Projekt stabilizatora kompensacyjnego 0...10V, max 250 mA

Witam.
Mam do zaprojektowania stabilizator napięcia z regulacją od 0 (koniecznie) do ok. 10V, maksymalny prąd wyjściowy 250 mA. W układzie nie mogę stosować scalonych stabilizatorów ani wzmacniaczy operacyjnych, jako wzmacniacza błędu mam użyć wzmacniacza różnicowego. Układ ma być regulowany doprowadzonym z zewnątrz napięciem (napięcie wyjściowe ma być proporcjonalne do tego napięcia sterującego).

Zastanawiam się nad dwiema koncepcjami stabilizatorów kompensacyjnych- ta znaleziona na forum:
https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic700278.html
i drugą w załączniku zaczerpnięta z książki A. Borkowskiego "Układy scalone w stabilizatorach napięcia stałego".

W jaki sposób dobrać wartości poszczególnych elementów ? Z dzielnikiem sobie poradzę, ale nie wiem co z resztą. Czy jako napięcie referencyjne będzie sie nadawać przestrajana wersja LM385 ? Jakiej wartości powinny być prądy w obciążeniu wzmacniacza różnicowego i prąd emiterów w układzie z załącznika ? Co zrobić, żeby osiągnąć regulację od 0V ? (w układzie najniższym potencjałem jest 0V).
Będę wdzięczny za pomoc.

Witam,
skoro, jak sam napisałeś, wyjściowe napięcie stabilizowane ma być regulowane od zera, to jednym (wejściowym) napięciem niestabilizowanym tego nie załatwisz. Potrzebujesz pomocniczego napięcia ujemnego (kilka woltów).
Przyjrzyj się obu zamieszczonym przez Ciebie schematom; czy istnieje w nich warunek by dałoby się "sprowadzić" wyjściowe napięcie do zera? Nie, teraz takiej możliwości nie ma.
Poza tym, to stabilizotor z wyjściem kolektorowym i koniecznym obwodem startowym to już do tego nie nadaję się wcale.
Pozostał Tobie układ z wtórnikiem emiterowym jako tranzystorem szeregowym, wykonawczym, stabilizatora.
Wystarczy teraz tak obniżyć (wględem ujemnego wspólnego przewodu) potencjał zasilania dolnej strony wzmacniacza różnicowego, by dla zerowej wartości potencjałów baz pary różnicowej pracowały one w zakresie aktywnym i już jest dobrze.
Schematu Tobie nie rysuję, spróbuj sam zaadoptować ten z wtórnikiem i oczywiście pokaż tu coś wymyślił.

Pozdrawiam

Nie do końca rozumiem dlaczego lepszy będzie układ z wtórnikiem niż z Darlington'em. Mógłbyś w jakiś łopatologiczny sposób to wyłożyć ?
Zapomniałem napisać (moja wina), że stabilizator ma pracować w zasilaczu, zatem do dyspozycji jest jeszcze transformator. W temacie:
https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic559417.html
w wiadomości christo znalazłem prosty zasilacz symetryczny (transformator z pojedynczym uzwojeniem wtórnym - przy takim wolałbym zostać, prawa część układu nie będzie przeze mnie wykorzystywana). Czy taki układ nada się do wytworzenia ujemnego napięcia do zasilenia wzmacniacza różnicowego ? Wydaje mi się, że może mieć spore tętnienia - w prostowaniu bierze udział jedna dioda. A może jakoś "sprytnie" podłączyć się pod mostek Graetza, który i tak będzie potrzebny ?

Próbowałem obniżyć potencjał emiterów budując taką pompę ładunkową:
http://www.electronics-lab.com/projects/power/003/index.html
Przy symulacji w SPICE napięcie wyjściowe w przybliżeniu odpowiada napięciu skutecznemu z transformatora (15V), ale po zbudowaniu układu jest ono dwa razy większe i silnie spada przy pobraniu prądów rzędu 130...140 mA (do ok 18 V). Co zmienić, żeby na wyjściu było napięcie o takiej wartości skutecznej jak z transformatora (większe niepotrzebne), ale z możliwością pobrania większego prądu ? Z napięcia ujemnego nie będę pobierał dużych prądów (ok 1..2mA). Wystarczy ok -4...-5V.

