5.2. Компенсационные стабилизаторы с операционным усилителем
В схеме (рис. 5.6) компенсационного стабилизатора на операционном усилителе (ОУ) выходное напряжение ОУ используется для получения опорного напряжения UОП от прецизионного стабилитрона. Для большинства маломощных ОУ ток IОУ.Вых.≤ 10 мА. Для увеличения тока IН в нагрузке к схеме компенсационного стабилизатора подключают выходные транзисторы (рис. 5.7).
Такие схемы позволяют получить коэффициент стабилизации КСТ = 300÷500.
Коэффициент КСТ стабилизации схемы (рис. 5.7) можно существенно повысить (КСТ ≥ 1000), если цепь с элементами R1 и VD подключить к выходу стабилизатора (рис.5.6). При этом КСТ стабилизации схемы определяется коэффициентом ослабления D изменения напряжения смещения при изменении питания ОУ.
Для схемы (рис. 5.6) справедливы соотношения: UОП = (¼÷½)∙UН. (*)
ΔUПрям = [rВых/(rВых.+R1)]∙ΔUВых.; ΔUИнв = [R2/(R2+RОС)]∙ΔUВых.
UВЫХ = UОП∙КU = UОП∙ [(RОC/R2)+1]. (5.19)
Из (5.19) следует, что напряжение UВЫХ не зависит от изменения тока IH и от UИ. Для исключения насыщения ОУ необходимо обеспечить условие:
UОП ≤ UИ - 2 B или UВых. ≤ UИ - 2 B; (5.20)
Выходное напряжение можно регулировать в диапазоне UВЫХ = (⅓÷⅞)∙UИ.
Для этого достаточно заменить R2 на переменный резистор той же величины.
D = ΔUИ/ΔU0. *(D ≤ 10 000); (коэфф. ослаблен. влияния пульсац. ΔUИ) (5.21)
где ΔU0 ≤ 0,3 мВ - напряжение смещение нуля на выходе идеального ОУ при ΔТ = 200.
Например, при ΔUИ = 2В и ΔU0 ≤ 0,5 мВ получим D = 4 000.
КСТ = D[rДиф.VD/(rДиф.VD+R1) – R2/(R2+RОС)] ≈ |D|∙[R2/(R2+RОС)]. (5.22)
* Входной ток ОУ составляет (IВХ.ОУ ≤ 0,2 мА), поэтому ток делителя IД в цепи RОС и R2 должен составлять IД = 0,5 ÷ 1 мА. (*)
При использовании в схеме (рис. 5.7) составного транзистора ток в нагрузке может превышать величину IН ≥ 1 А и составлять:
IН ≤ IОУ∙β0. (β0 = β1∙β2.) (5.23)
UН = (UОП∙[(RОC/R2)+1] –UБЭ1–UБЭ2). (5.24)
РVT2 = (UИ –UН)∙IН = UКЭ.VT2∙IК.VT2.
Д
ля
защиты схем стабилизаторов от выхода
из строя при случайном коротком замыкании,
в схему вводят цепь защиты на элементах
(RП
и VT3),
которые будет ограничивать ток IК
мощного транзистора при возникновении
большого падения напряжения UКЭ.VT.
Если падение напряжения на резисторе
RП превысит величину
UБЭ.VT3
≈ 0,6 В, то произойдет открывание
транзистора VT3, а
это вызовет снижение напряжения на базе
VT2, т.е. UБЭ.VT2
< UОП и,
следовательно, частичное закрывание
VT2.
Уровень ограничения тока составит: IК2.ОГР ≈ 0,6/RП. (5.25)
Например, при IК.ОГР ≈ 1А, RОГР составит: RП =UБЭ.3/IК2.ОГР = 0,6. Ом. (5.26)
Пример 1. Выполнить расчет параметров схемы стабилизатора на ОУ (рис. 5.6)
для UН = 15 В, при IН ≤ 10 мА, UИ.Мах = 19 В и ΔUИ = 2 В; ΔU0 = 0,3 мВ.
