Стабилизатор напряжения на ОУ | HomeElectronics

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассматривал RC генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний на ОУ. В данной статье я рассмотрю стабилизаторы напряжения, в основе которых лежат операционные усилители. Основное преимущество ОУ при использовании их в стабилизаторах напряжения является то, что ОУ обладает большим коэффициентом усиления (несколько десятков тысяч). Поэтому они позволяют получить нестабильность выходного напряжения порядка 0,001 %.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Основная схема компенсационного стабилизатора напряжения

Большинство современной силовой электроники представлено импульсными источниками питания, которые обладают высоким КПД и небольшими габаритными размерами. Однако линейные стабилизаторы напряжения также находят своё применение, прежде всего в устройствах небольшой мощности, а также в схемах, где не желательны импульсные помехи.

Как известно линейные источники питания разделяются на последовательные и параллельные в зависимости от схемы подсоединения регулирующего элемента относительно выхода. Наибольшее распространение получили последовательные стабилизаторы, так как могут обеспечить КПД и стабилизацию больше чем параллельные, из основных достоинств которых является возможность перегрузки по току и способность выдерживать короткое замыкание.

Кроме схемы подключения регулирующего элемента, стабилизаторы напряжения классифицируются по способу регулирования выходного напряжения: параметрические и компенсационные. Работа параметрических стабилизаторов основана на нелинейных свойствах регулирующих элементах, то есть при значительном изменении тока протекающего через него падение напряжения на регулирующем элементе мало изменяется. Такие стабилизаторы применяются в схемах небольшой мощности до нескольких ватт. Наибольшее распространение получили схемы последовательных стабилизаторов компенсационного типа, структурная схема, которого представлена ниже

Структурная схема компенсационного стабилизатора последовательного типа.

В одной из статей я рассказывал о компенсационных стабилизаторах напряжения, выполненных на транзисторах, поэтому напомню принцип его работы. Схема состоит из чётырёх основных частей: источник образцового напряжения И, элемента сравнения ЭС, усилительного элемента У и регулирующего элемента Р. Элемент сравнения сравнивает выходное напряжение U1 с напряжение вырабатываемым источником образцового напряжения и выдаёт ошибку сравнения на усилительный элемент, где происходит усиление ошибки сравнения и вырабатывается управляющий сигнал для регулирующего элемента.

Довольно часто в простых схемах происходит объединение элемента сравнения и усилителя (а иногда и регулирующего элемента в слаботочных схемах) в одно устройство. В современных схемах функции элемента сравнения и усилителя выполняют на ОУ.

Схема стабилизатора напряжения на ОУ

Для построения стабилизатора напряжения используется масштабирующий усилитель на ОУ в неивертирующем включении. Схема такого стабилизатора напряжения показана ниже

Схема стабилизатора напряжения на ОУ.

Схема состоит из ОУ DA1, резисторов обратной связи R1 и R2 и источника опорного напряжения U_ОП. Выходное напряжение будет определяться известной формулой для неинвертирующего усилителя

Таким образом, качество стабилизатора напряжения будет определяться качеством источника опорного напряжения, так как ОУ даже с очень хорошими параметрами и высоким коэффициентом усиления не может обеспечить стабильность выходного напряжения.

Существует несколько видов источников опорного напряжения: стабилитрон, источник опорного напряжения со стабилизатором тока и интегральные стабилизаторы напряжения. Рассмотрим их по отдельности.

Использование стабилитрона в качестве источника опорного напряжения

Стабилитрон широко используется практически во всех стабилизаторах напряжения, так как имеет нелинейную вольт-амперную характеристику, что позволяет при широком изменении тока нагрузки практически оставаться стабильным выходному напряжению. Схема стабилизатора напряжения с использованием стабилитрона в качестве источника опорного напряжения показана ниже

Схема, иллюстрирующая использование стабилитрона в качестве источника опорного напряжения.

На данной схеме опорное напряжение задаётся параметрическим стабилизатором напряжения R1VD1, что даёт удовлетворительные результаты в большинстве практических случаях. При этом величина опорного напряжения соответствует величине напряжения стабилизации стабилитрона VD1, а разность между входным напряжением стабилизатора и опорным рассеивается на резисторе R1. Номиналы элементов параметрического стабилизатора выбираются из следующих соотношений

где U_CT – напряжение стабилизации стабилитрона,

I_СТ – номинальный ток стабилизации стабилитрона.

Схема с использование стабилитрона в качестве источника опорного напряжения обеспечивает умеренный уровень стабилизации, составляющий доли процента (обычно 0,1…0,05%), значительно лучшие показатели обеспечиваются, если вместо гасящего резистора R1 применить стабилизатор тока.

Использование стабилизатора тока в источнике опорного напряжения

Достаточно часто стабилизаторы напряжения используются в схемах, где входящие нестабилизированное напряжение может изменяться в пределах нескольких вольт, а иногда и выше. Данное условие приводит к тому, что в схеме параметрического стабилизатора R1VD1, показанного на рисунке выше, приводит к изменению тока проходящего через стабилитрон, тем самым изменяя его напряжение стабилизации в пределах долей вольта. Для недопущения таких изменений в схему источника опорного напряжения вводят стабилизатор тока. Схема стабилизатора напряжения на ОУ со стабилизатором тока в цепи опорного напряжения приведена ниже

Стабилизатор напряжения на ОУ со стабилизатором тока в цепи опорного напряжения.

В данной схеме вместо гасящего резистора параметрического стабилизатора введён стабилизатор тока R1VD1VT1R2, что позволяет свести колебания тока стабилизации стабилитрона VD2 к нескольким процентам, при колебании входящего нестабилизированного напряжения в пределах десятков процентов. В итоге коэффициент стабилизации источника опорного напряжения достигнет нескольких сотен, в то время как стабилизации обычного параметрического стабилизатора напряжения едва достигает нескольких десятков.