Witam,

Paweł_S napisał:

Próbowałem obniżyć potencjał emiterów budując taką pompę ładunkową:
http://www.electronics-lab.com/projects/power/003/index.html
Przy symulacji w SPICE napięcie wyjściowe w przybliżeniu odpowiada napięciu skutecznemu z transformatora (15V), ale po zbudowaniu układu jest ono dwa razy większe i silnie spada przy pobraniu prądów rzędu 130...140 mA (do ok 18 V).

nie bardzo rozumiem. Układ przedstawiony na schemacie z linki (podwajacz w układzie niesymetrycznym - podwajacz Villarda) można obciążać tylko niewielkim prądem, ale taki też jest pobór prądu przez układ wzmacniacza błędu.
Natomiast prostownik zasadniczy z mostkiem Graetza zachowuje się zgodnie z Prawami Elektrotechniki.
Tzn.; na biegu jałowym napięcie na kondensatorze elektrolitycznym filtru jest równe, prawie, wartości amplitudy napięcia sinusoidalnie zmiennego uzwojenia transformatora, a pod obciążeniem jego wartość średnia spada i pojawia się coraz większe napięcie tętnień.

Paweł_S napisał:

Co zmienić, żeby na wyjściu było napięcie o takiej wartości skutecznej jak z transformatora (większe niepotrzebne), ale z możliwością pobrania większego prądu ? Z napięcia ujemnego nie będę pobierał dużych prądów (ok 1..2mA). Wystarczy ok -4...-5V.

Impossible, patrz wyżej. Gdyby to napięcie było "sztywne", to nie potrzebne byłyby w większości przypadków stabilizatory napięcia stałego.
Pytanie; a jaką wartość pojemności ma (według schematu z linki) kondensator C1?
Można przyjąć, iż dla maksymalnego poboru prądu Io =0,25A i średniej wartości napięcia wyprostowanego Uo =15V, mamy wartość rezystancji obciążenia Ro = Uo/Io =15V/0,25A=60Ω
Aby wartość napięcia tętnień była mniejsza od 5% to iloczyn parametrów, jak niżej, powinien spełniać zależność:
2•Π•f1•Ro•C1≥20 , gdzie;
f1 - wartość częstotliwości podstawowej napięcia tętnień, tu dla prostowania dwupulsowego i przy wartości częstotliwości sieci 50Hz, jest to druga harmoniczna, czyli f1 =100Hz.
Pozostałe parametry powyższej słabej nierówności już opisałem wcześniej.

Pozdrawiam

Dziękuję. Faktycznie - kondensator był za mały. Teraz dałem 2200uF (czyli aż nadto), zaś R2=68 Ohm. Jednak nie do końca wszystko rozumiem - gdy odłączam podwajacz napięcia, to napięcie na wyjściu (wyjście '+' z mostka) spada około 10mV. Czym to jest spowodowane ? Myślałem, że podwajacz nie ma wpływu na część układu z mostkiem Graetza.
Czy można w jakiś inny lepszy sposób zrealizować rozładowanie kondensatora filtrującego C1 ? Dołączenie R1 zawsze nieco zwiększy tętnienia.

Witam,

Paweł_S napisał:

Dziękuję. Faktycznie - kondensator był za mały. Teraz dałem 2200uF (czyli aż nadto), zaś R2=68 Ohm. Jednak nie do końca wszystko rozumiem - gdy odłączam podwajacz napięcia, to napięcie na wyjściu (wyjście '+' z mostka) spada około 10mV. Czym to jest spowodowane ? Myślałem, że podwajacz nie ma wpływu na część układu z mostkiem Graetza.

a ile to jest w odniesieniu do 15V wartości średniej?
W rzeczywistym układzie ta zmiana byłaby znacznie większa.
Poza tym, to musisz pamiętać, iż w tym programie mimo, że jest tylko źródło napięcia, to zawsze ma ono przyjmowaną (bardzo małą, ale zawsze) pewną wartość rezystancji wewnętrznej.

Paweł_S napisał:

Czy można w jakiś inny lepszy sposób zrealizować rozładowanie kondensatora filtrującego C1 ? Dołączenie R1 zawsze nieco zwiększy tętnienia.

Skoro chcesz sobie komplikować sprawy proste (włączanie rezystora rozładowującego kondensator C1 po wyłączeniu zasilania), to droga stoi otworem.
Tylko, że przyłączony na stałe bleeder (tak nazywa się ten rezystor rozładowujący R1) pełni jeszcze jedną i to dość ważną rolę.
Sprawdź sobie wartość średnią napięcia (wyprostowaną) biegu jałowego z nim i bez niego.

