Pagina corrente: 1 (il libro ha 1 pagine in totale)
Stabilizzatori di tensione e corrente sui circuiti integrati
Il compito di creare una fonte di energia stabile si pone ogni volta che è necessario garantire l'indipendenza dei parametri di un dispositivo elettronico dalle variazioni della tensione di alimentazione. Le moderne apparecchiature che funzionano su microcircuiti digitali e analogici prevedono sempre la presenza di stabilizzatori di tensione e corrente, solitamente diversi. Con la diffusione degli amplificatori operazionali integrati (OP-Amp), è diventato possibile risolvere questo problema in modo semplice ed efficace con precisione di controllo e stabilità nell'intervallo 0,01...0,5%, e l'Op-Amp può essere facilmente integrato nei tradizionali stabilizzatori di tensione e corrente.
Lo stabilizzatore di tensione più semplice è un amplificatore di corrente continua, il cui ingresso viene alimentato con una tensione costante di un diodo zener o parte di esso. La capacità di carico di tale stabilizzatore è determinata dalla corrente di uscita massima dell'amplificatore operazionale.
Gli stabilizzatori di tracciamento, come è noto, funzionano secondo il principio del confronto delle tensioni di riferimento e di uscita, amplificandone la differenza e controllando la conduttività elettrica del transistor di controllo.
Stabilizzatore secondo lo schema di Fig. 1 produce una tensione U out maggiore della tensione di riferimento del diodo zener V D1, e lo stabilizzatore secondo lo schema di Fig. 2 – meno.
Riso. 1. Stabilizzatore con partitore di tensione in uscita
Riso. 2. Stabilizzatore con partitore di tensione di riferimento
Gli stabilizzatori sono alimentati da un'unica fonte. Utilizzando l'inseguitore di emettitore V T2 aumentare la corrente di carico, nel nostro esempio - fino a 100 mA, ma è possibile fare di più con un ripetitore composto basato su un potente transistor. Transistor V T1 protegge il transistor di uscita V T2 da sovracorrente, con un resistore che funge da sensore di corrente R8 piccola resistenza collegata al circuito di emettitore del transistor V T2. Quando la caduta di tensione ai suoi capi supera Ub–e = 0,6 V, il transistor V si aprirà T1 e devia la giunzione dell'emettitore del transistor V T2. Per correnti di carico fino a resistenze da 10...15 mA R7, R8 e transistor V T1, VT2 non devi metterlo. Da notare che negli stabilizzatori secondo i circuiti di Fig. 1 e 2, la tensione di ingresso non deve superare la somma massima consentita delle tensioni di alimentazione per l'amplificatore operazionale.
Se l'alimentatore progettato ha una tensione di uscita non inferiore alla somma delle tensioni di alimentazione minime consentite per l'amplificatore operazionale esistente, è meglio includerlo nello stabilizzatore in modo che l'amplificatore sia alimentato da una tensione stabilizzata. Lo schema di tale stabilizzatore è mostrato in Fig. 3.
Riso. 3. Stabilizzatore di tensione migliorato:
a – diagramma schematico, b – caratteristica del carico
Qui sono inoltre inclusi diversi elementi che migliorano il funzionamento dello stabilizzatore di tensione. Potenziale di uscita O Y DA1 polarizzato verso la tensione positiva dal diodo zener V D3 e transistor V T1. Inseguitore di emettitore di uscita - composito (VT2, VT3), e alla base del transistor di protezione V T4 divisore collegato R4R5, che consente di creare una caratteristica di limitazione della corrente di sovraccarico “discendente”. La corrente di cortocircuito non supera 0,3 A, sebbene la corrente operativa normale sia 0,5 A. La sorgente di tensione di riferimento termocompensata è realizzata sul microcircuito K101KT1A (DA2). La tensione di uscita dello stabilizzatore, pari a +15 V, varia solo dello 0,0002% quando la tensione di ingresso varia entro 19...30 V; quando la corrente di carico passa da zero al valore nominale, la tensione di uscita diminuisce solo dello 0,001%. In questo stabilizzatore, la soppressione dell'ondulazione della tensione di ingresso con una frequenza di 100 Hz è di 120 dB. I vantaggi dello stabilizzatore includono anche il fatto che in assenza di carico il consumo di corrente è di circa 10 mA. Quando la corrente di carico cambia bruscamente, la tensione di uscita viene impostata con un errore dello 0,1% in un tempo non superiore a 5 μs.
Un'ondulazione di tensione quasi nulla in uscita può essere fornita da uno stabilizzatore secondo il circuito di Fig. 4.
Riso. 4. Alimentazione con compensazione del ripple
Se il motore a resistenza variabile R1è nella posizione superiore (secondo il diagramma), l'ampiezza della pulsazione è massima. Quando il cursore si sposta verso il basso, l'ampiezza diminuirà, poiché la tensione di ripple applicata all'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale attraverso un condensatore C2, in antifase si somma alla tensione di ondulazione in uscita. Approssimativamente nella posizione centrale del cursore del resistore R1 le pulsazioni verranno compensate.
Gli stabilizzatori secondo i circuiti sopra indicati sono progettati per una tensione di uscita positiva. Per ottenere un negativo, è necessario utilizzarlo come ripetitore р–н–р transistor e mettere a terra anche il bus di alimentazione positivo dell'amplificatore operazionale. Ma puoi farlo diversamente se l'apparecchiatura richiede tensioni stabilizzate di polarità diverse. Nella fig. La Figura 5 mostra due schemi semplificati per il collegamento degli stabilizzatori per ottenere tensioni di uscita di segno diverso.
Riso. 5. Schema per la formazione della tensione stabilizzata bipolare:
UN – sugli stabilizzatori multipolari, B - su stabilizzatori identici
Nel primo caso i circuiti di ingresso e di uscita hanno un bus comune. Supponiamo, ad esempio, che ci siano solo stabilizzatori positivi. Quindi possono essere utilizzati nello stabilizzatore secondo il secondo circuito se entrambi i canali lungo i circuiti di ingresso sono isolati galvanicamente, in modo che il polo positivo dello stabilizzatore inferiore (secondo il circuito) possa essere messo a terra. La sorgente di tensione di riferimento per uno dei canali è un diodo zener e per il secondo la tensione di uscita del primo stabilizzatore. Per fare ciò è necessario collegare un partitore di due resistori tra i terminali +U CT e – U C.T. stabilizzatori e collegare la tensione del punto medio del divisore all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale del secondo stabilizzatore, mettendo a terra l'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale. Successivamente vengono collegate le tensioni di uscita dei due stabilizzatori (asimmetrici nel caso generale) e la regolazione della tensione viene effettuata da un resistore variabile.
