Каталог радиолюбительских схем

Ю. Тимлия

Применение операционных усилителей в стабилизаторах напряжения позволяет значительно уменьшить их выходное сопротивление и увеличить коэффициент стабилизации. В журнале “Радио”, в выпусках “В помощь радиолюбителю” неоднократно описывались подобные источники. Но они чаще всего позволяют получать стабилизированное напряжение, регулируемое лишь в небольших пределах.

В радиолюбительской практике нередко возникает необходимость иметь один или два универсальных источника питания с широким диапазоном регулировки выходного напряжения. К сожалению, описываемые в печати источники питания обычно не позволяют получать выходное напряжение ниже напряжения стабилизации опорного стабилитрона.

Стабилизатор, упрощенная схема которого приведена на рис. 1, а, свободен от этого недостатка. В нем выходное напряжение поддерживается таким, чтобы напряжение, которое снимается с делителя R1R2 и подается на неинвертирующий вход операционного усилителя (ОУ) МС1, было равно напряжению на его инвертирующем входе, т. е. равно нулю. При этом напряжение, снимаемое с выхода ОУ, будет достаточно для поддержания режима работы транзисторов Т1 и Т2, которые обеспечивают необходимое выходное напряжение. Увеличение (уменьшение) выходного напряжения вызывает увеличение (уменьшение) напряжения на неинвертирующем входе ОУ, что приводит к увеличению (уменьшению) тока базы транзистора Т2 и, в свою очередь, вызывает уменьшение (увеличение) выходного напряжения до тех пор, пока на неинвертирующем входе ОУ оно не будет равно нулю.

Приравняв напряжение на неинвертирующем входе к нулю, получим следующее выражение для напряжения на выходе стабилизатора:

где Uоп — опорное напряжение.

Можно использовать включение регулирующего транзистора T1 по схеме, показанной на рис. 1, б. Здесь нагрузка Rн включена в коллекторную цепь регулирующего транзистора T1. Напряжение с делителя R1R2 необходимо подавать на инвертирующий вход микросхемы.

Уменьшение сопротивления нагрузки, подключенной к выходным зажимам стабилизатора, вызывает уменьшение выходного напряжения, а значит и напряжения, подаваемого на вход операционного усилителя. Это изменение напряжения, усиленное в несколько тысяч раз, воздействует на транзистор Т2, заставляя его открываться. При этом увеличивается и ток базы, и коллектора транзистора T1, что приводит к увеличению напряжения на нагрузке. Условия для статического состояния напряжения на выходе аналогичны стабилизатору по предыдущей схеме.

Сравнивая стабилизаторы, выполненные по схемам рис. 1, а и б, можно сделать вывод, что мощность, рассеиваемая на транзисторах T1, у них одинаковая. О транзисторах Т2 этого сказать нельзя. В первом случае мощность, выделяемая на транзисторе Т2, определяется напряжением на коллекторе этого транзистора, равным выходному напряжению стабилизатора, и током коллектора, который в основном проходит через резистор R3. Эта мощность рассеивается постоянно и не зависит от тока нагрузки. Во втором стабилизаторе мощность, выделяемая на транзисторе 72, определяется питающим напряжением Uвх и током базы транзистора T1, сила которого пропорциональна силе тока нагрузки.

В стабилизаторе, изображенном на рис. 1, а, желательно, чтобы для управления током базы транзистора T1 использовался весь ток транзистора Т2, поэтому сопротивление резистора R3 должно быть больше, чем входное сопротивление транзистора T1. В этом случае при небольшом токе нагрузки транзистор T1 работает в режиме, близком к режиму с “отключенной базой”, и через него постоянно протекает ток, который равен (h21э—1) Iкбо. При этом регулирующий транзистор должен быть кремниевый, так как германиевый из-за значительного обратного тока коллектора Iкбо не позволит получать малые выходные напряжения, особенно при небольшой силе тока нагрузки.

Как уже говорилось, напряжение на выходе стабилизатора определяется сопротивлением резисторов R1 и R2 и опорным напряжением U_оп. Стабильность устройства в целом также будет определяться стабильностью источника опорного напряжения. Но так как этот источник нагружен на резисторы R1 и R2, сопротивления которых могут быть довольно большими, то требования к нагрузочной способности весьма низкие (например, параметрический стабилизатор).

Если коэффициент стабилизации источника питания лежит в пределах от 10 до 100, то в источнике опорного напряжения достаточно одного стабилитрона. Для более высокой стабильности можно применить двухступенчатый параметрический стабилизатор напряжения (рис. 2, а). Первая его ступень выполнена на стабилитронах Д1 и Д2, вторая на стабилитроне ДЗ. Этот же источник можно использовать и для питания микросхем, если его опорное напряжение будет соответствовать питающему напряжению этих микросхем.