Ещё одним применение данной схемы является регулируемый источник опорного напряжения. Для этого достаточно заменить стабилитрон VD2 переменным резистором, что позволяет при постоянном токе, задаваемым стабилизатором тока, изменяя сопротивление переменного резистора в широких пределах регулировать опорное напряжение, тем самым регулирую выходное напряжение стабилизатора тока.

Регулируемый стабилизатор напряжения на ОУ.

Однако данная схема не может обеспечить такой же стабильности, как схемы на стабилитронах описанные выше, поэтому она применяется крайне редко.

Наибольшую стабильность позволяют получить схемы, где в качестве источников опорного напряжения применяются интегральные стабилизаторы напряжения.

Использование интегральных стабилизаторов напряжения в качестве источников опорного напряжения

Интегральные стабилизаторы напряжения, выпускаемые промышленностью в настоящее время, имеет широкую номенклатуру изделий, и характеризуются высокими техническими параметрами. Так, например, широко применяемая микросхема стабилизатора напряжений серии КР142ЕН выпускаются на различные стабилизируемые напряжения от 5 до 30 В, имеют коэффициент нестабильности по напряжения не менее 0,1 %/В, а коэффициент сглаживания пульсаций не менее 30 дБ. Поэтому они наилучшим образом подходят в качестве источников опорного напряжения в мощных линейных стабилизаторах напряжения. Схема использования их в качестве опорных источников напряжения показана ниже

Использование интегральных стабилизаторов напряжения в качестве источника опорного напряжения.

Согласно технической документации микросхемы типа КР142ЕНхх на вход и выход необходимо включить конденсаторы: С1 ≥ 2,2 мкФ, С2 ≥ 1 мкФ.

При использовании интегральных стабилизаторов достаточно просто реализовать регулируемый стабилизатор напряжения, для этого достаточно поставить на выходе источника опорного напряжения переменный резистор, со среднего отвода которого снимать напряжение на операционный усилитель

Регулируемый стабилизатор напряжения с интегральным стабилизатором в качестве опорного напряжения.

Вышеописанные схемы стабилизаторов напряжения на ОУ позволяют получить очень хорошие показатели стабильности выходного напряжения. Однако ОУ не могут обеспечить достаточно большой выходной ток (обычно несколько десятков мА), поэтому выходная мощность ограничена долями ваттами, в зависимости от выходного напряжения.

Для того чтобы такие стабилизаторы отдавали больше мощности необходимо на его выходе включить каскад усилителя мощности в виде транзистора.

Увеличение выходной мощности стабилизатора напряжения

Для того чтобы такие стабилизаторы отдавали больше мощности необходимо на его выходе включить каскад усилителя мощности в виде транзистора или нескольких параллельно-последовательных транзисторов, который иногда называют бустером выходного тока. Простейшая схема стабилизатора напряжения на ОУ с бустерным каскадом показана ниже

Стабилизатор напряжения на ОУ с выходным бустерным каскадом.

В схеме стабилизатора напряжения для увеличения выходной мощности включён бустерный каскад на транзисторе VT1. Для ограничения максимального выходного тока ОУ введён резистор R2, который может быть определён по следующему выражению

где U_КЭнас – напряжение насыщения коллектор-эмиттер бустерного транзистора,

I_{ВЫХ.МАХ} – предельный выходной ток ОУ.

Иногда возникает ситуация когда усиления одного транзистора не хватает для требуемой выходной мощности, поэтому применяют составные транзисторы по схеме Дарлингтона или Шиклаи для увеличения коэффициента усиления по току.

Схемы с одним бустерным транзистором или транзистором Дарлингтона обычно используют для получения выходных токов стабилизатора до нескольких ампер. При необходимости выходного тока большего значения выходной транзистор составляют из нескольких параллельных для увеличения отдаваемой мощности.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Применение операционных усилителей. Часть 1. Регулирование тока нагрузки на примере светодиодного драйвера

Как известно, — для питания светодиодов требуется стабильный ток. Устройство, способное питать светодиоды стабильным током, называется драйвером светодиодов. Эта статья посвящена изготовлению такого драйвера с использованием операционного усилителя.

Итак, главная идея заключается в том, чтобы стабилизировать падение напряжения на резисторе известного номинала (в нашем случае — R₃), включенном в цепь последовательно с нагрузкой (светодиодом). Поскольку резистор включен последовательно со светодиодом, то через них протекает одинаковый ток. Если этот резистор подобран таким образом, что он практически не нагревается, то и сопротивление его будет неизменным. Таким образом, стабилизировав падение напряжения на нём, мы стабилизируем и ток через него и, соответственно ток через светодиод.

Причём же здесь операционный усилитель? Да при том, что одним из его замечательных свойств является то, что ОУ стремится к такому состоянию, когда разность напряжений на его входах равна нулю. И делает он это путём изменения своего выходного напряжения. Если разность U

1-U₂ положительна — выходное напряжение будет возрастать, а если отрицательна — уменьшаться.

Представим, что наша схема находится в некоем равновесном состоянии, когда напряжение на выходе ОУ равно Uвых. При этом через нагрузку и резистор протекает ток I_н. Если по каким либо причинам ток в цепи возрастёт (например, если под действием нагрева уменьшится сопротивление светодиода), то это вызовет увеличение падения напряжения на резисторе R₃ и, соответственно, увеличение напряжения на инвертирующем входе ОУ. Между входами ОУ появится отрицательная разность напряжений (ошибка), стремясь скомпенсировать которую, операционник будет уменьшать выходное напряжение. Он будет делать это до тех пор, пока напряжения на его входах не станут равными, т.е. пока падение напряжения на резисторе R

3 не станет равным напряжению на неинвертирующем входе ОУ.