Se per alimentare il dispositivo viene utilizzata una batteria e sono necessarie due tensioni di alimentazione con un punto medio messo a terra, è possibile utilizzare un divisore attivo su un amplificatore operazionale con ripetitori per aumentare la capacità di carico (Fig. 6).
Riso. 6. Conversione della tensione unipolare in bipolare simmetrica
Se R1 = R2, quindi le tensioni di uscita sono uguali rispetto al punto medio messo a terra. Attraverso i transistor di uscita V T1 e V T2 Circolano correnti a pieno carico e le cadute di tensione nelle sezioni collettore-emettitore sono pari alla metà della tensione di ingresso. Questo deve essere tenuto presente quando si scelgono i radiatori di raffreddamento.
Gli stabilizzatori di tensione chiave si sono dimostrati i migliori in termini di efficienza, poiché l'efficienza di tali dispositivi è sempre elevata. Nonostante la loro complessità rispetto agli stabilizzatori lineari, solo riducendo le dimensioni del dissipatore di calore del pass transistor, lo stabilizzatore chiave consente di ridurre di due o tre volte le dimensioni di una potente fonte di alimentazione regolabile. Lo svantaggio degli stabilizzatori chiave è l'aumento del livello di interferenza. Tuttavia, una progettazione razionale, quando l'intera unità è realizzata sotto forma di modulo schermato con una scheda di controllo posizionata direttamente sul dissipatore di calore del potente transistor, consente di ridurre al minimo le interferenze. È possibile eliminare lo "scorrimento" delle interferenze ad alta frequenza in una fonte di alimentazione primaria e in un carico non stabilizzati collegando in serie induttanze a radiofrequenza progettate per una corrente costante di 1...3 A. Tenendo presenti questi commenti, un esperto addestrato il radioamatore può intraprendere la creazione di stabilizzatori di tensione chiave, in cui i comparatori integrati funzionano con successo.
Ad esempio, diamo una descrizione di uno stabilizzatore di relè basato sul microcircuito K554CA2 (Fig. 7).
Riso. 7. Stabilizzatore a relè con regolazione della tensione di uscita
Contiene un comparatore DA1 funziona da sorgenti di tensione + 12 e – G V. Questa combinazione si forma collegando l'uscita 11 nutrizione positiva DA1 all'emettitore del transistor V T.I.(+18 V), pin 2 – al diodo zener V D6(esempio +6 V), uscita 6 alimentazione negativa - al potenziale zero del bus comune. La tensione di riferimento dello stabilizzatore è formata dai diodi V D3– VD5,è pari a +4,5 V. Questa tensione viene applicata all'ingresso non invertente del comparatore DA1, acceso secondo il circuito del rilevatore di livello con una caratteristica di isteresi dovuta al feedback positivo attraverso il circuito R5, R3. Il circuito di feedback negativo è chiuso attraverso il transistor di amplificazione V T2, elemento chiave sui transistor V T3, VT4 e filtrare L 1C7. La profondità del feedback negativo sulla tensione di uscita è controllata da un resistore variabile R4, di conseguenza varia tra 4...20 V con una tensione di ingresso non stabilizzata minima di +23 V e una massima fino a +60 V utilizzando elementi progettati per questa tensione. Allo stesso tempo, la componente alternata della tensione di uscita (ondulazione) passa attraverso il condensatore senza attenuazione C4, pertanto, la regolazione della tensione di uscita non porta ad una variazione proporzionale del ripple.
Questo stabilizzatore di tensione è uno di quelli autogeneranti quando, a seconda della tensione di ingresso e della corrente di carico, scarica il condensatore di accumulo C7, Sia il periodo di auto-oscillazione che il tempo di stato attivo dei transistor V cambiano automaticamente T3, VT4. Amplificatore di controllo sul comparatore DA1 e transistor V T2 apre l'elemento chiave nel momento in cui il potenziale dell'ingresso invertente diventa leggermente inferiore al potenziale dell'ingresso non invertente (di riferimento). In questo momento, la tensione sul carico scende leggermente al di sotto del livello di stabilizzazione specificato, ovvero pulsa. Dopo aver acceso i transistor V T3, VT4 corrente attraverso l'induttore L 1 aumenta, la sua induttanza e il condensatore C7 immagazzinare energia in modo che il potenziale dell'ingresso invertente aumenti. Grazie all'azione dell'amplificatore di controllo, l'elemento chiave viene chiuso. Poi filtra L 1C7 trasferisce parte dell'energia immagazzinata al carico e la polarità della tensione ai capi dell'induttore è L 1 cambia e il circuito di potenza viene chiuso tramite il diodo V D7. Non appena la tensione ai capi del condensatore C7 scende al di sotto del valore di riferimento del valore di isteresi, i transistor V si riaccendono T3, VT4. Quindi i cicli si ripetono.
La velocità di questi processi è determinata dalle prestazioni dell'induttore L 1, condensatore C7 e caricare. La frequenza può essere stimata utilizzando la formula
dove AU è l'ampiezza dell'ondulazione della tensione di uscita.
Ovviamente, la variazione della frequenza delle auto-oscillazioni di uno stabilizzatore a relè può essere notevolmente ridotta se aumenta la differenza tra le tensioni di ingresso e di uscita. La frequenza delle autooscillazioni, quando lo stabilizzatore funziona con la massima efficienza, è di 10...40 kHz.
Particolare attenzione dovrebbe essere prestata alla scelta del materiale del nucleo dell'induttore e del tipo di diodo di smorzamento V D7.
Il materiale migliore per un nucleo toroidale senza spazi vuoti è la permalloy in polvere pressata dei marchi MP160-1, MP140-1, MP140-3. Quando si scelgono i parametri dell'induttore, è necessario garantire la condizione di continuità di corrente al momento della scarica completa dell'induttore attraverso il diodo V D7 al condensatore C7 e il carico è maggiore del tempo in cui l'elemento chiave rimane chiuso. Deve essere soddisfatta la seguente disuguaglianza;
dove carico è il valore minimo della corrente di carico.