Pozdrawiam

Rozumiem, nie będę sobie życia utrudniał. Teraz właściwy stabilizator-myślałem o czymś takim jak w załączniku. Q1, Q2 tworzą parę różnicową (znalazłem układ scalony, który taką zawiera) zasilaną ze źródła prądowego z tranzystorem Q5. Tranzystor Q2 jest obciążony źródłem prądowym Q6, który jest zasilany poprzez diodę Zenera. Z policzeniem rezystorów sobie poradzę. Ustawiłem ich wartości tak, że prąd emiterów jest dwa razy większy niż prąd dostarczany z Q6. Jakie prądy powinny dostarczać te źródła prądowe ? W dalszym ciągu nie za bardzo rozumiem, czemu Darlington tu nie pasuje.

Chyba źle zrozumiałeś kolegę Quarz.
No wyraźnie napisał. Do uzyskać Uwy=0V tranzystor regulujący musi pracować w układzie wtórnika emiterowego. A nie nadaje się do tego układ (jak na schemacie w pierwszym linku)
wspólny emiter. ( i teraz już powinieneś już wiedziesz czemu tylko WK się nadaje) A nie ma tam wzmianki o układzie darlingtona.
Co do prądów to Ic6 powinno być większe niż Ib6max. Co da prąd w okolicy 1mA,
czyli Ic5 w okolicy 2mA. I lepiej w roli R4 zastosować diodę zenera.

W tym układzie na wyjściu nie uzyskasz niższego napięcia niż Uref.

W sytuacji gdy R6=0 Uwy≈Uref

Baza Q1 do masy.
R7 zamiast do masy, dać do -5,5V.

Wszystkie układy z wtórnikiem emiterowym jakie udało mi się znaleźć były stabilizatorami z diodą zenera, gdze elementem porównujacym był drugi tranzystor, a nie wzmacniacz różnicowy.Nie wiem jak przerobić to rozwiązanie pod ten układ.

Ale na twoim schemacie tranzystory Q3, Q4 pracują właśnie jako wtórnik. I nic nie musisz zmieniać.
Jedyne co może sie jeszcze przydać to rezystor miedzy złącze baza-emiter Q4. Jak i jakiś obwód ograniczania prądy wyjściowego

A jak zapewnić, aby przy gwałtownych zmianach poboru prądu (to jest impulsowo z częstotliwością ok 400 Hz od 0mA do 250 mA) napięcie na wyjściu tak bardzo nie skakało ? Na wyjściu powstało mi teraz coś na kształt napięcia prostokątnego o wartości maksymalnej ok 0.7V i szpilkach w momencie przełączania. Duże kondensatory na wyjściu odpadają, trzeba to zrobić w jakiś inny sposób (tym razem to nie mój wymysł, tylko prowadzącego).

Jak dobrze pamiętam to musisz zmniejszyć Rwy stabilizatora ( impedancje wyjściową).
Czyli musisz zwiększyć wzmocnienie w otwartej pętli. Czyli musisz albo dodać jeszcze jeden stopień wzmacniający albo zwiększyć transkondukcie gm pary różnicowej.
No i szybsze tranzystory o większej ωg i kondensator na wyjściu tak z 22uF

Pozwolę sobie odgrzać temat.
A które rozwiązanie byłoby lepsze - dodanie jeszcze jednego stopnia czy zwiększenie transkoduktancji wzmacniacza różnicowego (w tym przypadku musiałbym zwiększyć prądy kolektorów obu tranzystorów i prąd ich emiterów). Obecnie korzystam z pary różnicowej z zabytkowego układu UL1111.