Таким образом, вся задача свелась к тому, чтобы стабилизировать напряжение на неинверирующем входе ОУ. Если вся схема питается стабильным напряжением U_п, то для этого достаточно простого делителя (как на схеме 1). Раз делитель подключен к стабильному напряжению, то и выход делителя тоже будет стабильным.

Расчёты: Для расчётов выберем реальный пример: пусть мы хотим запитать два сверхъярких светодиода подсветки сотового телефона Nokia от напряжения Uп=12В (отличный фонарик в машину). Нам нужно получить ток через каждый светодиод 20 мА и при этом у нас имеется выковырянный с материнской платы сдвоенный операционный усилитель LM833. При таком токе наши светодиоды светят гораздо ярче, чем в телефоне, но сгорать и не собираются, значительный нагрев начинается где-то ближе к 30 мА. Расчёт будем вести для одного канала операционника, т.к. для второго он абсолютно аналогичен.

напряжение на неинвертирующем входе: U₁=U_п*R₂/(R₁+R₂)

напряжение на инвертирующем входе: U₂=I_н*R₃

из условия равенства напряжений в состоянии равновесия:

U₁=U₂ => I_н=U_п*R₂/R₃*1/(R₁+R₂)

Как выбирать номиналы элементов? Во-первых, выражение для U1 справедливо только в том случае, если входной ток операционного усилителя = 0. То есть для идеального операционного усилителя. Чтобы можно было не учитывать входной ток реального ОУ, ток через делитель должен быть по крайней мере раз в 100 больше, чем входной ток ОУ. Величину входного тока можно посмотреть в даташите, обычно для современных ОУ она может составлять от десятков пикоампер до сотен наноампер (для нашего случая input bias current max=1 мкА). То есть ток через делитель должен быть по меньшей мере 100..200 мкА. Во-вторых, с одной стороны — чем больше R3 — тем более наша схема чувствительна к изменению тока, но с другой стороны — увеличение R3 снижает КПД схемы, поскольку резистор рассеивает мощность, пропорциональную сопротивлению. Будем исходить из того, что мы не хотим падения напряжения на резисторе более 1В. (Вообще же, если хотят побороться за КПД, то R3 выбирают как можно меньше. Предел уменьшения R3 ограничен таким показателем операционника, как напряжение смещения нуля. Для нормальной работы ОУ, R3 выбирают таким, чтобы минимальное падение напряжения на нём было на пару порядков больше напряжения смещения нуля. Подробнее об этом показателе и его влиянии на работу ОУ читайте в статье про дифференциальный усилитель.)

Итак, пусть R1=47кОм, тогда с учётом того, что U1=U2=1В, из выражения для U1 получим R2=R1/(Uп/U1-1)=4,272 -> из стандартного ряда выбираем резистор на 4,3 кОм. Из выражения для U2 находим R3=U2/Iн=50 -> выбираем резистор на 47 Ом. Проверим ток через делитель: Iд=Uп/(R1+R2)=234 мкА, что вполне нас устраивает. Мощность, рассеиваемая на R3: P=I н2*R3=18,8 мВт, что тоже вполне приемлемо. Для сравнения, — самые обычные резисторы МЛТ-0,125 рассчитаны на 125 мВт.

Скачать плату (разводка под SMD)

Как уже было отмечено, описанная выше схема рассчитана на стабильное питание U_п. Что же делать, если питание НЕ стабильное. Самым простым решением является замена сопротивления R₂ делителя на стабилитрон. Что важно учитывать в этом случае?

Во-первых, важно чтобы стабилитрон мог работать во всем диапазоне напряжения питания. Если ток через R₁D₁ будет слишком маленьким — напряжение на стабилитроне будет значительно выше напряжения стабилизации, соответственно, выходное напряжение будет значительно выше требуемого и светодиод может сгореть. Итак, нужно, чтобы при U

п min ток через R₁D₁ был больше или равен I_{ст min} (минимальный ток стабилизации узнаём из даташита на стабилитрон).

R_{1 max} = (U_{п min}-U_ст)/I_{ст min}

Во-вторых, при максимальном напряжении питания ток через стабилитрон не должен быть выше I_{ст max} (наш стабилитрон не должен сгореть). То есть

R_{1 min} =(U_{п max}-U_ст)/I_{ст max}

И, наконец, в-третьих, напряжение на реальном стабилитроне не точно равно U

ст, — оно, в зависимости от тока, меняется от U_{ст min} до U_{ст max}. Соответственно, падение на резисторе R₃ тоже изменяется от U_{ст min} до U_{ст max}. Это так же следует учитывать, поскольку чем больше ΔU_ст — тем больше ошибка регулирования тока, в зависимости от напряжения питания.

Ну ладно, с небольшими токами разобрались, а что делать, если нам нужен ток через светодиод не 20, а 500 мА, что превышает возможности операционника? Тут тоже всё достаточно просто — выход можно умощнить с помощью обычного биполярного или полевого транзистора, все расчёты при этом остаются без изменений. Единственное очевидное условие — транзистор должен выдерживать требуемый ток и максимальное напряжение питания.

Ну вот, пожалуй и всё. Удачи! И ни в коем случае не выкидывайте старый радиохлам — у нас впереди ещё много прикольных штуковин.

Генератор пилообразного напряжения.Часть 2.Стабилизаторы тока

Всем доброго времени суток. В предыдущей статье я описывал простейший генератор пилообразного напряжения и приводил его расчет. Данная статья продолжает первую часть, сегодня вы узнаете, как улучшить параметры генераторов и какие для этого применяются схемы.