È possibile utilizzare anche induttanze di filtro di produzione industriale, ad esempio della serie D8, D5 - piatte, ecc., tra le quali selezionare un tipo con l'induttanza richiesta, progettato per una corrente di magnetizzazione non inferiore alla corrente di carico massima prevista e adatto a utilizzare a frequenze fino a 50 kHz.
Diodo V D7 deve essere ad azione rapida con un'elevata corrente impulsiva consentita, non inferiore al doppio della corrente di carico. Nello stabilizzatore secondo lo schema di Fig. 7, dove la corrente di carico è 2 A, è possibile sostituirla con diodi KD212B, KD217A e alcuni altri.
Inoltre, è necessario selezionare un condensatore a semiconduttore all'ossido di alta qualità C7 con riserva di capacità doppia rispetto al valore di progetto e alla tensione nominale, preferibilmente della serie K53 o tipo tantalio K52-7A, K52-9, K52-10. È possibile utilizzare condensatori di carta, ma le dimensioni dello stabilizzatore aumenteranno.
Come è noto, la capacità dei condensatori elettrolitici diminuisce con l'aumentare della frequenza e le perdite in essi aumentano. Approssimativamente per i condensatori al tantalio del tipo ETO, la capacità ad una frequenza di 20 kHz è ridotta di 10 volte e per i condensatori a semiconduttore a ossido - = del 30...40% rispetto al valore di capacità ad una frequenza di 50 Hz. Pertanto, devi scegliere la capacità del condensatore C7 con una riserva e limita anche la frequenza delle auto-oscillazioni a 20 kHz. Questo è il valore ottimale. I condensatori di filtro a bassa capacità sono combinati in parallelo in una batteria, che viene inoltre deviata con un condensatore ceramico C9 con una capacità di almeno 1,5...2,2 µF. Se ciò non è possibile, è possibile aumentare la DU e collegare all'uscita un filtro aggiuntivo con bassa resistenza ohmica in modo che non crei una notevole caduta di tensione al variare della corrente di carico.
La mancata osservanza di queste raccomandazioni di solito comporta il rilascio di una potenza eccessiva su un induttore, un diodo e un condensatore di filtro di bassa qualità, l'efficienza dello stabilizzatore diminuisce e l'ondulazione della tensione filtrata aumenta. Naturalmente, anche i transistor dell'elemento chiave devono essere selezionati con frequenze elevate e potenza sufficiente.
Mostrato nella fig. 7, il circuito stabilizzatore del relè può essere inoltre dotato di un dispositivo di protezione contro l'eccesso di corrente di carico in modalità cortocircuito. L'ampiezza dell'ondulazione della tensione di uscita in determinate condizioni può essere ridotta collegando l'elemento chiave a parte dell'avvolgimento dell'induttore L 1, e diodo V D7- a tutto il suo avvolgimento. A questa tensione, il collettore-emettitore del transistor V T4 diventa più piccolo e la tensione inversa sul diodo V D7- Di più.
La grande necessità di stabilizzatori per alimentare le apparecchiature ha portato allo sviluppo e all'implementazione di speciali microcircuiti lineari: stabilizzatori di tensione. Il design integrato è dominato da regolatori sequenziali con modalità di controllo continuo o pulsato. Gli stabilizzatori sono costruiti per tensioni di alimentazione sia positive che negative. La tensione di uscita può essere regolabile o fissa, ad esempio +5 V per unità di alimentazione con chip TTL digitali o ± 15 V per chip analogici. I microcircuiti con correnti di carico elevate richiedono radiatori di raffreddamento. Ciò non causa difficoltà di progettazione, poiché i microcircuiti sono alloggiati negli stessi alloggiamenti dei transistor ad alta potenza.
L'elenco dei microcircuiti è riportato nella tabella.
Tra gli stabilizzatori integrati prodotti, i più comuni sono quelli appartenenti alla categoria degli stabilizzatori regolabili KRN2EN1 e KR142EN2. Questi microcircuiti con indici di lettere diversi sono caratterizzati dai seguenti parametri:
coefficiente di instabilità per tensione di ingresso 0,1... 0,5% coefficiente di instabilità per corrente di carico 0,2... 1%
Il microcircuito stabilizzatore KR142EN1.2 incarna i principi che abbiamo esaminato utilizzando l'esempio degli stabilizzatori secondo i circuiti di Fig. 1, 2 e 3. Il collegamento dello stabilizzatore KR142EN1 è mostrato in Fig. 8.
Riso. 8. Schema elettrico base per l'accensione del regolatore KR142EN1
La tensione di riferimento sul pin 5 del microcircuito è di circa 2 V e il partitore di tensione prelevato dal diodo zener di riferimento è incluso nel microcircuito. Per questo motivo, quando si costruiscono stabilizzatori con tensioni di uscita da 3 a 30 V, viene utilizzato lo stesso circuito di connessione con un partitore di tensione di uscita esterno. Inoltre, notiamo che il microcircuito KR142EN1.2 ha terminali liberi non solo per l'inversione (pin 3), ma anche non invertente (output 4) ingressi dell'amplificatore, che semplifica lo stabilizzatore di tensione negativa con questo IC. Questa è la differenza principale tra il microcircuito KRN2ESH,2 e il microcircuito 142EN1.2 di una versione precedente.
Transistor esterno V T1- questo è un inseguitore di emettitore per aumentare la corrente di carico a 1...2 A. Se è richiesta una corrente non superiore a 50 mA, il transistor deve essere eliminato utilizzando il pin 8 microcircuiti invece del terminale di emettitore del transistor V T1.
Il microcircuito contiene un transistor che protegge lo stadio di uscita dalla sovracorrente. Resistenza di limitazione della corrente del resistore R4 viene selezionato in base alla caduta di tensione ai suoi capi pari a 0,66 V quando scorre la corrente di emergenza. Senza inseguitore del trasduttore V T1 dovrebbe essere installata una resistenza R4 resistenza 10 ohm.
Per creare una caratteristica di "caduta" della limitazione della corrente di sovraccarico, collegare un divisore R2R3 ed effettuare calcoli in base alle seguenti dipendenze:
Esempio I max = 0,6 A (impostato); I K3 – 0,2 A (scegliere almeno 1/3 I max); UbE =0,66 V; U out =12 V (impostato); a = 0,11 (secondo il calcolo); R3= 10 kOhm (valore tipico); R2= 1,24 kOi; R4= 3,7 Ohm.