Решение. Из условия, что *(UОП = (¼ ÷ ½)∙UН), выберем стабилитрон КС147А с
параметрами: UОП = 4,7 В; IОП.Ном. = 5 мА.
Определим значение R1: R1 = (UН – UОП)/IОП.Ном. = (15 – 5)/(5∙10-3) = 2000 Ом.
Из условия, что *(IВХ.ОУ ≤ 0,2 мА), подберем величины (ROC+R2) так, чтобы ток делителя IД в цепи (RОС+R2) составлял IД = 1 мА.
(ROC +R2) =UН /IДел. =15/10-3 =15 кОм. (в качестве (ROC+R2)’ можно взять потенциометр).
Возьмем (ROC + R2) = 15 кОм. Из выражения (5.19) определим величину R1:
В связи с тем, что КU =UН/UОП = 3 = [(RОC/R2)+1], получим: [(10к/5к)+1] = 3.
Проверка: R2 = (ROC + R2)∙(UОП/UН) = 15000∙(5/15) = 5 кОм.
Установим движок потенциометра (ROC+R2)’ в положение R2’ ≈ 5 кОм и RОС’ ≈ 10 кОм, или заменим его на два постоянных резистора: R2 = 5 кОм и ROC = 10 кОм.
4) Мин. напряжение нестабилизированного источника должно составлять:
UИ.Мин. = UН + 2 В = 17 В. D = ΔUИ./ΔU0. = 2/0,0003 ≈ 6660;
КСТ ≈ |D|∙[R2/(R2+RОС)] = 6660∙(5/(5+10)) ≈ 2000.
Пример 2. Вычислить параметры стабилизатора напряжения (рис. 5.8), обеспечивающего ток IН =6 А и UН =15 В, при: UИ = 20 В; IВых.ОУ ≤ 10 мА.
Решение. Определим требуемый коэффициент β0 проходного транзистора:
β0 = IН/IВых.ОУ = 6 А/10-2 А = 600.
Для обеспечения такого коэффициента усиления необходимо два транзистора.
Распределим коэффициенты 1, 2 так, чтобы 12 = 0. Выберем 1= 30; 2= 20.
Определим мощность, рассеиваемую на составном транзисторе:
РVT = (UИ–UН)∙IН =(20–15)∙6 = 30 Вт. η = PВЫХ/PВХ = 6∙15/6∙20 = 0,75.
Используя выр. (1 – 26), вычисляют все параметры элементов схемы.
Литература основная
1. Рекус Г.Г. Основы электротехники и промышленной электроники в примерах
и задачах с решениями: Учебное пособие. – М.: Высш. шк., 2008. – 343 с.
2. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высш. шк., 2001. - 620 с.
3. Березкина Т.Ф., Гусев Н.Г. Задачник по общей электротехнике с основами
электроники. – М .: Высш. шк., 2001. - 377 с.
4. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – М.: Радио, 2000. – 384 с.
Литература дополнительная
5. Сборник задач по электротехнике и основам электроники / Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высш. шк., 1987. - 288 с.
6. Изъюрова Г.И. Расчет электронных схем. – М.: Высш. шк., 1987. - 334 с.
7. Гусев В.Г. Сборник задач по электронике. – М.: Высш. шк., 1988. - 240 с.
РГР № 5. Задание для самостоятельного решения
Выполнить расчет параметров двух схем стабилизаторов напряжения:
№ 5.1. параметрический стабилизатор на стабилитроне и одном транзисторе;
№ 5.2. компенсационный стабилизатор с ОУ и транзисторами.
Данные для расчета и параметры используемых транзисторов приведены в табл. № 5. Тип стабилитрона для обеих схем выбрать самостоятельно из табл. № 2.
Маломощный и мощный транзисторы в таблице № 5 записаны парами.