Как известно из предыдущей статьи основными параметрами для оценки качества генератора пилообразного напряжения являются коэффициент нелинейности и коэффициент использования напряжения питания. Первый коэффициент характеризует нестабильность тока, который заряжает конденсатор, поэтому для обеспечения коэффициента нелинейности ξ интегрирующие цепи наиболее линейный заряд конденсатора происходит в начальный период времени (примерно первые 10 % от времени заряда). Поэтому для лучшей линейности в простейших генераторах пилообразного напряжения с зарядным (или разрядным) резистором приходится использовать напряжение питания в несколько десятков раз выше, чем амплитуда выходного импульса.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Простой стабилизатор тока

Стабилизатор тока (источник тока, генератор тока) называется устройство, которое автоматически поддерживает заданный ток в нагрузке под действием дестабилизирующих факторов. В качестве основного элемента в генераторе тока в большинстве случаев используется биполярный транзистор. В простейшем случае схема представляет собой однокаскадный усилитель, который показан ниже

Простейшая схема стабилизатора тока.

Работает схема следующим образом. Делитель напряжения R1R2 создаёт на базе транзистора VT1 напряжение U_B, которое может быть представлено, как сумма напряжений U_BE (напряжение на переходе база-эмиттер) и U_E – напряжение на эмиттере VT1, тогда

[math]U_{E} = U_{B} — U_{BE}[/math]

При этом напряжение на базе выбирается в пределах U_B ≈ (0,3…0,5)* E_ПИТ

А ток эмиттера будет равен

[math]I_{E} = \frac{U_{E}}{R3} = \frac{U_{B} — U_{BE}}{R3}[/math]

Так как ток коллектора транзистора практически такой же, как и ток эмиттера, то, если ток эмиттера поддерживать постоянным, то ток коллектора также будет постоянным, несмотря на изменение напряжения на коллекторе. Данная схема является основой для различных источников постоянного тока. При расчёте данной схемы необходимо, чтобы ток делителя R1R2 был в 5…10 раз больше, чем базовый ток транзистора, то есть

[math]I_{R1R2} \ge (5…10)*I_{B} = \frac{(5..10)*I_{E}}{1 + h_{21e}}[/math]

Данная схема достаточно эффективна во многих случаях, но иногда возникают проблемы в связи с нестабильностью источника питания и по этой причине возможно изменение напряжения на базе транзистора U_B, как следствие и тока эмиттера I_E.

Расчёт простого стабилизатора тока

Необходимо рассчитать источник тока, обеспечивающий I_С = 10 мА, напряжение источника питания Е_ПИТ = 10 В.

1. Выберем транзистор типа КТ315 со следующими параметрами: U_CEmax = 30 В, I_Cmax = 100 mA, I_CBO = 1 mkA, f_h31e = 250 МГц, h_21e = 20…90 (примем h_21e = 50).
2. Рассчитаем сопротивление эмиттера R3[math]R3 = \frac{U_{E}}{I_{E}} = \frac{U_{B} — U_{BE}}{I_{E}}[/math]

   где U_BE = 0,6 – 0,8 B,

   [math]U_{B}=(0,3…0,5)*E_{PIT} = (0,3…0,5)*10 = 3…5 B[/math]

   Примем U_B = 3 В, тогда

   [math]R3 = \frac{3 — 0,7}{0,01} = 230 Om[/math]
3. Расчитаем сопротивление резисторов R1 и R2.[math]I_{R1R2} \ge (5…10)*I_{B} = \frac{(5..10)*I_{E}}{1 + h_{21e}} = \frac{(5..10)*0,01}{1 + 50} \approx 0,98…1,96 mA[/math]

   Примем I_R1R2 = 1 мА

   [math]R1 + R2 = \frac{E_{PIT}}{I_{R1R2}} = \frac{10}{0,001} = 10 kOm[/math]
   [math]\frac{R2}{R1 + R2} = \frac{U_{B}}{E_{PIT}} = \frac{3}{10} = 0,3[/math]
   [math]R2 = 10 * 0,3 = 3 kOm[/math]
   [math]R1 = 10 — 3 = 7 kOm[/math]

   Примем R1 = 6,8 кОм, R2 = 3,3 кОм

Стабилизатор тока с диодным смещением

Как указывалось выше простой стабилизатор тока вследствие нестабильности напряжения питания, может иметь невысокую стабильность тока коллектора, кроме того через делитель напряжения R1R2 протекает достаточно большой ток, что приводит к потере мощности. Поэтому для уменьшения влияния этих факторов применяется диодная стабилизация (или диодное смещение) напряжения на базе. Схема, иллюстрирующая диодное смещение приведена ниже

Стабилизатор тока с диодным смещением.

Работает данная схема, как и предыдущая, но с учётом того, что напряжение на базе транзистора VT1 создается стабилитроном. Расчёт данной схемы выполняется также как и предыдущей, только с учётом параметров стабилитрона, то есть напряжения стабилизации U_НОМ и ток стабилизации I_CT. При выборе стабилитрона источника тока необходимо руководствоваться следующими ограничениями

• максимальное напряжение стабилизации стабилитрона
  [math]U_{ST} \le \/E_{PIT} — I * R_{HMAX}[/math]
  где E_PIT – напряжение питания источника тока,
  I – расчётный ток источника тока
  R_Нmax – максимальное сопротивление коллекторной нагрузки.
• минимальное напряжение стабилизации не должно быть меньше, чем напряжение насыщение база-эмиттер[math]U_{ST} \ge \/U_{BE}[/math]

В данной схеме по возможности необходимо использовать стабилитроны с небольшим значением напряжения стабилизации, потому что при напряжении стабилизации стабилитрона(U_СТ.НОМ) близком к U_st уменьшается значение сопротивления резистора R1, что в свою очередь приводит к увеличению потребляемой мощности этим резистором.