Il microcircuito ha inoltre un pin 14 per il controllo dello stabilizzatore. Se si applica un singolo livello TTL + (2,5...5) V a questo ingresso, la tensione di uscita dello stabilizzatore scenderà a zero. Per evitare che la corrente inversa in presenza di carico capacitivo distrugga il transistor di uscita, un diodo V D1.
Condensatore C1 con una capacità di 3,3...10 μm sopprime il rumore del diodo zener, ma non è necessario installarlo. Condensatore C2(capacità fino a 0,1 micron) – elemento di correzione della frequenza; è invece consentito collegare l'uscita 13 con un filo di terra attraverso un circuito RC seriale di 360 Ohm (massimo) e 560 pF (minimo).
Sulla base dei microcircuiti KR142ESH.2 (Fig. 8), è possibile creare stabilizzatori di tensione negativa (Fig. 9).
Figura 9. Stabilizzazione della tensione negativa
In questo caso, il diodo zener V D1 sposta il livello di tensione sul pin 8 rispetto alla tensione di ingresso. Corrente di base del transistor V T1 non deve superare la corrente massima consentita del diodo zener, altrimenti dovrebbe essere utilizzato un transistor composito.
Le ampie capacità dei microcircuiti KR142EN1,2 consentono di creare stabilizzatori di tensione a relè basati su di essi, un esempio dei quali è riportato in Fig. 10.
Riso. 10. Stabilizzatore di tensione a relè
In tale stabilizzatore, la tensione di riferimento, come nello stabilizzatore secondo lo schema di Fig. 8, impostato tramite divisore R4R5, e l'ampiezza dell'ondulazione della tensione di uscita sul carico è impostata da un divisore ausiliario R2R3 ed è uguale a &U=U B x-R4IR3. La frequenza delle autooscillazioni è determinata dalle stesse considerazioni dello stabilizzatore secondo il circuito di Fig. 7. Va solo tenuto presente che la corrente di carico non può variare entro ampi limiti, solitamente non più del doppio del valore nominale. Il vantaggio degli stabilizzatori a relè è la loro elevata efficienza.
È necessario considerare un'altra classe di stabilizzatori: gli stabilizzatori di corrente, che convertono la tensione in corrente indipendentemente dai cambiamenti nella resistenza del carico. Tra gli stabilizzatori che consentono la messa a terra del carico, notiamo lo stabilizzatore secondo lo schema di Fig. undici.
Riso. undici. Stabilizzatore di corrente sull'amplificatore operazionale
Corrente di carico dello stabilizzatore I tu =U B-x .lRl.È interessante notare che se la tensione U Servizio BX all'ingresso invertente, cambierà solo la direzione della corrente senza modificarne il valore.
Fonti di corrente più potenti implicano il collegamento dei transistor di amplificazione all'amplificatore operazionale. Nella fig. 12 mostra uno schema della sorgente di corrente, e in Fig. 13 – circuito ricevitore di corrente.
Riso. 12. Circuito sorgente di corrente di precisione; tensione di ingresso – negativa
Figura 13. Circuito di scarico corrente di precisione; tensione di ingresso – positiva
In entrambi i dispositivi, la forza attuale è determinata mediante calcolo allo stesso modo della versione precedente dello stabilizzatore. Tale corrente, più precisamente, dipende solo dalla tensione Uin e dal valore del resistore R1, minore è la corrente di ingresso dell'amplificatore operazionale e minore è la corrente di controllo del primo transistor (dopo l'amplificatore operazionale), che viene quindi selezionato come transistor ad effetto di campo. La corrente di carico può raggiungere 100 mA.
Un circuito di una semplice e potente sorgente di corrente per un caricabatterie è mostrato in Fig. 14.
Riso. 14. Sorgente di corrente ad alta potenza
Qui R4– resistenza a filo per la misurazione della corrente. Corrente di carico nominale I N =ÄU/R4 = 5 Ed è installato. approssimativamente nella posizione centrale del cursore del resistore R1. Quando si carica la batteria di un'auto, la tensione Uin >18 V senza tenere conto delle ondulazioni della tensione alternata raddrizzata. In un dispositivo di questo tipo è necessario utilizzare un amplificatore operazionale con un intervallo di tensione di ingresso fino alla tensione di alimentazione positiva. OU K553UD2, K153UD2, K153UD6 e KR140UD18 hanno tali capacità.
Letteratura
Bokunyaev A. A. Stabilizzatori di tensione costante a relè - M: Energy, 1978, 88 p.
Rutkswski J. Amplificatori operazionali integrati. – M.: Mir, 1978, 323 p.
Khorolats P, Hill W. L'arte dell'ingegneria dei circuiti, vol.1. - M.; Mondo, – 1986, 598 pag.
Spencer R Alimentatore a basso costo e senza ripple. – Elettronica, 1973, N. 23, pagina 62.
Shilo V. L Circuiti integrati lineari. – M. Sov. Radio, 1979, 368 pag.
Lo svantaggio principale degli stabilizzatori lineari di media e alta potenza è la loro bassa efficienza. Inoltre, minore è la tensione di uscita dell'alimentatore, minore diventa la sua efficienza. Ciò è spiegato dal fatto che nella modalità di stabilizzazione, il transistor di potenza dell'alimentatore è solitamente collegato in serie al carico e, per il normale funzionamento di tale stabilizzatore, una tensione collettore-emettitore (11ke) di almeno 3. Sul transistor di regolazione devono funzionare ..5 V. Con correnti superiori a 1 A ciò si traduce in notevoli perdite di potenza dovute al rilascio dell'energia termica dissipata nel transistor di potenza. Il che porta alla necessità di aumentare l'area del dissipatore di calore o di utilizzare una ventola per il raffreddamento forzato.
Molto diffusi per il loro basso costo, gli stabilizzatori di tensione lineari integrati sui microcircuiti della serie 142EN (5...14) presentano lo stesso inconveniente. Recentemente sono apparsi in vendita microcircuiti importati della serie "LOW DROP" (SD, DV, LT1083/1084/1085). Questi microcircuiti possono funzionare con una tensione ridotta tra ingresso e uscita (fino a 1...1,3 V) e fornire una tensione di uscita stabilizzata nell'intervallo 1,25...30 V con una corrente di carico di 7,5/5/3 A, rispettivamente. L'analogo domestico più vicino in termini di parametri, tipo KR142EN22, ha una corrente di stabilizzazione massima di 5 A.