Защиту стабилизированного источника питания от перегрузок и ограничение его выходного тока можно сделать по схеме, приведенной на рис. 2, б. С увеличением силы тока, потребляемого нагрузкой, увеличивается падение напряжения на резисторе R4. Когда это напряжение превысит некоторый порог, транзистор Т1 откроется и будет шунтировать резистор R1, что приведет к уменьшению выходного напряжения. При уменьшении тока нагрузки транзистор Т1 закроется.

Предлагаемый сдвоенный двуполярный блок питания, в котором используются операционные усилители, представляет собой два независимых источника питания. Каждый из них позволяет получить стабилизированное напряжение, регулируемое от 0 до 35 В, а при последовательном соединении — от 0 до 70 В. Ограничитель выходного тока — пятипредельный: 10, 50, 100 мА, 0,5 и 1 А. При токе нагрузки 0,5 А коэффициент стабилизации устройства равен 10000. Температурный дрейф выходного напряжения не превышает 0,1% в диапазоне температур от —10 до +30° С. Пульсации выходного напряжения при_токе нагрузки 0,5 А не более 1 мВ. Выходное сопротивление не более 0,02 Ом.

Структурная схема сдвоенного двуполярного источника питания приведена на рис. 3. Он состоит из общего выпрямителя 1, источника опорного напряжения 2, двух стабилизаторов напряжения 3 и 4 с ограничителями выходного тока и вольтметра 5, позволяющего измерять выходное напряжение как в каждом канале, так и суммарное напряжение двух каналов.

Принципиальная схема блока питания показана на рис. 4. О принципе работы его отдельных узлов рассказано выше. Резисторы R8, R24 необходимы Для предохранения входных каскадов микросхем МС1 и МС2 от пробоя высоким напряжением в аварийных ситуациях. Резистор R9 подгружает стабилизатор в режиме холостого хода при малых нагрузках, чем и гарантирует устойчивость работы стабилизатора.

Роль вольтметра ИП1 выполняет миллиамперметр на ток 1 мА с добавочными резисторами R35 и R36. Переключатель В5 позволяет измерить напряжение либо обоих каналов сразу (при этом вся шкала соответствует напряжению 80 В), либо каждого канала отдельно (шкала прибора соответствует 40 В). Во втором случае выбор измеряемого канала осуществляется переключателем ВЗ. Переключателем В4 изменяют чувствительность прибора в 4 раза.

Конструкция и детали двуполярного блока питания показаны на рис. 5—7. Роль задней стенки выполняет радиатор 6 с площадью поверхности около 1500 см², на котором через тонкие слюдяные прокладки укреплены транзисторы Т1 и Т5. На внутренней стороне радиатора находится трансформатор питания Tp1, помещенный в металлический экран 7. При помощи четырех стяжек 5 радиатор связан с лицевой панелью 1, на которой расположены все переключатели, измерительный прибор, индикаторная лампочка Л1, выходные гнезда-зажимы и переменные резисторы R17, R34. Резисторы R18, R19, R35 смонтированы на переключателях ВЗ, В4 и В5,

а R11 — R14 и R8 — R32 — на переключателе В2. К верхним стяжкам зажимами 3 прижата плата 2 размерами 90 X 55 мм с деталями источника опорного напряжения (показано на рис. 6) и плата 4 размером 90 X 30 мм, на которой расположены: транзисторы Т2, Т6, резисторы R16, R26 и закреплены проводники выводов транзисторов Т1 и Т5. На уголковой стойке 9, прикрепленной к задней стенке и нижней стяжке 5, расположены плата 10 (рис. 7) размерами 90 X 55 мм, на которой смонтированы операционные усилители и ограничители тока, а также плата 8 с конденсаторами С1, С6 и диодами Д1 — Д4 выпрямителя.

Резисторы R11 — R14 и R29 — R32 БЛП-0,1 (или самодельные проволочные), остальные — МЛТ. Электролитические конденсаторы К50-6, остальные—КМ5 или КМ6. Измерительный прибор ИП1 на ток полного отклонения стрелки 1 мА. При использовании другого прибора необходимо подобрать резисторы R18, R19, R35 и R36. Трансформатор питания типа ТА 125-127/220-50. Его можно заменить самодельным с такими данными: площадь поперечного сечения магнитопровода не менее 6 см²; обмотка I—1200 витков провода ПЭВ-1 0,27, обмотка II — две секции по 170 витков провода ПЭВ-1 0,8, обмотка III — 37 витков провода ПЭВ-1 0,1.

При безошибочной сборке и исправности деталей источник питания не требует настройки. Если, однако, появится паразитная высокочастотная генерация, устранить ее можно включением между пятым и девятым выводами (между выходом и инвертирующим входом) операционных усилителей конденсаторов емкостью 3000—10 000 пФ.

ВРЛ 71