Расчёт стабилизатора тока с диодным смещением

Необходимо рассчитать источник тока, обеспечивающий I_С = 10 мА на нагрузке Rн = 150 Ом, напряжение источника питания Е_ПИТ = 10 В.

1. Выберем транзистор типа КТ315 со следующими параметрами: U_CEmax = 30 В, I_Cmax = 100 mA, I_CBO = 1 mkA, f_h31e = 250 МГц, h_21e = 20…90 (примем h_21e = 50).
2. Выберем стабилитрон[math]U_{ST} \le \/E_{PIT} — I * R_{HMAX} = 10 — 0,01 * 150 = 10 — 1,5 = 8,5 B[/math]
   [math]U_{ST} \ge \/U_{BE}[/math]

   Выберем стабилитрон типа КС139Г со следующими параметрами U_ст.ном. = 3,9 В, I_ст.ном. = 5 мА.

3. Рассчитаем сопротивление резистора R1
   [math]R1 = \frac{E_{PIT} — U_{CT.HOM}}{I_{CT.HOM}}[/math]

   Примем R1 = 1,2 кОм

4. Рассчитаем сопротивление резистора R2
   [math]R2 = \frac{U_{E}}{I_{E}} = \frac{U_{ST} — U_{BE}}{I_{E}} = \frac{3,9 — 0,7}{0,01} = 320 Om[/math]

   Выберем R2 = 330 Ом

Токовое зеркало (отражатель тока)

Как указывалось выше, уменьшение напряжения стабилизации стабилитрона приводит к уменьшению потребляемого тока. Как известно минимальное напряжение на базе транзистора для его работы в качестве усилителя составляет U_BE = 0,7 В – падение напряжения на p-n переходе база-эмиттер. Чтобы обеспечить такое напряжение достаточно между базой и эмиттером транзистора включить обычный диод, но лучше всего использовать транзистор с закороченным коллекторным переходом, причём необходимо стараться подобрать пару транзисторов с очень близкими параметрами (h_21e, I_CBO и т.д.). Такая схема, показанная ниже, называется токовым зеркалом или отражателем тока

Схема токового зеркала (отражатель тока)

Рассмотрим работу схемы, основными элементами которой являются резистор R1 и транзисторы VT1 и VT2. Коллектор и база транзистора VT1 соединены, и поэтому данный транзистор выполняет роль диода. Коллекторный ток VT1 ограничен резистором R1, а как известно напряжение U_BE и ток эмиттера I_E транзистора связывает логарифмическая зависимость

[math]U_{BE} = U_{T} *ln (\frac{I_{E}}{I_{EO}})[/math]
[math]I_{E} \approx \/I_{C}[/math]

где U_T – напряжение на p-n переходе зависящее от температуры,
I_EO – обратный ток насыщения эмиттера.

Таким образом, если транзисторы VT1 и VT2 имеют одинаковые параметры, то падение напряжение U_BE транзистора VT1 вызовет такое же падение напряжения U_BE транзистора VT2, а следовательно и коллекторный ток транзистора VT2 будет примерно равным коллекторному току транзистора VT1. Таким образом, коллекторный ток VT2 с большой степенью точности задаётся («программируется») коллекторным током VT1.

[math]I_{CVT2} \approx \/I_{CVT1} = \frac{E_{PIT} — U_{BE}}{R1}[/math]

Генератор пилообразного напряжения со стабилизатором тока

От схем стабилизаторов тока пора перейти к применению стабилизаторов в генераторах пилообразного напряжения. Тут всё достаточно просто, необходимо вместо зарядного (разрядного) резистора вставить в схему стабилизатор тока. Для примера возьмём стабилизатор тока с диодным смещением и добавим его в схему простого генератора пилообразного напряжения. Получившаяся схема изображена ниже

Схема генератора пилообразного (линейно растущего) напряжения со стабилизатором тока.

Данная схема состоит из стабилизатора тока на транзисторе VT1, стабилитроне VD1 и резисторах R1, R2, а также разрядного транзистора VT2 и конденсатора C1.
Схемы генераторов пилообразного напряжения позволяют получить коэффициент нелинейности ξ ≤ 10 %, а коэффициент использования напряжения ε ≈ 0,9. Как же работает такая схема? Как известно VT1. То есть дифференциальное сопротивление коллектора будет очень высоким

[math]r_{K} = \frac{\DELTA \/U_{BC}}{\DELTA \/I_{C}}[/math]

в случае стабилизатора тока r_K ≈ 0,5…1 МОм.

После подачи питания Епит в схему, конденсатор C1 начинает заряжаться постоянным током I_С ≈ I_E = const, которой обеспечивается стабильным напряжением U_ST за счёт стабилитрона VD1

[math]I_{C} \approx \/I_{E} = \frac {U_{ST} — U_{BE}}{R2}[/math]

Таким образом, конденсатор зарядится до напряжения

[math]U_{0} = U_{BbIX} = E_{PIT} — R2 * I_{C}[/math]

которое будет являться выходным напряжением данной схемы генератора. После того как на вход схемы (базовый вывод VT2) приходит положительный импульс (U_BX > U_BbIX) транзистор VT2 насыщается и конденсатор C1 разряжается

Амплитуду выходного напряжения можно определить по следующей формуле

[math]U_{m} = \frac {I_{C} T_{P}}{C1} = \frac{h_{21b} E_{R2} T_{P}}{R2 C1} \approx \frac {E_{R2} T_{P}}{R2 C1}[/math]

Коэффициент нелинейности будет равен

[math]\xi = \frac{T_{p}}{r_{K} C1}[/math]

Таким образом, исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что данный генератор при работе на высокоомную нагрузку обеспечивает небольшой коэффициент нелинейности и большой коэффициент использования напряжения, который растёт с уменьшением напряжения стабилизации стабилитрона, а также обеспечивает большой диапазон длительности рабочего хода и небольшое время обратного хода.