Alla corrente di uscita massima, la modalità di stabilizzazione è garantita dal produttore con una tensione di ingresso-uscita di almeno 1,5 V. I microcircuiti hanno anche una protezione integrata contro l'eccesso di corrente nel carico del valore consentito e una protezione termica contro il surriscaldamento di il caso.
Questi stabilizzatori forniscono un'instabilità della tensione di uscita di "0,05%/V, instabilità della tensione di uscita quando la corrente di uscita cambia da 10 mA a un valore massimo non peggiore di 0,1%/V. Un tipico circuito di collegamento per tali stabilizzatori di tensione è mostrato in Figura 4.1.
I condensatori C2...C4 dovrebbero essere posizionati vicino al microcircuito ed è meglio se siano al tantalio. La capacità del condensatore C1 viene selezionata dalla condizione di 2000 μF per 1 A di corrente. I microcircuiti sono disponibili in tre tipi di design dell'alloggiamento, mostrati in Fig. 4.2. Il tipo di alloggio è specificato dalle ultime lettere della designazione. Informazioni più dettagliate su questi microcircuiti sono disponibili nella letteratura di riferimento, ad esempio J119.
È economicamente fattibile utilizzare tali stabilizzatori di tensione quando la corrente di carico è superiore a 1 A, nonché in caso di mancanza di spazio nella progettazione. Gli elementi discreti possono essere utilizzati anche come alimentatore economico. Mostrato nella fig. Il circuito 4.3 è progettato per una tensione di uscita di 5 V e una corrente di carico fino a 1 A. Garantisce il normale funzionamento con una tensione minima sul transistor di potenza (0,7... 1,3 V). Ciò si ottiene utilizzando un transistor (VT2) a bassa tensione nello stato aperto come regolatore di potenza. Ciò consente al circuito stabilizzatore di funzionare a tensioni di ingresso-uscita inferiori.
Il circuito è dotato di protezione (tipo trigger) nel caso in cui la corrente nel carico superi il valore consentito, così come la tensione all'ingresso dello stabilizzatore supera 10,8 V.
L'unità di protezione è realizzata sul transistor VT1 e sul tiristore VS1. Quando il tiristore viene attivato, spegne l'alimentazione al microcircuito DA1 (il pin 7 è cortocircuitato con il filo comune). In questo caso, il transistor VT3, e quindi VT2, si chiuderà e l'uscita avrà tensione zero. Il circuito può essere riportato allo stato originale solo dopo aver eliminato la causa che ha provocato il sovraccarico, spegnendo e poi ripristinando l'alimentazione.
Di solito il condensatore SZ non è necessario: il suo compito è facilitare l'avvio del circuito al momento dell'accensione.
Il circuito può essere riportato allo stato originale solo dopo aver eliminato la causa che ha provocato il sovraccarico, spegnendo e poi ripristinando l'alimentazione. Di solito il condensatore SZ non è necessario: il suo compito è facilitare l'avvio del circuito al momento dell'accensione. La topologia del circuito stampato per il montaggio degli elementi è mostrata in Fig. 4.4 (contiene un ponticello del volume). Il transistor VT2 è installato sul radiatore.
Nella produzione sono state utilizzate le seguenti parti: resistore regolato R8 tipo SPZ-19a, altri resistori di qualsiasi tipo; condensatori C1 - K50-29V per 16 V, C2...C5 - K10-17, C5 - K52-1 per 6,3 V. Il circuito può essere integrato con un indicatore LED per l'intervento della protezione (HL1). Per fare ciò, dovrai installare elementi aggiuntivi: diodo VD3 e resistore R10, come mostrato in Fig. 4.5.
Letteratura: I.P. Shelestov - Schemi utili per radioamatori, libro 3.
A questo proposito, parte della tensione fornita all'uscita dello stabilizzatore “rimane” sul transistor, e il resto va all'uscita dello stabilizzatore. Se aumenti la tensione alla base di un transistor composito, si aprirà e la caduta di tensione ai suoi capi diminuirà e la tensione all'uscita dello stabilizzatore aumenterà di conseguenza. E viceversa. In entrambi i casi, il valore della tensione all'uscita dello stabilizzatore sarà vicino al livello di tensione alla base del transistor composito.
Il mantenimento del valore di tensione all'uscita dello stabilizzatore ad un dato livello viene effettuato grazie al fatto che parte della tensione di uscita (tensione di feedback negativo) dal partitore di tensione R10, R11, R12 viene fornita all'amplificatore operazionale DA1 (tensione negativa amplificatore di tensione di retroazione). La tensione di uscita dell'amplificatore operazionale in questo circuito tenderà ad un valore al quale la differenza di tensione ai suoi ingressi sarebbe zero.
Ciò accade come segue. La tensione di retroazione dal resistore R11 viene fornita all'ingresso 4 dell'amplificatore operazionale. All'ingresso 5, il diodo zener VD6 mantiene un valore di tensione costante (tensione di riferimento). La differenza di tensione agli ingressi viene amplificata dall'amplificatore operazionale e fornita attraverso il resistore R3 alla base del transistor composito, la caduta di tensione ai capi della quale determina il valore della tensione di uscita dello stabilizzatore. Parte della tensione di ingresso dal resistore R11 viene nuovamente fornita all'amplificatore operazionale. Pertanto, il confronto della tensione di retroazione con la tensione di riferimento e l'effetto della tensione di uscita dell'amplificatore operazionale sulla tensione di uscita dello stabilizzatore avviene continuamente.
Se aumenta la tensione all'uscita dello stabilizzatore, aumenta anche la tensione di retroazione fornita all'ingresso 4 dell'amplificatore operazionale, che diventa maggiore di quella di riferimento.
La differenza tra queste tensioni viene amplificata da un amplificatore operazionale, la cui tensione di uscita diminuisce e spegne il transistor composito. Di conseguenza, la caduta di tensione ai suoi capi aumenta, provocando una diminuzione della tensione di uscita dello stabilizzatore. Questo processo continua fino a quando la tensione di retroazione diventa quasi uguale alla tensione di riferimento (la loro differenza dipende dal tipo di amplificatore operazionale utilizzato e può essere 5...200 mV).