Выходной ток идеального ОУ в схеме принять равным IВых.ОУ = 5 мА, а
напряжение смещения нуля на выходе ОУ (при ΔТ = 200) принять ΔU0 = 0,5 мВ.
Таблица 5. Электрические параметры биполярных транзисторов
|
Р |
Параметры для задания |
|
|||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
ТИП |
h21Э (β) |
UКЭ (В) |
IК.Мах (А) |
IКЭо μА |
PМах (Вт) |
fГР. мГц |
UБЭ Нас |
UКЭ Нас |
EИСТ В |
ΔЕИ % |
IН. А |
* RН Ом |
UН B |
ТоС Мах |
№ Рис. |
|
|
1 N |
КТ301 |
40…80 |
15 |
0,05 |
1 |
0,15 |
5 |
|
1 B |
12 |
8 |
|
220 |
3-9 |
60 |
5.1 |
|
|
1 N |
КТ608 |
25…80 |
60 |
0,40 |
10 |
0,50 |
100 |
|
1,0 |
40 |
4 |
0,35 |
150 |
24 |
60 |
5.5 |
|
|
2 N |
КТ503 |
40..120 |
40 |
0,15 |
1 |
0,35 |
5 |
|
0,6 |
28 |
5 |
|
180 |
10-20 |
65 |
5.3 |
|
|
2 N |
КТ630 |
40…120 |
60 |
0,35 |
1,0 |
0,5 |
50 |
|
0,3 |
35 |
6 |
0,30 |
160 |
20 |
65 |
5.6 |
|
|
3 N |
КТ504 |
15…50 |
30 |
0,40 |
10 |
0,50 |
20 |
|
1,0 |
24 |
4 |
|
50 |
5-15 |
70 |
5.4 |
|
|
3 N |
КТ646 |
40…200 |
60 |
0,80 |
10 |
3 |
200 |
|
0,85 |
30 |
5 |
0,60 |
80 |
15 |
70 |
5.7 |
|
|
4 N |
КТ312 |
25…60 |
20 |
0,06 |
1 |
0,20 |
80 |
|
0,5 |
18 |
8 |
|
300 |
3-12 |
55 |
5.5 |
|
|
4 N |
КТ972 |
>750 |
60 |
3,0 |
1ма |
8 |
100 |
|
1,5 |
45 |
4 |
2,0 |
40 |
30 |
65 |
5.8 |
|
|
5 N |
КТ315 |
20…90 |
25 |
0,10 |
1 |
0,15 |
150 |
|
0,4 |
20 |
8 |
|
300 |
10-15 |
65 |
5.1 |
|
|
5 N |
КТ815 |
40…80 |
36 |
1,5 |
50 |
10 |
3 |
|
0,6 |
25 |
6 |
1,2 |
40 |
20 |
70 |
5.5 |
|
|
6 N |
КТ339 |
25…50 |
25 |
0,15 |
1 |
0,25 |
100 |
|
0,6 |
20 |
7 |
|
330 |
5-15 |
60 |
5.3 |
|
|
6 N |
КТ817 |
25…60 |
36 |
3,0 |
100 |
25 |
3 |
|
0,6 |
30 |
5 |
2,5 |
25 |
15 |
75 |
5.4 |
|
|
7 N |
КТ342 |
25…250 |
30 |
0,05 |
1 |
0,25 |
100 |
|
0,1 |
24 |
6 |
|
440 |
12-18 |
65 |
5.5 |
|
|
7 N |
КТ819 |
15…60 |
32 |
10 |
1 ма |
60 |
3 |
|
2,0 |
25 |
8 |
5 |
10 |
18 |
70 |
5.8 |
|
|
8 N |
КТ3102 |
100…250 |
30 |
0,10 |
0,05 |
0,25 |
100 |
|
0,5 |
20 |
10 |
|
160 |
10-15 |
65 |
5.1 |
|
|