Na razie odpuściłem sobie uzyskanie minimalnego napięcia zero V. Próbuję zmniejszyć zmiany napięcia na wyjściu przy gwałtownych zmianach obciążenia. Układ jak na rysunku poniżej:

zasilam napięciem 13 V od strony wejścia, na wyjściu nieobciążonego stabilizatora mam napięcie 5.70 V. Układ ten obciążyłem kluczem:

który jest sterowany przebiegiem prostokątnym o amplitudzie 9V, wypełnieniu 50% i częstotliwości 0.5kHz - czyli obciążenie stabilizatora zmienia się od 0..do ok. 130 mA.
Na wyjściu stabilizatora otrzymałem przebieg przypominający przebieg prostokątny, przy czym jego amplituda (mierząc od składowej stałej) wynosi 45 mV, a przy przełączeniach dodatkowo występują "szpilki" o wartości 150 mV.
Próbowałem robić jak radził jony - zwiększyć transkonduktancję pary różnicowej - zwiększyłem prąd zasilania kolektora do 1.5 mA (poprzednio był 1mA) oraz zasilania pary różnicowej zwiększyłem z 2mA do 3mA.
Jednak efekt był niezauważalny.
Czy zatem zostaje mi dołożenie jeszcze jednego stopnia wzmacniacza różnicowego czy jest może jakiś inny sposób, aby zmniejszyć te wahania napięcia wyjściowego ? (maksimum 50 mV). Opisany pomiar wykonywałem przy Uwy=5.7V i prądzie Imax =130mA, docelowo ma to być prąd zmieniający się od 0 do 250mA przy napięciu 10V.
[/img]

To może zwiększę prąd do 10mA a jak nie, to wstaw jeszcze jeden wzmacniacz WE który będzie sterował tranzystorami wyjściowymi a sterowany będzie z wyjścia pary różnicowej. Albo zastosuj w roli wzmacniacza błędu wzmacniacz operacyjny+ WE. I zmniejsz kondensator 10uF i zobacz co sie będzie działo... zmniejszenie C pewnie pogorszy sprawę dlatego spróbuj ją zwiększyć.

Po kolei - najpierw kombinowałem ze zwiększaniem prądów. Dla wartości Ic=1 mA oraz Ie = 2mA (zasilanie pary różnicowej) był szpilki w momencie przełączania o wartości ok. 150 mV oraz oscylacje poniżej wartości 48 mV - to przyjąłem za punkt odniesienia. Oscylacje te zanikały przy zwiększaniu kondensatora na wyjściu. Także dotknięcie paluchem w różnych punktach układu (na wejściu stabilizatora, na bazie tranzystora sterującego tranzystorem BD139, w miejscu połączenia emiterów pary różnicowej). Napięcie wejściowe równe 13V (oscylacje zanikały też przy zmniejszaniu napięcie wejściowego - przy ok. 10V już były niezauważalne). Prąd obciążenia ok 130mA (sprawdziłem na oscyloskopie amplitudę napięcia na obciążeniu i podzieliłem przez wartość rezystancji obciążenia).
Zwiększenia prądu Ic oraz Ie (w proporcji Ie=2*Ic) powodowało nieznaczne zmniejszenie się szpilek, ale zwiększenie się oscylacji.
Dla Ic = 4mA, Ie=8mA szpilki miały wysokość ok 110 mV, a oscylacje były na poziomie 50 mV.
Nie jestem pewien co do wartości prądów Ic oraz Ie, bo oscylacje udawało się likwidować kiedy Ic <> 2*Ie, szpilki nie ulegały zmianie (np. 3.02mA i 2.86 mA). Można to było osiągnąć dla różnych wartości prądów, ale nigdy nie spełniały zależności Ie=2*Ic.
Wzmacniacza operacyjnego zastosować nie mogę - takie założenie projektu, jako wzmacniacz błędu ma być wzmacniacz różnicowy, na wyjściu też nie może być jakiegoś wielkiego kondensatora.
Czy ten dodatkowy wzmacniacz WE powinienem podłączyć tak jak na schemacie poniżej ?

Widziałem też układy z dwustopniowym wzmacniaczem różnicowym. Co będzie lepsze ? Wolałbym nie komplikować układu, jeśli to będzie możliwe.
Pomiary były wykonywane przy Uwy = 5.77 V (ostatecznie układ ma spełniać założenia odnośnie tych skoków napięcia dla Iwy=250mA, a ja mam problem już z wartością dwa razy zmniejszą ).