Quando la tensione di uscita dello stabilizzatore diminuisce, si verifica il processo inverso. Poiché la tensione di retroazione diminuisce, diventando inferiore alla tensione di riferimento, la differenza tra queste tensioni all'uscita dell'amplificatore di tensione di retroazione aumenta e apre il transistor composito, aumentando così la tensione di uscita dello stabilizzatore.
L'entità della tensione di uscita dipende da un numero sufficientemente elevato di fattori (corrente consumata dal carico, fluttuazioni di tensione nella rete primaria, fluttuazioni della temperatura ambiente, ecc.). Pertanto, i processi descritti nello stabilizzatore si verificano continuamente, cioè la tensione di uscita fluttua costantemente con deviazioni molto piccole rispetto ad un valore predeterminato.
La sorgente della tensione di riferimento fornita all'ingresso 5 dell'amplificatore operazionale DA1 è il diodo zener VD6. Per aumentare la stabilità della tensione di riferimento, la tensione di alimentazione viene fornita da uno stabilizzatore parametrico sul diodo zener VD5.
Per proteggere lo stabilizzatore dai sovraccarichi, vengono utilizzati un fotoaccoppiatore VU1, un sensore di corrente (resistore R8) e un transistor VT3. L'uso di un fotoaccoppiatore nell'unità di protezione (un LED e un fototiristore con connessione ottica e montati in un unico alloggiamento) aumenta l'affidabilità del suo funzionamento.
All'aumentare della corrente consumata dal carico dallo stabilizzatore, aumenta la caduta di tensione sul resistore R8 e quindi aumenta la tensione fornita alla base del transistor VT3. Ad un certo valore di questa tensione, la corrente di collettore del transistor VT3 raggiunge il valore richiesto per accendere il LED del fotoaccoppiatore VU1.
La radiazione del LED accende il tiristore dell'accoppiatore ottico e la tensione alla base del transistor composito diminuisce a 1... 1,5 V, poiché è collegato al bus comune tramite la bassa resistenza del tiristore acceso. Di conseguenza, il transistor composito si chiude e la tensione e la corrente all'uscita dello stabilizzatore vengono ridotte quasi a zero. La caduta di tensione sul resistore R8 diminuisce, il transistor VT3 si chiude e il fotoaccoppiatore si spegne, ma il tiristore rimane acceso finché la tensione al suo anodo (relativa al catodo) diventa inferiore a 1 V. Ciò accadrà solo se la tensione di ingresso viene modificata stabilizzatore spento oppure i contatti del pulsante SB1 sono chiusi.
Brevemente sullo scopo dei restanti elementi del circuito. Il resistore R1, il condensatore C2 e il diodo zener VD5 formano uno stabilizzatore parametrico che serve a stabilizzare la tensione di alimentazione dell'amplificatore operazionale e stabilizzare preliminarmente la tensione di alimentazione della sorgente di tensione di riferimento R5, VD2. Il resistore R2 fornisce la tensione iniziale alla base del transistor composito, aumentando l'affidabilità dell'avvio dello stabilizzatore. Il condensatore SZ impedisce l'eccitazione dello stabilizzatore a bassa frequenza. Il resistore R3 limita la corrente di uscita dell'amplificatore operazionale in caso di cortocircuito alla sua uscita (ad esempio, quando il tiristore dell'accoppiatore ottico è acceso).
Il circuito R4, C2 impedisce l'eccitazione dell'amplificatore operazionale ed è selezionato in conformità con le raccomandazioni fornite nella letteratura di riferimento per il tipo specifico di amplificatore operazionale.
Il diodo Zener VD7 e il resistore R7 formano uno stabilizzatore parametrico, che serve a mantenere la tensione di alimentazione dell'unità di protezione a un livello costante quando cambia la tensione di uscita dello stabilizzatore.
Il resistore R6 limita la corrente del collettore del transistor VT3 al livello richiesto per il normale funzionamento del LED dell'accoppiatore ottico. Come resistore R6, utilizzare un resistore di tipo C5-5 o uno fatto in casa realizzato con filo ad alta resistenza (ad esempio, una spirale di ferro o piastra riscaldante).
Il condensatore C1 riduce il livello di ondulazione della tensione di ingresso e C5 - la tensione di uscita dello stabilizzatore. Il condensatore C6 blocca il circuito di uscita dello stabilizzatore per le armoniche ad alta frequenza. Il normale regime termico del transistor VT2 a correnti di carico elevate è assicurato installandolo su un radiatore con un'area di almeno 100 cm.
Lo stabilizzatore fornisce una regolazione uniforme della tensione di uscita entro 4,5...12 V con una corrente di uscita fino a 1 A con un livello di ondulazione della tensione di uscita non superiore a 15 mV. La protezione da sovraccarico viene attivata quando la corrente di uscita supera 1,1 A.
Ora sulla sostituzione degli elementi. L'amplificatore operazionale K553UD1 può essere sostituito con K140UD2, K140UD9, K553UD2. Il transistor VT1 può essere del tipo KT603, KT608 e VT2 - KT805, KT806, KT908, ecc. Con qualsiasi indice di lettera. Fotoaccoppiatore: il tipo specificato con qualsiasi indice di lettere.
La tensione CA viene fornita al raddrizzatore stabilizzatore da qualsiasi trasformatore step-down che fornisce una tensione di uscita di almeno 12 V con una corrente di 1 A. I trasformatori di uscita TVK-110 LM e TVK-110 L1 possono essere utilizzati come tale trasformatore .
Stabilizzatore su un chip specializzato
I trasformatori di cui sopra possono essere utilizzati insieme a uno stabilizzatore di tensione, il cui schema è mostrato in figura. È assemblato su un circuito integrato specializzato K142EN1. È uno stabilizzatore di tensione continuo con collegamento sequenziale dell'elemento di controllo.
Caratteristiche prestazionali sufficientemente elevate, un circuito di protezione da sovraccarico integrato che funziona da un sensore di corrente esterno e un circuito per accendere/spegnere lo stabilizzatore da una sorgente di segnale esterna consentono di produrre un alimentatore stabilizzato basato su di esso, fornendo tensioni di uscita nell'intervallo 3...12 V.