8 N |
КТ835 |
20…45 |
32 |
3 |
1 ма |
50 |
4 |
|
2,0 |
20 |
8 |
2 |
5 |
15 |
65 |
5.5 |
|
|
9 N |
КТ3117 |
40…200 |
60 |
0,06 |
10 |
0,30 |
400 |
|
0,6 |
36 |
5 |
|
550 |
12-20 |
75 |
5.3 |
|
|
9 N |
КТ827 |
>750 |
32 |
20 |
1 ма |
120 |
4 |
|
2,0 |
28 |
6 |
5 |
5 |
20 |
65 |
5,6 |
|
|
10 N |
КТ3142 |
25…100 |
40 |
0,15 |
1,0 |
0,30 |
600 |
|
0,4 |
25 |
10 |
|
220 |
12-16 |
70 |
5,4 |
|
|
10 N |
КТ829 |
>750 |
35 |
5 |
200 |
40 |
7 |
|
2,0 |
30 |
8 |
2,0 |
16 |
16 |
60 |
5,7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
11 P |
КТ208 |
20…60 |
20 |
0,05 |
1 |
0,20 |
5 |
|
0,3 |
18 |
8 |
0,05 |
|
5-15 |
60 |
5,5 |
|
|
11 P |
КТ626 |
30…80 |
45 |
0,45 |
10 |
3 |
45 |
|
0,85 |
40 |
6 |
0,25 |
150 |
25 |
60 |
5,8 |
|
|
12 P |
КТ502 |
40…120 |
40 |
0,15 |
1 |
0,35 |
5 |
|
0,6 |
32 |
10 |
0,10 |
|
20 |
65 |
5,1 |
|
|
12 P |
КТ632,9 |
40…100 |
45 |
0,80 |
0,1 |
3 |
80 |
|
0,50 |
35 |
5 |
0,20 |
160 |
25 |
65 |
5,5 |
|
|
13 P |
КТ501 |
20…60 |
15 |
0,30 |
1 |
0,35 |
5 |
|
0,4 |
12 |
6 |
0,25 |
|
5 |
70 |
5,3 |
|
|
13 P |
КТ644 |
40…100 |
45 |
0,80 |
0,1 |
3 |
80 |
|
0,50 |
30 |
8 |
0,40 |
80 |
23 |
70 |
5,6 |
|
|
14 P |
КТ313 |
30…100 |
50 |
0,35 |
0,5 |
0,15 |
200 |
|
0,5 |
35 |
7 |
0,05 |
|
30 |
55 |
5,4 |
|
|
14 P |
КТ973 |
>750 |
60 |
3,0 |
1ма |
8 |
100 |
|
1,5 |
45 |
6 |
1,0 |
40 |
32 |
65 |
5,7 |
|
|
15 P |
КТ361 |
20…80 |
25 |
0,05 |
1 |
0,15 |
100 |
|
0,4 |
20 |
10 |
0,05 |
|
13 |
65 |
5,5 |
|
|
15 P |
КТ814 |
40…80 |
36 |
1,5 |
50 |
10 |
3 |
|
0,6 |
25 |
4 |
0,8 |
40 |
15 |
70 |
5,8 |
|
|
16 P |
КТ337 |
30…60 |
12 |
0,05 |
1,0 |
0,15 |
500 |
|
0,2 |
10 |
7 |
0,04 |
|
7 |
60 |
5,1 |
|
|
16 P |
КТ816 |
25…60 |
36 |
6,0 |
100 |
25 |
3 |
|
0,6 |
30 |
8 |
1,2 |
25 |
24 |
75 |
5,5 |
|
|
17 P |
КТ343 |
30…60 |
17 |
0,05 |
1 |
0,15 |
100 |
|
0,3 |
14 |
5 |
0,03 |
|
7,5 |
65 |
5,3 |
|
|
17 P |
КТ818 |
15…60 |
32 |
10 |
1 ма |
60 |
3 |
|
2,0 |
25 |
6 |
2,5 |
10 |
10 |
70 |
5,6 |
|
|
18 P |
КТ3107 |
