Построение двуполярных стабилизаторов напряжения на ОУ

Операционные усилители (ОУ) находят все более широкое применение в самых различных узлах радиолюбительской аппаратуры, в том числе и в стабилизированных блоках питания. ОУ позволяют резко повысить качественные показатели стабилизаторов и их эксплуатационную надежность. Об использовании ОУ в стабилизаторах можно прочитать в журнале Радио (1975, № 12, с. 51, 52 и 1980, № 3, с. 33—35); В помещенной ниже статье описано построение двуполярных стабилизаторов на ОУ.

Проще всего двуполярный стабилизатор напряжения может быть получен из двух одинаковых однополярных, как показано на рис. 1.

Этот двуполярный стабилизатор может обеспечить по каждому из плеч питание нагрузки током до 0,5. А. Коэффициент стабилизации при изменении входного напряжения на ±10% равен 4000. При изменении сопротивления нагрузки от нуля до максимума выходное напряжение стабилизатора изменяется не более чем на 0,001%, т. е. его выходное сопротивление не превышает 0,3 МОм. Пульсации выходного напряжения частотой 100 Гц при максимальном токе нагрузки— не более 1 мВ (двойное амплитудное значение).

Достоинство, такого способа построения двуполярного стабилизатора очевидно — возможность применения однотипных элементов для обоих плеч. Недостаток же заключается в том, что источники входного переменного напряжения в этом случае не должны иметь общей точки, иными словами необходимы две изолированные одна от другой вторичные обмотки на сетевом трансформаторе, два отдельных выпрямителя и четырехпроводное соединение стабилизатора с выпрямителями.

Для того чтобы сократить число соединительных проводов до трех, необходимо регулирующий элемент (транзисторы V4, V5) нижнего по схеме плеча стабилизатора перенести из его плюсового в минусовбй провод (верхний канал остается без изменения). Сделать это можно, применив транзисторы другой структуры: п—р—я для транзистора V4 и р—п—р для V5 (рис. 2, а). Выходное напряжение операционного усилителя А2 при этом будет иметь отрицательную полярность относительно общего провода. По параметрам этот стабилизатор практически не отличается от описанного выше.

Заметим, что при указанном перенесении регулирующего элемента можно ограничиться заменой только одного из транзисторов, а именно V5, если включить регулирующий элемент по схеме составного транзистора (рис. 2, б) — при этом мощные регулирующие транзисторы в обоих плечах стабилизатора (VI и V4 по рис. 2, а) остаются одинаковыми. Коэффициент стабилизации При таком видоизменении регулирующего элемента практически остается прежним (около 4000), но выходное сопротивление нижнего плеча может увеличиться, так как при переходе к составному регулирующему транзистору теряется преимущество, свойственное сочетанию в регулирующем , элементе двух транзисторов разной структуры (подробнее об этом см. в Радио, 1975, № 12, с. 51). При экспериментальной проверке рассматриваемых стабилизаторов было зафиксировано, например, увеличение выходного сопротивления в три раза.

Мощные регулирующие транзисторы одного типа в обоих плечах двуполярного стабилизатора могут быть применены и в том случае, если по схеме составного транзистора включить регулирующий элемент верхнего по схеме плеча стабилизатора (рис. 2, в), оставив в другом стабилизаторе транзисторы разной структуры. В рассмотренных стабилизаторах ОУ питаются непосредственно входным однополярным напряжением, но это возможно только в тех случаях, когда входное напряжение примерно равно номинальному напряжению питания ОУ.

Если первое, из названых напряжений превышает второе, то питать ОУ можно, например, от простейших параметрических стабилизаторов, ограничивающих входное напряжение на необходимом уровне. В том случае, когда напряжение питания, каждого, из плеч стабилизатора оказывается, значительно меньше: необходи-. мого для питания ОУ, следует перейти к его питанию двуполярным напряжением. В двуполярных стабилизаторах это реализуется сравнительно просто.