Zobacz sobie na te symulacje

Jony, dzięki za symulacje. Jeśli dobrze rozumiem - to w układzie STAB4_3 dodałeś wzmacniacze WE (T12 oraz T13) - dwa, żeby nie było odwrócenia fazy. A w jaki sposób dobrałeś rezystancje R16, R18, R3 i prąd zasilania pary różnicowej ? Czemu przy zwiększaniu napięcia wejściowego (symulacja DC) w pewnym niewielkim stopniu zmniejsza się napięcie wyjściowe ? - zwykle również rosło. Do czego są elementy C9 i R20 ?
W przypadku układu STAB4_4 - podczas symulacji stałoprądowej układ zachowuje sie jakoś dziwnie (przy wzroście napięcia wejściowego, wyjściowe rośnie, potem maleje i dopiero zaczyna stabilizować). Układ działa poprawnie po zastąpieniu R22 źródłem prądowym.

Wykombinowałem takcie coś

Uwemin=15V; Uwy=10V. Io=250mA
diody zenera na 5.1V czyli R1=R2
Prąd diod ok 5mA.
Rd=(5.1V-0.6V)/5mA=4.5V/5mA=900=1KΩ
Przyjąłem IcT5=1mA tak sam jak ty
Re=4.5V/2mA=2.2kΩ
Prąd wzmacniacza WE wybrałem 5mA
Wiec dla Uwy=10V mamy
Rs=5V/5mA=1K
I w ramach zabawy niech kolega wstawi szeregowo z C4 rezystor od 1 do 5ohm i zobaczy jak zmieni się odpowiedz układu gdy uwzględnimy ESR kondensatora. I jak widać pspice po raz koleiny nas oszukuje bo nie uwzględnia ESR, a jak widać ESR ma ogromny wpływ na wynik. A to tylko jeden z wielu paramentów nie uwzględnianych w symulacji. Oczywiste temat jest trudny i raczej jest to temat dla zawodowego konstruktora.
Który wie np. ze elementy C9 i R20 z poprzedniego schematu kształtują charakterystykę pętli sprzezenia zwrotnego (kompromis miedzy szybkością pętli a stabilnością układu)itd.
I proponuje poczytać trochę teorii
"Półprzewodnikowe stabilizatory napięcia i prądu" B. Pałczyński i W Stefański Wydana w 1971 przez MON
STABROWSKI M.: Stabilizatory sterowane napięcia i prądu stałego. Warszawa WNT 1972. z Serii AUTOMATYKA
I w ogóle polecam pobawić sie tym układem który jest w stanie dać te 0V (prawie) bez konieczności stosowania dodatkowego źródła (zobacz co będzie jak wszystkie rezystory zwiększysz 10 razy).

Zbudowałem powyższy układ - dopóki nie było podłączonego obciążenia to wszystko było OK. Dla obciążenia Io = 120 mA układ zaczął generować oscylacje na poziomie ok. 300 mV licząc od składowej stałej przy obciążeniu prądem stałym.
Znalazłem schemat takiego zasilacza"
https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic334912.html#1691917
(zasilacz symetryczny 3A) - z tego co widzę to zwierają kolektor tranzystora stopnia WE kondensatorem do masy (kształtowanie charakterystyki). metodą prób i błędów (wiem, niezbyt inteligentny sposób) dobrałem kondensator ceramiczny 100 nF i oscylacji nie ma. Występują jednak w dalszym ciągu szpilki (ale teraz już o amplitudzie - przy wyłączaniu- 100 mV, zamiast 150 mV z wcześniejszych układów, ale przy włączaniu już ok. 400 mV). Dodanie kondensatorów ceramicznych na wejściu i wyjściu nie pomogło.
Wracając zaś do sprowadzenia napięcia wyjściowego do zera - kombinowałem z poniższym prostym przykładem (pomijając na razie skąd bierze się napięcie ujemne) w układzie jak na rysunku:

napięcie wyjściowe jest równe Uwy=2* Uref (mniej więcej). Ale w tym układzie nie mogę sprowadzić napięcia wyjsciowego do zera - zmniejsza mi się prąd dzielnika i w pewnym momencie jest on porównywalny z prądem bazy traznystora Q2. Rozumiem, że dzielnik mam podłączyć między wyjście i napięcie ujemne, a nie między wyjście a masę, czyli tak:

ale i tu nie mogę zejść do zera na wyjściu. Ponadto nie jest już zachowana zależność:
Uwy = 2*Uref
Napięcie wyjściowe chciałem regulować zmieniając napięcie referencyjne 0...5V podawane z jakiegoś przetwornika cyfrowo-analogowego.
Zatem co poprawić ? Ewentualnie proszę o jakaś podpowiedź.