В. Никитин - В помощь радиолюбителю. Выпуск 20
Безусловно, потенциал движка резистора R2 меньше выходного напряжения, иначе говоря, выходное напряжение больше потенциала движка резистора R2, то есть выходное напряжение больше опорного. Если, как и раньше, нижнюю по схеме часть сопротивления переменного резистора R2 обозначить то выходное напряжение этой схемы составит
В связи с тем, что RК < R2, выходное напряжение Uвых оказывается больше опорного Uoп.
Стабилизаторы большой мощности
Если выходной ток операционного усилителя недостаточен для питания подключенной к стабилизатору нагрузки, достаточно добавить в схему дополнительный транзистор, как это показано на рис. П4.
Рис. П4. Схема стабилизатора повышенного напряжения увеличенной мощности
В этой схеме транзистор VT1 используется для усиления тока нагрузки в качестве эмиттерного повторителя, входящего в состав петли отрицательной обратной связи. Таким образом, напряжение обратной связи снимается не с выхода операционного усилителя, а из эмиттерной цепи усилительного транзистора. По этой причине независимо от падения напряжения на эмиттерном переходе транзистора выходное напряжение Uвых по-прежнему определяется формулой (ПЗ).
Такой же эмиттерный повторитель можно подключить к стабилизированному регулятору пониженного напряжения (см. рис. П2). Такая схема показана на рис. П5.
Рис. П5. Схема стабилизатора пониженного напряжения увеличенной мощности
И здесь, как и в схеме, показанной на рис. П2, выходное напряжение не зависит от падения напряжения на эмиттерном переходе, а определяется формулой (П2).
Если от стабилизированного регулятора напряжения необходимо получить еще больший ток, можно на выходе вместо одного транзистора установить два по схеме составного транзистора.
Генераторы
В рассмотренных выше схемах обратная связь подавалась с выхода операционного усилителя на его инвертирующий вход. При этом выходной сигнал подавался обратно на операционный усилитель таким образом, чтобы уменьшить уровень входного сигнала. Такая обратная связь называется инверсной или отрицательной. Если же изменить подключение обратной связи так, чтобы выход операционного усилителя был соединен с неинвертирующим входом, такая обратная связь будет стремиться увеличить входной сигнал и называется регенеративной или положительной обратной связью.
Положительная обратная связь обычно используется в различных генераторах.
Генераторы колебаний прямоугольной формы
На рис. П6 предлагается принципиальная схема генератора прямоугольных импульсов, собранная на операционном усилителе. Генератор работает как автоколебательный ключ, который поочередно переключает выход от одного уровня постоянного напряжения питания к другому, без применения какого-либо внешнего запускающего сигнала.
Рис. П6. Принципиальная схема простого генератора прямоугольных импульсов
В этой схеме, называемой также автоколебательным мультивибратором, в качестве переключающего устройства используется операционный усилитель, а положительная обратная связь осуществляется путем подачи выходного напряжения Uвых на неинвертирующий вход с помощью делителя R1, R2.
При сравнительно небольшой частоте повторения, не превышающей 100 кГц, фронты импульсов практически оказываются вертикальными, так как их длительность определяется скоростью нарастания операционного усилителя. На более высоких частотах форма фронтов становится заметно экспоненциальной, как показано сплошной линией на рис. П7.
Рис. П7. Эпюры напряжений в схеме генератора: на выходе (сплошная линия) и на конденсаторе (штриховая линия)
Период повторения Т выражается формулой
где RC — постоянная времени, равная в рассматриваемой схеме R3xC1.
Конденсатор С1 и резистор R3 образуют цепь задержки сигнала, поступающего с выхода ОУ на инвертирующий вход. Когда потенциал выхода оказывается равным +U, через резистор R3 начинает заряжаться конденсатор С1. Этот процесс длится до тех пор, пока потенциал инвертирующего входа не увеличится до потенциала неинвертирующего входа. В этот момент схема опрокидывается, и потенциал выхода становится равным — U. Начинается перезаряд конденсатора до нового уровня неинвертирующего входа, когда схема вновь опрокидывается. Напряжение на конденсаторе показано на рис. П7 штриховой линией.
Если абсолютные значения напряжений +U и — U равны, длительность положительной полуволны оказывается равна длительности отрицательной. Это связано с тем, что обе полуволны в этой схеме определяются одной и той же постоянной времени. Такая форма колебаний называется меандром.
Импульсы в форме меандра обладают скважностью, равной двум. Скважностью называется отношение периода повторения к длительности импульсов. Поэтому минимально возможное значение скважности равно двум. Обязательное условие опрокидывания схемы, что соответствует ее работе в качестве генератора, состоит в том, что общий коэффициент усиления по напряжению этой схемы должен превышать единицу.
Другим генератором прямоугольных колебаний является одновибратор или ждущий мультивибратор, использующий положительную обратную связь и имеющий только одно устойчивое состояние. Из этого состояния одновибратор выводится внешним запускающим импульсом и в течение некоторого заданного времени является возбужденным, после чего возвращается в устойчивое состояние. Основная схема одновибратора, использующего операционный усилитель, показана на рис. П8.
Рис. П8. Схема одновибратора на операционном усилителе
В этой схеме положительная обратная связь с выхода операционного усилителя на неинвертирующий вход подается через конденсатор С2, заряд и разряд которого задают параметры возбужденного состояния. Рассмотрим работу схемы по эпюрам рабочих напряжений, приведенным на рис. П9.
Рис. П9. Эпюры рабочих напряжений одновибратора
В связи с подачей на инвертирующий вход через резистор R1 отрицательного напряжения — Uоп, выходное напряжение Uвых в устойчивом состоянии положительно и равно напряжению питания +U. При подаче на вход схемы импульса запуска (осциллограмма 1) он дифференцируется элементами C1-R1 и положительным импульсом переднего фронта запуска (осциллограмма 2) операционный усилитель перебрасывается в другое состояние, в результате чего выходное напряжение скачком переходит на уровень — U (осциллограмма 4). Отрицательный перепад выходного напряжения через конденсатор С2 подается на неинвертирующий вход, поддерживая на выходе уровень — U. Начинается заряд конденсатора С2 через резистор R2. При этом ток заряда постепенно уменьшается и также уменьшается падение напряжения на резисторе R2 (осциллограмма 3). Выходное напряжение остается на уровне —U до тех пор, пока потенциал неинвертирующего входа не достигнет — Uоп. Тогда схема вернется в исходное устойчивое состояние до следующего запускающего импульса. Длительность генерируемого одновибратором импульса Т определяется выражением
Отсюда длительность импульса можно регулировать, либо изменяя постоянную времени RC, либо опорное напряжение. Диод VD1 уменьшает время восстановления схемы, когда она перебрасывается обратно в устойчивое состояние.
Генератор колебаний треугольной формы
Колебания треугольной формы можно получить интегрированием прямоугольных импульсов. Для этого к выходу генератора прямоугольных колебаний подключается интегратор. На выходе интегратора получается последовательность поочередно нарастающих и ниспадающих напряжений с таким же периодом повторения, что у входного прямоугольного сигнала. Принципиальная схема такого генератора приведена на рис. П10.
Рис. П10. Принципиальная схема генератора колебаний треугольной формы
В генераторе колебаний треугольной формы используются два операционных усилителя: триггер на микросхеме DA1 вырабатывает прямоугольные импульсы типа меандр, которые затем для получения колебаний треугольной формы интегрируются операционным усилителем DA2. Все устройство охвачено положительной обратной связью через резистор R2.