Одним из недостатков данного типа генератора является то, что необходимо иметь запускающий импульс со значительным уровнем напряжения (U_BX > U_BbIX), а также транзисторы с разными типами проводимости.

В отличии от генератора линейно растущего напряжения, генератор линейно падающего напряжения можно собрать на транзисторах одного типа проводимости, что иногда имеет некоторое преимущество.

Генератор пилообразного (линейно падающего) напряжения со стабилизатором тока.

Расчёт номиналов элементов данной схемы ведётся идентично генератору линейно растущего напряжения.

Расчёт генератора пилообразного напряжения с токовым стабилизирующим элементом

Рассчитать параметры элементов схемы генератора пилообразного напряжения со стабилизатором тока, который обеспечивает следующие характеристики выходного сигнала: длительность рабочего хода Т_Р = 500 мкс, амплитуда выходного напряжения U_m = 5 В, напряжение питания схемы E_K = 10 В коэффициент нелинейности ξ = 1 %.

1. Определим ёмкость конденсатора С[math]C = \frac{T_{P}}{r_{K} \xi}[/math]

   где r_K – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода, r_K = ΔU_CB/ΔI_C. Для простейших расчётов можно полагать, что r_K = 0,5 … 1 Мом

   [math]C = \frac{0,0005}{(500000…1000000) * 0,01}=0,1…0,05 \mu F[/math]

   Выберем С1 = 51 нФ.

2. Найдём величину тока необходимого для обеспечения заданной амплитуды выходного импульса
   [math]I_{ST} = \frac {U_{m}*C1}{T_{P}} = \frac {5 * 51 * 10^{-9}}{0,0005} = 0,51 mA[/math]
3. Выберем и рассчитаем стабилизатор тока:
   • Выберем транзистор типа КТ315 со следующими параметрами: U_CEmax = 30 В, I_Cmax = 100 mA, I_CBO = 1 mkA, f_h31e = 250 МГц, h_21e = 20…90 (примем h_21e = 50).
   • Выберем стабилитрон
     [math]U_{ST} = E_{K} — U_{m} = 10 — 5 = 5 B[/math]
     [math]U_{ST} \ge \/U_{BE} = 0,7 B[/math]

     Выберем стабилитрон типа КС147 со следующими параметрами U_ст.ном. = 4,7 В, I_ст.ном. = 5 мА.

   • Рассчитаем сопротивление резистора R1
     [math]R3 = \frac{E_{K} — U_{CT.HOM}}{I_{CT.HOM}} = \frac{10 — 4,7}{0,005} = 1060 Om[/math]

     Примем R1 = 1 кОм

   • Рассчитаем сопротивление резистора R2
     [math]R2 = \frac{U_{CT.HOM} — U_{BE}}{I_{E}} = \frac{4,7 — 0,7}{0,00051} \approx 7843 Om[/math]

     Выберем R2 = 8,2 кОм

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Генераторы треугольных импульсов на ОУ

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказывал о мультивибраторе, который является генератором прямоугольных импульсов. Кроме прямоугольных импульсов в радиоэлектронике находят широкое применение импульсы с линейно-изменяющейся формой: треугольной и пилообразной. Они применяются в схемах ШИМ – контроллеров (широтно – импульсная модуляция сигнала), различных времязадающий схемах (таймерах) и так далее.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Основная схема генерирования линейно-нарастающего напряжения

Для понимания того как происходит формирование линейно-нарастающего напряжения вспомним как протекает переходный процесс в интегрирующих RC-цепях. Для этого изобразим схему заряда конденсатора некоторым током I

График заряда конденсатора.

Заряд Q конденсатора постоянным током I происходит за время t

В тоже время напряжение U_С на конденсаторе емкостью С определяется величиной заряда Q накопленного в конденсаторе

Таким образом, напряжение U_С на конденсаторе емкостью С, который заряжается током I будет определяться временем t

Так как значение емкости и тока постоянны, то напряжение, до которого зарядится конденсатор пропорционально времени, прошедшего с момента замыкания ключа. Таким образом, напряжение на конденсаторе U_С фактически является суммой напряжений за весь период t. Такое суммирование называется интегрированием, а схема, которая выполняет такую операцию, называется интегратором.

Интегратор на ОУ я рассматривал в одной из предыдущих статей и показан на рисунке ниже

Схема интегратора на операционном усилителе.

В данной схеме зарядный ток I конденсатора С1 определяется входным напряжением U_BX и резистором R1, тогда выходное напряжение будет вычисляться по следующей формуле

Знак «–» в выражении показывает то, что входной сигнал поступает на инвертирующий вход ОУ.

Описанный здесь интегратор, имеющий на выходе линейно-изменяющуюся форму напряжения, является основой для построения генераторов треугольного и пилообразного напряжений.

Генератор напряжения треугольной формы

Наиболее простой способ получения треугольных импульсов является схема содержащая триггер Шмитта и интегратор, причём выход триггера соединён с входом интегратора, а выход интегратора с входом триггера Шмитта. Несмотря на свою простоту, схема позволяет получить хорошие треугольные импульсы.

Генератор напряжения треугольной формы.

Данный генератор треугольного напряжения состоит из триггера Шмитта на ОУ DA1 и резисторах R1, R2 и R3, а также интегратора на ОУ DA2 и резисторах R4, R5 и конденсатора С1. Треугольные импульсы снимают с вывода «U_{ВЫХ 2}», кроме того с вывода «U_{ВЫХ 1}» можно снимать прямоугольные импульсы. Резисторы R3 и R5 служат для компенсации напряжения смещения ОУ и в случае, когда нет необходимости в сильной симметрии импульсов их можно заменить перемычками.