Lo stesso circuito dello stabilizzatore di tensione integrato non può fornire una corrente di carico superiore a 150 mA, che chiaramente non è sufficiente per il funzionamento di alcuni dispositivi. Pertanto, per aumentare la capacità di carico dello stabilizzatore, alla sua uscita è collegato un amplificatore di potenza basato su un transistor composito VT1, VT2. Grazie a ciò, la corrente di uscita dello stabilizzatore può raggiungere 1,5 A nell'intervallo di tensione di uscita specificato.
La tensione di feedback fornita all'uscita del circuito integrato DA1, che in questo circuito funge da amplificatore a feedback negativo con una sorgente di tensione di riferimento interna, viene rimossa dal resistore R5. Il resistore R3 funge da sensore di corrente per l'unità di protezione da sovracorrente. I resistori R1, R2 forniscono la modalità operativa del transistor VT2 e del transistor di protezione interna del circuito integrato DA1. Il condensatore C2 elimina l'autoeccitazione del circuito integrato alle alte frequenze.
Il resistore R3 è avvolto a filo, simile a quello descritto in precedenza. Come transistor VT1, puoi utilizzare transistor come KT603, KT608 e VT2 - KT805, KT809, ecc. Con qualsiasi indice di lettera.
Schema:
Lo stabilizzatore di tensione sugli amplificatori operazionali (operazionali) a volte non si avvia, ad es. non entra in modalità di stabilizzazione all'accensione e la tensione alla sua uscita rimane praticamente pari a zero. Dopo aver sostituito il microcircuito, lo stabilizzatore inizia a funzionare normalmente. Il controllo dell'amplificatore operazionale sostituito mostra che funziona perfettamente. Quando questo amplificatore operazionale viene reinstallato in uno stabilizzatore funzionante, il fenomeno sopra descritto si ripete: lo stabilizzatore non si riavvia. Sopra è riportato un diagramma di uno degli stabilizzatori tipici in cui è stato osservato questo fenomeno.
Dopo una serie di esperimenti è stato stabilito. che la sua causa è la tensione di polarizzazione Ucm dell'amplificatore operazionale, mostrata di seguito convenzionalmente sotto forma di una sorgente di tensione costante:
La resistenza di ingresso dell'amplificatore operazionale è rappresentata dal resistore Rin. La tensione di miscelazione dell'amplificatore operazionale, come è noto, può avere qualsiasi polarità. Supponiamo che il risultato sia quello mostrato in figura. Quindi, nel primo momento dopo l'accensione, la tensione di uscita dello stabilizzatore, e quindi la tensione tra gli ingressi dell'amplificatore operazionale, è pari a zero e il polo negativo della sorgente Ucm è collegato direttamente al non- invertendo l'ingresso dell'amplificatore operazionale. La tensione alla sua uscita diminuisce e ad un valore sufficientemente grande del valore centrale (per K1UT531B, ad esempio, può raggiungere 7,5 mV) a causa dell'elevato fattore di amplificazione della tensione, lo stadio di uscita dell'amplificatore operazionale è altamente saturo, la tensione di uscita è di soli decimi di volt. Questa tensione non è sufficiente per aprire il transistor regolatore dello stabilizzatore e quindi non si avvia. Se si scopre che dopo aver sostituito il microcircuito, la tensione di polarizzazione dell'amplificatore operazionale appena installato non è troppo alta o la sua polarità è opposta a quella mostrata in Fig. 2a lo stabilizzatore si avvierà normalmente.
Puoi eliminare la necessità di una selezione ad alta intensità di manodopera di un'istanza di amplificatore operazionale per ciascuno stabilizzatore specifico in vari modi. Uno di questi, ad esempio, consiste nell'utilizzare un partitore di tensione con un diodo di separazione per avviare lo stabilizzatore (Fig. 2b). La tensione sul resistore R2 deve soddisfare le seguenti disuguaglianze:
Dove:
Uin.min e Uin.max - tensioni di ingresso minima e massima dello stabilizzatore;
Ud - caduta di tensione massima sul diodo V1;
Ucm.max - tensione di polarizzazione massima dell'amplificatore operazionale;
U3 nom - tensione all'ingresso 3 dell'amplificatore operazionale (vedere Fig. 1) nella modalità nominale dello stabilizzatore.
Quando lo stabilizzatore è collegato a una fonte di alimentazione, la tensione positiva dal resistore R2 (Fig. 2. b) viene fornita attraverso il diodo VI all'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale. Allo stesso tempo, la tensione di uscita dell'amplificatore operazionale aumenta notevolmente e il transistor di regolazione dello stabilizzatore si apre.
Dopo che lo stabilizzatore raggiunge la sua modalità nominale, il diodo VI si chiude e disconnette il partitore di tensione dall'ingresso dell'amplificatore operazionale. Per eliminare completamente l'influenza della tensione di attivazione sul funzionamento dello stabilizzatore, è necessario scegliere un diodo al silicio con una corrente inversa bassa.
Un test pratico ha confermato l'efficacia dell'utilizzo del circuito descritto: lo stabilizzatore con esso si è avviato perfettamente a qualsiasi valore di tensione e polarità Ucm. mentre senza di esso a volte lo stabilizzatore non si accendeva. L'influenza del circuito di attivazione sulle prestazioni dello stabilizzatore (coefficiente di stabilizzazione - superiore a 6000, resistenza di uscita 8 mOhm) non è stata notata.
Come sai, i LED richiedono una corrente stabile per alimentarli. Un dispositivo in grado di fornire ai LED una corrente stabile è chiamato driver LED. Questo articolo è dedicato alla produzione di tale driver utilizzando un amplificatore operazionale.
Quindi, l'idea principale è stabilizzare la caduta di tensione su un resistore di valore noto (nel nostro caso R 3), collegato in serie al carico (LED). Poiché il resistore è collegato in serie al LED, lo attraversa la stessa corrente. Se questo resistore viene selezionato in modo tale da non surriscaldarsi praticamente, la sua resistenza rimarrà invariata. Pertanto, stabilizzando la caduta di tensione ai suoi capi, stabilizziamo sia la corrente che lo attraversa che, di conseguenza, la corrente attraverso il LED.
Cosa c'entra l'amplificatore operazionale? Sì, nonostante una delle sue proprietà notevoli sia che l'amplificatore operazionale tende a uno stato in cui la differenza di tensione ai suoi ingressi è zero. E lo fa modificando la tensione di uscita. Se la differenza U 1 -U 2 è positiva, la tensione di uscita aumenterà e se è negativa diminuirà.