На рис, 3 показана схема стабилизатора, выходное двуполярное напряжение которого . равно, напряжению питания. ОУ, что позволило питать их непосредственно, с выхода стабилизатора. Тр.анзисторы V3 и V8 обеспечивают усиление выходного напряжения ОУ до .необходимого уровня. Диод V4 защищает эмиттерный переход транзистора V3 от обратного напряжения, которое может появляться на выходе ОУ (при его двуполярном питании), например, при переходных процессах. В том случае, когда наибольшее допустимое обратное напряжение между эмиттером и базой транзистора превышает напряжение питания ОУ, применение такого диода является излишним. Именно поэтому в базовой цепи транзистора V8 диод отсутствует.

Место включения источников образцового напряжения (стабилитронов V5 и V9) по сравнению с рассмо-тренным ранее стабилизатором (см. рис. 2, а) здесь изменено для того, чтобы сохранить отрицательный характер обратной связи при наличии дополнительных усилителей на транзисторах V3 и V8. Обратная связь была бы отрицательной и в том случае, если каждый из. стабилитронов V5 и V9 включить между инвертирующим входом соответствующего ОУ и общим проводом стабилизатора, но в рассматриваемом случае такое включение недопустимо, так как при этом будет превышено предельное синфазное напряжение, которое для ОУ К1УТ40ДБ (новое наименование К140УД1Б) равно ±6 В.

При питании ОУ выходным напряжением следует обращать особое внимание на надежность запуска стабилизатора. В рассматриваемом случае такой запуск обеспечивается тем, что сразу после подачи входного напряжения через нагрузочные резисторы R2 и R9 протекают базовые токи транзисторов V2 и V7 соответственно. Регулирующие, элементы плеч стабилизатора при этом открываются, выходные напряжения увеличиваются, вводя устройство в рабочий режим.

Экспериментальная проверка этого стабилизатора дала следующие результаты: коэффициент стабилизации при изменении входного напряжения на ±10% превышает 10 000, выходное сопротивление равно 3 МОм.

Все рассмотренные выше двуполярные стабилизаторы напряжения представляют собой сочетание двух объединенных общим проводом однополярных стабилизаторов, выходные напряжения которых устанавливают не зависимо одно от другого. При таком построении двуполярного стабилизатора трудно обеспечить равенство напряжений его плеч как при налаживании стабилизатора, так и в условиях его эксплуатации.

В ряде случаев, например в преобразователях код-напряжение, к двуролярному стабилизатору предъявляются весьма высокие требования в отношении симметричности его выходного напряжения относительно общего провода. Выполнение таких требований сравнительно просто обеспечивается в стабилизаторе, схема которого показана на рис. 4.

Здесь верхнее по схеме плечо ничей не отличается от верхнего плеча предыдущего стабилизатора (см. рис. 3). Нижнее же плечо построено иначе. В нем инвертирующий вход ОУ соединен с общим проводом, и, следовательно, напряжение на этом входе равно нулю. Так как дифференциальное входное напряжение ОУ незначительно (доли или единицы милливольт), то и напряжение на неинвертирующем входе будет равно нулю. Но этот вход ОУ подключен к средней точке делителя напряжения R14R15, включенного между крайними выводами стабилизатора. Благодаря этому абсолютная величина напряжения Uвых.н на выходе нижнего плеча ста-билизатрра будет определяться следующим выражением:

— напряжение верхнего плеча.

это приведет к увеличению напряжения на неинвертирующем входе ОУ А2 и, следовательно, на его выходе. При этом транзистор V8 начнет закрываться, и напряжение на регулирующем транзисторе V6 уменьшится. Выходное напряжение , нижнего плеча увеличится до такого, уровня, при котором напряжение на неинвертирующем входе ОУ А2 вновь станет равным нулю, т. е. до вновь установленного уровня

Таким образом, в рассматриваемом двуполярном стабилизаторе напряжение на выходе обоих плеч устанавливается одним подстроечным резистором R8, а равенство абсолютных. величин положительного и отрицательного выходных напряжений при R14 = R15 определяется лишь классом точности этих резисторов.

По своим качественным показателям стабилизатор не отличается от предыдущего,