Высоковольтный стабилизатор на ОУ

Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассматривал схемы стабилизаторов напряжения на операционных усилителях. Данные схемы обладают хорошими стабилизационными показателями и простотой исполнения, но существует небольшое ограничение их применения, которое заключается в том, что выходное напряжение таких источников питания ограничивается напряжением питания ОУ. В большинстве случаев ОУ имеют питание +/- 15 В или даже +/- 22 В. При использовании таких ОУ в стабилизаторах напряжения, даже с учётом однополярного питания, стабилизируемое напряжение не будет превышать 30…40 В, что в большинстве случаев вполне достаточно. Однако существуют такие устройства, где необходимо стабилизированное выходное напряжение превышающее напряжение питания ОУ. Такие схемы получили название стабилизаторов с «плавающим» ОУ.

Плавающее питание ОУ

Особенностью работы схемы данного типа является то, что питание ОУ не «заземляется» в целом, а находится между напряжением общего провода и напряжением источника питания, то есть как бы «плавает» между ними. Для пояснения работы схем данного типа изобразим принципиальную схему стабилизатора с «плавающим» питание ОУ


схема стабилизатора напряжения с «плавающим» питанием ОУ
Принципиальная схема стабилизатора напряжения с «плавающим» питанием ОУ.

Данная схема является стандартной и описана во многих источниках и учебных пособиях. Операционный усилитель DA1 включен по схеме стабилизатора с умножением опорного напряжения. Опорное напряжение задаётся параметрическим стабилизатором VD1R1, коэффициент умножения – резисторами R4R5 включенными в цепь обратной связи ОУ. Транзистор VT1 включенный на выходе ОУ используется в качестве проходного и служит для увеличения выходной мощности стабилизатора. Данные элементы стандартны во всех стабилизаторах на остове ОУ.

Питание же ОУ осуществляется специальными элементами схемы. Параметрический стабилизатор VD3R3 ограничивает максимальное напряжение питания ОУ. Так как выходное напряжение стабилизатора UВЫХ должно быть меньше напряжения питания положительной полярности UПИТ+, то для его поднятия служит параметрический стабилизатор VD2R2.

Работает данная схема следующим образом. Допустим нам необходимо получить на выходе стабилизатора напряжение UВЫХ = 50 В UВЫХ, в тоже время на входе схемы имеется нестабилизированное напряжение порядка UВХ = 70 В. Напряжение питания ОУ DA1 составляет +/- 15 В, то есть сумма питающих напряжений составит  UПИТ = 30 В, данное напряжение должен обеспечить параметрический стабилизатор VD3R3. В качестве опорного напряжения примем величину равную UОП =10 В, которое обеспечивает стабилизатор VD1R1, а соответствующий коэффициент умножения К = 10 должна обеспечить цепь ООС R4R5, согласно следующему соотношению

2016111401

Для обеспечения условия превышения напряжения питания над выходным напряжением стабилизатора применяется стабилизатор VD2R2, напряжение стабилизации которого обычно принимают равным 10 В.

Таким образом, независимо от величины входного напряжения разность потенциалов между инвертирующим входом и выходом ОУ ограничена стабилитроном VD1, а напряжение на неинвертирующем входе ненамного отличается от напряжения на инвертирующем входе.

Недостатками данной схемы является то, что при увеличении напряжения на выходе схемы при постоянных остальных параметрах уменьшается коэффициент стабилизации данной схемы. Ещё одним существенным недостатком схемы является то, что на резисторах R1 и R5 присутствует довольно большой потенциал.

Улучшение схемы стабилизатора с «плавающим» питание ОУ

Значительно улучшить характеристики схемы стабилизатора с «плавающим» питанием ОУ можно применив питание ОУ от отдельного источника, а также применив защиту входов ОУ, схема такого стабилизатора показана ниже


Улучшенная схема стабилизатора напряжения на ОУ с «плавающим» питанием
Улучшенная схема стабилизатора напряжения на ОУ с «плавающим» питанием.

Данная схема состоит из ОУ DA1, в цепь ООС которого  включена интегрирующая цепочка C1R4, источника опорного напряжения R1VD1, делитель R2R3 для установления коэффициента усиления интегратора и регулирующий элемент на транзисторе VT1 с токоограничительным резистором R5.

Работа данной схемы основана на тех же принципах, что и предыдущая, то есть общий провод (┴) ОУ подсоединен не к общему выводу стабилизатора (UВЫХ-), а к положительному выводу (UВЫХ+). В этом случае создаются условия для перехода транзистора в режим регулирования напряжения и тока.

Основными отличиями данной схемы является то, что для питания ОУ необходим двухполярный источник напряжения общий провод которого подсоединён к положительному выводу стабилизатора напряжения. Кроме этого источник опорного напряжения представляет собой параметрический стабилизатор R1VD1, который питается от положительного вывода двухполярного источника.

Коэффициент усиления данной схемы а следовательно и величина выходного напряжения зависит от опорного напряжения и некоторого коэффициента который задаётся делителем напряжения R2R3. Выходное напряжение определяется из следующего выражения

2016111402

В отличие от предыдущей схемы в данном стабилизаторе применён интегратор, который служит для устранения самовозбуждения ОУ при резких изменениях нагрузки, в результате которых на входе ОУ возникают скачки напряжения. Величину сопротивления R4 выбирают порядка нескольких килом, а емкость конденсатора C1 – десятков нанофарад.

Защита входов ОУ от перегрузки

В результате работы схемы стабилизатора напряжения на ОУ с «плавающим» питанием на входах ОУ могут возникать всплески напряжения и переходные процессы с высокой амплитудой напряжения, которые могут привести к выходу их строя ОУ. Поэтому необходимо обеспечить защиту входов ОУ. Существует несколько схем, обеспечивающих защиту от высоких дифференциальных и синфазных напряжений на входах ОУ, в основе которых лежат ограничители напряжения на диодах. Данные схемы показаны ниже

zashhita_vxodov_1

zashhita_vxodov_2

zashhita_vxodov_3
Схемы защиты операционного усилителя от превышения входных напряжений.

Изображённые выше схемы защиты входов ОУ действуют по принципу ограничителей напряжения, то есть до тех пор пока входные напряжения ОУ не превышают нескольких сотен милливольт диоды не проводят ток и практически не оказывают никакого влияния на входные сигналы. Как только входное напряжение превысит величину прямого падения напряжения на диодах, то они откроются и перейдут в проводящее состояние, что приведёт к ограничению напряжения на входах ОУ.

Скажи спасибо автору нажми на кнопку социальной сети

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

code