Immaginiamo che il nostro circuito sia in un certo stato di equilibrio quando la tensione all'uscita dell'amplificatore operazionale è uguale a Uout. In questo caso, una corrente I n scorre attraverso il carico e il resistore. Se per qualche motivo la corrente nel circuito aumenta (ad esempio, se la resistenza del LED diminuisce a causa del riscaldamento), ciò causerà un aumento della caduta di tensione attraverso il resistore R 3 e, di conseguenza, un aumento della tensione a l'ingresso invertente dell'amplificatore operazionale. Apparirà una differenza di tensione negativa (errore) tra gli ingressi dell'amplificatore operazionale e, nel tentativo di compensarla, l'amplificatore operazionale ridurrà la tensione di uscita. Lo farà finché le tensioni ai suoi ingressi non saranno uguali, vale a dire finché la caduta di tensione sul resistore R 3 diventa uguale alla tensione sull'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale.
Pertanto, l'intero compito si riduceva alla stabilizzazione della tensione sull'ingresso non invertente dell'amplificatore operazionale. Se l'intero circuito è alimentato da una tensione stabile U p, per questo è sufficiente un semplice divisore (come nel diagramma 1). Il divisore è collegato a una tensione stabile, quindi anche l'uscita del divisore sarà stabile.
Calcoli: Per i calcoli scegliamo un esempio reale: diciamo di voler alimentare due led superluminosi retroilluminati di un cellulare Nokia da una tensione Up=12V (un'ottima torcia per un'auto). Dobbiamo far passare una corrente di 20 mA attraverso ciascun LED e allo stesso tempo abbiamo un doppio amplificatore operazionale LM833 strappato dalla scheda madre. A questa corrente, i nostri LED brillano molto più intensamente che in un telefono, ma non si bruceranno; il riscaldamento significativo inizia da qualche parte più vicino a 30 mA. Effettueremo il calcolo per un canale dell'opamp, perché per il secondo è assolutamente simile.
tensione all'ingresso non invertente: U 1 =U p *R 2 /(R 1 +R 2)
tensione all'ingresso invertente: U 2 =I n *R 3
dalla condizione di uguaglianza delle tensioni in uno stato di equilibrio:
U1 =U2 => I n =U p *R 2 /R 3 *1/(R 1 +R 2)
 Come scegliere i valori degli elementi? Innanzitutto, l'espressione per U 1 è valida solo se la corrente di ingresso dell'amplificatore operazionale = 0. Cioè, per un amplificatore operazionale ideale. Per ignorare la corrente di ingresso di un vero amplificatore operazionale, la corrente che attraversa il divisore deve essere almeno 100 volte maggiore della corrente di ingresso dell'amplificatore operazionale. Il valore della corrente in ingresso può essere visualizzato nel datasheet; solitamente per i moderni amplificatori operazionali può variare da decine di picoamp a centinaia di nanoamp (nel nostro caso, corrente di polarizzazione in ingresso max=1 µA). Cioè, la corrente che attraversa il divisore deve essere almeno 100..200 μA. In secondo luogo, da un lato, maggiore è R3, più sensibile è il nostro circuito alle variazioni di corrente, ma dall'altro un aumento di R3 riduce l'efficienza del circuito, poiché il resistore dissipa potenza proporzionale alla resistenza. Partiremo dal presupposto che non vogliamo che la caduta di tensione attraverso il resistore sia superiore a 1 V. |
 Quindi, sia R 1 =47 kOhm, quindi tenendo conto del fatto che U 1 =U 2 =1V, dall'espressione per U 1 otteniamo R 2 =R 1 /(U p /U 1 -1) = 4.272 - > dalla serie standard scegliere una resistenza da 4,3 kOhm. Dall'espressione per U 2 troviamo R 3 =U 2 /I n =50 -> seleziona una resistenza da 47 Ohm. Controlliamo la corrente attraverso il divisore: I d = U p / (R 1 + R 2) = 234 μA, che ci va abbastanza bene. Potenza dissipata da R 3: P = I n 2 * R 3 = 18,8 mW, anche questo abbastanza accettabile. Per fare un confronto, i resistori MLT-0,125 più comuni hanno una potenza nominale di 125 mW. |
Come già notato, il circuito sopra descritto è progettato per un'alimentazione stabile U p Cosa fare se l'alimentazione NON è stabile. La soluzione più semplice è sostituire la resistenza R 2 del divisore con un diodo zener. Cosa è importante considerare in questo caso?
Innanzitutto è importante che il diodo zener possa funzionare sull'intero intervallo della tensione di alimentazione. Se la corrente attraverso R 1 D 1 è troppo piccola, la tensione sul diodo zener sarà significativamente più alta della tensione di stabilizzazione, di conseguenza, la tensione di uscita sarà significativamente più alta del necessario e il LED potrebbe bruciarsi. Quindi, è necessario che a U p min la corrente attraverso R 1 D 1 sia maggiore o uguale a I st min (troviamo la corrente di stabilizzazione minima dalla scheda tecnica del diodo zener).
R 1 max = (U p min -U st)/I st min
In secondo luogo, alla massima tensione di alimentazione, la corrente attraverso il diodo zener non dovrebbe essere superiore a Ist max (il nostro diodo zener non dovrebbe bruciarsi). Questo è
R 1 min =(U p max -U st)/I st max
E infine, in terzo luogo, la tensione su un vero diodo zener non è esattamente uguale a U st: a seconda della corrente, varia da U st min a U st max. Di conseguenza, anche la caduta sul resistore R 3 cambia da U st min a U st max. Anche questo va tenuto in considerazione, poiché maggiore è il ΔU st, maggiore è l'errore di regolazione della corrente, in funzione della tensione di alimentazione.
Bene, ok, abbiamo a che fare con piccole correnti, ma cosa succede se abbiamo bisogno di una corrente attraverso il LED non di 20, ma di 500 mA, che supera le capacità dell'amplificatore operazionale? Anche qui tutto è abbastanza semplice: l'uscita può essere amplificata utilizzando un transistor bipolare o ad effetto di campo convenzionale, tutti i calcoli rimangono invariati. L'unica condizione ovvia è che il transistor debba resistere alla corrente richiesta e alla massima tensione di alimentazione.
Bene, probabilmente è tutto. Buona fortuna! E non buttare via in nessun caso la tua vecchia spazzatura radiofonica: abbiamo ancora molte cose interessanti da fare.