Для понимания принципа работы генератора треугольных импульсов рассмотрим график напряжений на его выводах U_{ВЫХ 1} и U_{ВЫХ 2}.

Графики выходных напряжений генератора треугольных импульсов: на выходе триггера Шмитта (верхний) и на выходе интегратора (нижний).

Допустим после подачи напряжения питания в схему на выходе триггера Шмитта (DA1) установилось напряжение положительного насыщения ОУ U_НАС+, тогда конденсатор С1 начинает заряжаться, а на выходе интегратора (DA2) напряжение начинает соответственно линейно падать. Так как выход интегратора и вход триггера объединены, то при достижении линейно-падающего напряжения уровня нижнего напряжения переключения триггера U_НП, то произойдёт переброс напряжения на его выходе до напряжения отрицательного насыщения ОУ U_НАС-, а коденсатор С1 начнёт разряжаться. По мере разряда конденсатора напряжение на выходе интегратора начнёт линейно расти до уровня напряжения верхнего переключения триггера Шмитта U_ВП, после достижения, которого выход триггера переключится до уровня напряжение положительного насыщения ОУ U_НАС+ и цикл зарядки – разрядки конденсатора С1, а следовательно и треугольного напряжения повторится.

Из выше сказанного можно сделать вывод, что амплитуда выходного треугольного напряжения, которое можно снимать с выхода ОУ DA2 (U_{ВЫХ 2}) будет равна величине гистерезиса триггера Шмитта

Таким образом регулируя величину гистерезиса триггера можно увеличивать или уменьшать амплитуду выходных импульсов треугольного напряжения.

Длительность треугольно импульса состоит из двух периодов: периода нарастания длительностью t_Н и периода спада напряжения длительностью t_С. Длительность этих периодов определяется следующими выражениями

Как известно пороговые уровни триггера Шмитта при опорном напряжении равном нулю (U_ОП = 0 В) определяются следующими выражениями

Тогда после несложных преобразований и замен получим выражение для длительности и частоты треугольного напряжения

Изменение частоты следования треугольных импульсов осуществляется с помощью резистора R4 (точная регулировка) и конденсатора C1 (грубо), хотя длительность импульсов также зависит от величины сопротивления резистора R4.

Стоит заметить, что максимальная частота следования импульсов ограничена параметрами ОУ, в частности скоростью нарастания выходного напряжения ОУ DA2 (интегратор) и максимальным выходным током ОУ DA1 (триггер Шмитта).

Генератор напряжения пилообразной формы

Генератор треугольного напряжения, выполненный по предыдущей схеме, легко преобразуется в генератор пилообразного напряжения. Для этого достаточно обеспечить разную длительность заряда и разряда конденсатора в схеме интегратора. Такие изменения показаны на рисунке ниже

Генератор колебаний пилообразной формы.

Как нетрудно заметить внесённые изменения касаются цепи заряда-разряда конденсатора С1 в интеграторе. Диоды VD1 и VD2 позволяют выполнять заряд-разряд конденсатора разными токами. При изображённой на схеме полярности включения диодов длительность разряда конденсатора С1, а следовательно и длительность линейно-возрастающего напряжения определяется величиной сопротивления резистора R4’, а длительность заряда С1 и линейно падающего сигнала на выходе интегратора – сопротивлением R4” по следующим формулам

Все остальные аспекты работы схемы аналогичны предыдущей. Так как схема не является симметричной то резистор R5 можно удалить. Частота выходного пилообразного напряжения будет определяться суммой резисторов R4’ и R4”. Стабильность частоты в данной схеме будет ограниченна температурной нестабильностью диодов VD1 и VD2

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Генераторы синусоидальных колебаний на ОУ

Всем доброго времени суток! В предыдущих двух статьях я рассказал о построении генераторов на основе ОУ (статья про мультивибраторы здесь, про генераторы треугольного напряжения здесь). Ещё одним видом сигнала, который используются в радиотехнике и электронике является синусоидальный сигнал.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Для формирования синусоидального сигнала применяются различные схемы генераторов и формирователей, рассмотрение которых в данной статье не представляется возможным.

Как происходит формирование синусоидальных колебаний?

Любой генератор (не только синусоидальных колебаний) представляет собой замкнутую цепь, состоящую из усилителя и селективной цепи (частотно-избирательная цепь). Причем селективная цепь включена в цепь ПОС (положительная обратная связь) усилителя, где могут быть включены дополнительные усилители.

Допустим, на вход селективной цепи поступает сигнал, состоящий из большого количества синусоидальных колебаний (гармоник). Проходя через селективную цепь, колебания ослабляются (происходит уменьшение амплитуды) в различной степени, а также происходит изменение фазы данных колебаний. В результате на вход усилителя с выхода селективной цепи поступают синусоидальные сигналы с различными уровнями амплитуды и фазовыми сдвигами, где происходит их усиление для компенсации ослабления селективной цепью.

Так как селективная цепь пропускает без изменения фазы только гармонику определённой частоты, то после усилителя на вход селективной цепи поступит та же гармоника с такой же амплитудой и фазой, которую пропускает селективная цепь, а остальные гармоники будут с изменёнными амплитудами и фазами сигнала. В результате сложения исходного сигнала и сигнала поступающего с выхода усилителя только у гармоники, на частоту которой настроена частотно-избирательная цепь, будет происходить значительное увеличение амплитуды.

Из всего выше сказанного можно сделать вывод, что петлевое усиление схемы должно быть не меньше единицы (в идеальном случае равно 1), а полный фазовый сдвиг схемы равен нулю.