70…140 |
30 |
0,10 |
0,1 |
0,30 |
200 |
|
0,5 |
24 |
10 |
0,10 |
|
20 |
65 |
5,4 |
|
|
18 P |
КТ837 |
30…60 |
35 |
4 |
1 ма |
30 |
4 |
|
2,0 |
20 |
5 |
3,0 |
5 |
13 |
65 |
5,7 |
|
|
19 P |
КТ326 |
25…100 |
30 |
0,06 |
0,5 |
0,15 |
500 |
|
0,4 |
20 |
4 |
0,06 |
|
10 |
55 |
5,5 |
|
|
19 P |
КТ825 |
>750 |
32 |
20 |
1 ма |
120 |
4 |
|
2,0 |
20 |
8 |
5,0 |
5 |
15 |
65 |
5,8 |
|
|
20 P |
КТ3128 |
25…100 |
40 |
0,15 |
1,0 |
0,30 |
600 |
|
0,4 |
30 |
7 |
0,12 |
|
24 |
70 |
5,1 |
|
|
20 P |
КТ853 |
>750 |
35 |
5 |
200 |
40 |
7 |
|
2,0 |
30 |
3 |
2,0 |
16 |
23 |
60 |
5,5 |
|
|
21 P |
КТ337 |
30…60 |
12 |
0,05 |
1,0 |
0,15 |
500 |
|
0,2 |
10 |
7 |
0,04 |
|
7 |
60 |
5,3 |
|
|
21 P |
КТ816 |
25…60 |
36 |
6,0 |
100 |
25 |
3 |
|
0,6 |
30 |
8 |
1,2 |
25 |
24 |
75 |
5,6 |
|
|
22 P |
КТ343 |
30…60 |
17 |
0,05 |
1 |
0,15 |
100 |
|
0,3 |
14 |
5 |
0,03 |
|
7,5 |
65 |
5,4 |
|
|
22 P |
КТ818 |
15…60 |
32 |
10 |
1 ма |
60 |
3 |
|
2,0 |
25 |
6 |
2,5 |
10 |
10 |
70 |
5,7 |
|
|
23 P |
КТ3107 |
70…140 |
30 |
0,10 |
0,1 |
0,30 |
200 |
|
0,5 |
24 |
10 |
0,10 |
|
20 |
65 |
5,5 |
|
|
23 P |
КТ837 |
30…60 |
35 |
4 |
1 ма |
30 |
4 |
|
2,0 |
20 |
5 |
3,0 |
5 |
13 |
65 |
5,8 |
|
|
24 P |
КТ326 |
25…100 |
30 |
0,06 |
0,5 |
0,15 |
500 |
|
0,4 |
20 |
4 |
0,06 |
|
10 |
55 |
5,1 |
|
|
24 P |
КТ825 |
>750 |
32 |
20 |
1 ма |
120 |
4 |
|
2,0 |
20 |
8 |
5,0 |
5 |
15 |
65 |
5,5 |
|
|
25 P |
КТ3128 |
25…100 |
40 |
0,15 |
1,0 |
0,30 |
600 |
|
0,4 |
30 |
7 |
0,12 |
|
24 |
70 |
5,3 |
|
|
25 P |
КТ853 |
>750 |
35 |
5 |
200 |
40 |
7 |
|
2,0 |
30 |
3 |
2,0 |
16 |
23 |
60 |
5,6 |
|
|
26 P |
КТ3107 |
70…140 |
30 |
0,10 |
0,1 |
0,30 |
200 |
|
0,5 |
24 |
10 |
0,10 |
|
20 |
65 |
5,4 |
|
|
26 P |
КТ837 |
30…60 |
35 |
4 |
1 ма |
30 |
4 |
|
2,0 |
20 |
5 |
3,0 |
5 |
13 |
65 |
5,7 |
|
|
абочие
параметры транзисторов
* Для каждого задания транзисторы сгруппированы парами в 2 строки
* Обозначенный звездочкой параметр RН в таблице задан ориентировочно.