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

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 , . Этот сигнал усиливается в схеме сравнения и воздействует на регулирующий элемент РЭ, включенный параллельно нагрузке. Ток регулирующего элемента  изменяется. Вследствие этого 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.

Операционные усилители: назначение, область применения. Операционный усилитель с параллельной отрицательной обратной связью, примеры использования (интегратор, дифференциатор, инвертирующий усилитель, инвертор).

Операционный усилитель (ОУ) – универсальное усилительное устройство, изначально предназначенное для выполнения математических операций – отсюда 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 напряжений ,  симметричен в обеих полярностях и гарантированно перекрывает диапазон .

Основным свойством ОУ является его чувствительность к разности входных напряжений, а не к их абсолютным значениям. Вследствие этого 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 «идеален». Под идеальным ОУ понимается следующее:  – коэффициент усиления ОУ равен бесконечности; входное сопротивление ; выходное сопротивление ; коэффициент подавления синфазного входного напряжения равен ∞. Понятно, что с таким коэффициентом усиления ОУ неприменим. 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.

На рис. 2 представлена схема с ОУ, охваченным параллельной отрицательной обратной связью.

Рис.2. 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.3. На рис.3а представлена схема инвертора или схема умножения входного напряжения на . Это достигается тем, резисторы . На рис.3б представлена схема дифференциатора. Поскольку , а , который в то же время равен  (инвертирующий вход виртуально заземлен), то , .

На рис.3в 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.3г, 3д представлены схемы интеграторов входного напряжения. Для схемы на рис.3г справедливо

, , , .

Аналогично имеем для схемы на рисунке 3д

, , .

На рис.3е 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.3ж 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.3з 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.3. Схемы на основе ОУ с параллельной ООС

Основные параметры операционных усилителей: основные параметры, коэффициент усиления, коэффициент подавления синфазной составляющей, входное и выходное сопротивления, напряжение питания. Операционный усилитель с последовательной отрицательной обратной связью, примеры использования (повторитель, сумматор, дифференциальный усилитель).

Операционный усилитель (ОУ) – универсальное усилительное устройство, изначально предназначенное для выполнения математических операций – откуда и его 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 напряжений ,  симметричен в обеих полярностях и гарантированно перекрывает диапазон .

Основным свойством ОУ является его чувствительность к разности входных напряжений, а не к их абсолютным значениям. Вследствие этого 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 «идеален». Под идеальным ОУ понимается следующее:  – коэффициент усиления ОУ равен бесконечности; входное сопротивление ; выходное сопротивление ; коэффициент подавления синфазного входного напряжения равен ∞. Понятно, что с таким коэффициентом усиления ОУ неприменим. 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.

На рис. 2 представлена схема с ОУ, охваченным параллельной отрицательной обратной связью.

Рис.2. 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 , .

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

Рис.3. 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 ОУ. Несколько схем включения ОУ с последовательной ОС представлено на рис. 4.

На рис.4а представлена схема сумматора. Напряжение , а напряжение  находится следующим образом

,

где .

Рис.4. Схемы на основе ОУ с последовательной ООС

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

.

На рисунке 4б представлена схема повторителя. , . Достоинством схемы является высокое входное сопротивление  и низкое выходное сопротивление . Схема используется для обеспечения высокого входного и низкого выходного сопротивлений. Недостатком схем с последовательной ООС является высокий уровень синфазного напряжения, равный напряжению на неинвертирующем вход.