной ООС

Таким образом, выходное напряжение представляет собой сумму входных, взятых с определенным весовым коэффициентом.

На рисунке 3б представлена схема повторителя. , . Достоинством схемы является высокое входное сопротивление и низкое выходное сопротивление . Схема используется для согласования источников напряжения с высоким и нестабильным выходным сопротивлением.

Простейшая схема дифференциального усилителя представлена на рис.4.

Рис.4. Дифференциальный усилитель на основе одного ОУ

В данной схеме входные напряжения подаются на два входа ОУ.

При определенных соотношениях резисторов коэффициенты при и будут одинаковыми. Это справедливо при выполнении равенства

или

Тогда для простоты , , коэффициент усиления .

К достоинствам схемы следует отнести простоту.

К недостаткам относятся: высокие требования к согласованию сопротивлений резисторов; невозможность подстройки коэффициента усиления одним резистором; разное входное сопротивление для источников и .

Недостатком схем с последовательной ООС является высокий уровень синфазного напряжения, равный напряжению на неинвертирующем входе.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 Следующая ⇒