Схем генераторов синусоидальных или как их ещё называют гармонических колебаний, существует большое количество, рассмотреть которые в одной статье не представляется возможным. Поэтому ограничимся лишь некоторыми из них, которые построены на ОУ и RC-цепочках.

Генератор синусоидальных колебаний на основе моста Вина

Генератор синусоидальных колебаний на основе моста Вина или просто генератор Вина является одним из самых распространённых RC-генераторов синусоидальных колебаний. Схема данного генератора показана на рисунке ниже

Схема генератора Вина на основе ОУ.

Генератор Вина состоит из ОУ DA1, который охвачен ООС (отрицательная обратная связь) посредством резисторов R1 и R2, а также ПОС (положительная обратная связь) с помощью частотно-избирательной цепи R3C1R4C2.

Частотно-избирательная цепь R3C1R4C2 называется мостом Вина, от названия которого и получил наименование генератор данного типа. Данный мост состоит из последовательно включённых дифференцирующей цепи R4C2 и интегрирующей цепи R3C1. Как известно для генерирования сигнала мост Вина должен обеспечить нулевой фазовый сдвиг сигнала. Это обеспечивается равенством постоянной времени интегрирующей цепи R3C1 и дифференцирующей цепи R4C2

Тогда частота, при которой будет сдвиг фаз равный нулю, определяется следующим выражением

При данном условии коэффициент передачи цепи ПОС будет равен 1/3. Поэтому для того чтобы компенсировать данное условие коэффициент передачи цепи ООС должен быть равен 3, то есть

Генератор с мостом Вина обеспечивает выходной синусоидальный сигнал с небольшими искажениями – порядка 0,05 %. Однако у данного типа генератора существует серьёзная проблема в том, что для получения качественного синусоидального сигнала необходимо обеспечить точные соотношения резисторов в цепи ООС R1 и R2, то есть обеспечить коэффициент передачи цепи равный трём (β = 1/3). Так если β < 1/3 то возникшие колебания будут с сильными искажениями, а в случае β > 1/3 даже если и возникнут колебания их амплитуда будет постепенно уменьшаться и со временем станет равной нулю. Поэтому для стабилизации работы генератора Вина применяют различные автоматические системы стабилизации амплитуды.

Улучшение параметров генератора Вина

Как указывалось выше оптимальное значение коэффициента передачи ООС (β = 1/3) обеспечить практически невозможно, поэтому применяют системы автоматической стабилизации амплитуды. Данная система работает так чтобы воздействовать на коэффициент передачи схемы и при заданной частоте стабилизировать колебания при небольших искажениях.

В основе систем стабилизации амплитуды лежат свойство нелинейных элементов под действием напряжения изменять своё внутренне сопротивление. Одна из простейших схем стабилизации содержит два полупроводниковых диода включённых в цепь ООС

Схема генератора Вина на ОУ с простейшей системой автоматической стабилизации амплитуды.

В данной схеме последовательно с резистором обратной связи R2 включены два диода VD1VD2 по встречно-параллельной схеме, чем обеспечивается стабилизация амплитуды положительной и отрицательной полуволн синусоидального сигнала.

Как известно p-n-переход диода имеет динамическое сопротивление, имеющее обратную зависимость от протекающего через диод тока

где 26 (мВ) – температурный потенциал p-n-перехода,

I_Д (А) – мгновенное значение тока протекающего через диод.

Таким образом, коэффициент передачи цепи ООС будет определяться следующим выражением

При возрастании амплитуды выходного напряжения, ток, протекающий через диод, увеличивается, как следствие уменьшается динамическое сопротивление диода, и возрастает коэффициент передачи цепи ООС, тем самым уменьшая амплитуду выходного напряжения.

При реализации данной схемы величину резистора R2 следует брать несколько меньшей, чем в схеме без стабилизации амплитуды, чтобы β < 1/3, тем самым создаются условия для гарантированного возникновения колебаний.

Генератор синусоидальных колебаний с фазосдвигающими RC-цепями

Ещё одним видом генератора синусоидальных колебаний является генератор на фазосдвигающих цепочках. Схем генератора данного типа существует несколько разновидностей, в их основе лежат лестничные RC-цепи, которые обеспечивают сдвиг фазы для генерируемой частоты на 180°. Что с учётом инвертирующего усилителя, который также обеспечивает сдвиг фазы сигнала на 180°, получаем суммарный сдвиг фазы сигнала 0°. Количество звеньев лестничной цепи может быть любое количество, но не менее трёх.

Генераторы синусоидальных колебаний на фазосдвигающих цепочках.

Так же как и в случае с мостом Вина лестничные цепи ослабляют сигнал, поэтому коэффициент усиления ОУ должен компенсировать данное ослабление. Чтобы не углубляться в вывод расчётных формул приведу основные соотношения в различных типах генераторах со сдвигающими лестничными цепями.

Для схемы на рисунке А

Для схемы на рисунке Б

Для схемы на рисунке В

Так же как и в генераторе Вина основной проблемой является обеспечение стабильности амплитуды. Решением данной проблемы является использование в схеме автоматической стабилизации амплитуды путём введения нелинейных сопротивлений в цепь ООС ОУ. Простейшим таким стабилизатором амплитуды является сборка из двух встречно-паралелльных полупроводниковых диодов

Схема генератора на фазосдвигающих цепочках с амплитудным ограничителем в цепи ООС.

Кроме показанных генераторов синусоидальных сигналов в современной электронике находят применения методы выделения нужного синусоидального колебания из более сложного, например, из треугольного или прямоугольного посредством разложения его в ряд Фурье. Однако данная тема более сложная в изучении и поэтому является темой другой статьи, которая обязательно появится на моём блоге.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.