Активный шунтирующий ограничитель напряжения превосходит стабилитрон. Часть 2

Для симметричных приложений хорошо подходит схема на Рисунке 4. Она состоит из уже показанного положительного ограничителя и дополнительного отрицательного ограничителя, подключенного параллельно первому. Для управления обоими ограничителями используется одно положительное опорное напряжение. Отрицательное опорное напряжение вырабатывается инвертором U1 с единичным усилением.

Рисунок 4.	Схема симметричного шунтирующего ограничителя напряжения.

Результаты статических измерений представлены Таблицей 2 и соответствующим графиком на Рисунке 5. На Рисунке 5 видна симметрия ограничения напряжения.

Таблица 2.	Измерения, сделанные в схеме на Рисунке 4
Напряжение (В) Ток 1.4994 3 А 1.4994 300 мА 1.4995 30 мА 1.4995 3 мА 1.4994 302 мкА 1.4995 30.5 мкА 1.4995 3.05 мкА 1.4995 350 нА 1.4995 50 нА 1.3335 10.3 нА –1.4000 –10 нА –1.5049 –3 мкА –1.5049 –30 мкА –1.5049 –300 мкА –1.5049 –3 мА –1.5049 –30 мА –1.5049 –300 мА –1.5049 –3 А

Рисунок 5.	Зависимость тока от напряжения для схемы на Рисунке 4. Напряжение ограничения очень симметрично относительно 0 В.

Из-за того, что операционный усилитель находится в состоянии насыщения, когда выходное напряжение схемы ниже напряжения ограничения, ее отклик получается медленным. Прямоугольные импульсы для осциллограммы на Рисунке 6 были получены от генератора, обеспечивающего на холостом ходу размах выходного сигнала 4 В. Генератор имеет выходное сопротивление 50 Ом. Канал CH1 осциллографа отображает выходное напряжение схемы, а CH2 – выходной сигнал операционного усилителя. Для того чтобы выходное напряжение ОУ изменилось на 20 В (примерно от +15 В до –4 В), требуется порядка 20 мкс.

Рисунок 6.	Осциллограммы сигналов схемы на Рисунке 4 показывают, что основным ограничением времени отклика является скорость нарастания выходного напряжения операционного усилителя. Подробности см. в тексте.

Улучшенная схема, в которой операционный усилитель не насыщается, представлена на Рисунке 7. Основные ОУ U2A и U2B теперь включены инвертирующими усилителями с единичным усилением. Диоды D3 и D4 при насыщении ограничивают выходное напряжение операционного усилителя до 0.7 В [7]. Теперь выходное напряжение ОУ U2A может изменяться только от +0.7 В до –4 В. Поскольку входной резистор R3 будет нагружать выход, его сопротивление выбрано вдвое бóльшим минимально допустимого значения, которое, согласно техническому заданию, равно 200 кОм. У меня под рукой были резисторы 499 кОм 1%, поэтому я использовал их. Осциллограммы снимались только для положительной части ограничителя на Рисунке 7 при сопротивлениях резисторов R3 и R7, равных 200 кОм.

Рисунок 7.	Схема симметричного шунтирующего ограничителя напряжения с оконечными операционными усилителями, работающими в инвертирующем режиме.

На осциллограмме, показанной на Рисунке 8, канал CH1 отображает выходное напряжение схемы, а CH2 – выходной сигнал усилителя U2A. Время отклика составляет 5 мкс, что примерно в четыре раза быстрее, чем в исходной схеме.

Рисунок 8.	Ограничение диапазона изменения выходного напряжения операционного усилителя в схеме на Рисунке 7 уменьшает время отклика. Подробности см. в тексте.

Отраженные в Таблице 3 и на Рисунке 9 результаты статических измерений очень похожи на результаты для первой схемы, за исключением того, что при напряжениях, меньших V_REF, ток имеет порядок микроампер. Чтобы получить асимметричное ограничение, нужно удалить каскад инвертора и использовать два источника опорного напряжения.

Таблица 3.	Измерения, сделанные в схеме на Рисунке 7
Напряжение (В) Ток 1.50672 3 А 1.50655 1 А 1.50650 300 мА 1.50647 30 мА 1.50643 2.9 мА 1.50643 305 мкА 1.50639 31 мкА 1.50074 7.4 мкА 1.000 4.95 мкА 0.500 2.45 мкА

Рисунок 9.	График только для положительной половины схемы на Рисунке 7. Увеличение скорости не влияет на характеристики по постоянному току.

Если нужно ограничить напряжение значением ниже 700 мВ, напряжение, теряемое на диоде, сделает выполнение этого требования практически невозможным с любой схемой. Но если подключить сток p-канального MOSFET к источнику отрицательного напряжения, то возможно ограничение напряжения на любом уровне, даже 0 В. Тот же подход можно использовать для n-канального MOSFET. Схема на Рисунке 10 делает именно это с характеристиками, сравнимыми с характеристиками схем, рассмотренных выше. Источник напряжения смещения – батарея B1 на схеме – должен обеспечивать требуемый ток.

Рисунок 10.	Схема ограничителя, способного работать с напряжениями ниже 1 В.

В Таблице 4 приведены результаты измерений для опорного напряжения 150 мВ и напряжения смещения 1.8 В. Кривая зависимости тока от напряжения при большом токе до 1 А представлена на Рисунке 11. Здесь снова схема демонстрирует крутой излом, малую утечку и постоянство напряжения ограничения. Тот же метод можно использовать со схемой на Рисунке 7. Для напряжений ограничения ниже примерно 1 В выбор максимальных значений напряжения смещения и тока смещения операционных усилителей должен основываться на допустимой величине суммарной погрешности.

Таблица 4.	Измерения, сделанные в схеме на Рисунке 10
Напряжение (В) Ток 150.69 1 А 150.58 300 мА 150.55 100 мА 150.52 30 мА 150.51 9.5 мА 150.51 3.1 мА 150.51 930 мкА 150.51 190 мкА 0.00 0 мкА

Эту схему можно было бы использовать в качестве учебного пособия, установив напряжение ограничения равным нулю и вставив ее в лабораторную схему для студентов. Представьте себе смесь веселья и недоумения, когда при одной полярности подключения омметра он покажет обрыв, а при другой – короткое замыкание.

Рисунок 11.	Зависимость тока от напряжения для схемы на Рисунке 10.

Для достижения наилучших результатов в сильноточных приложениях ограничитель напряжения должен устанавливаться между источником напряжения и защищаемым устройством.

Я тестировал различные диоды: стабилитроны, кремниевые диоды с p-n переходом, диоды Шоттки и светодиоды, и ни один из них не имел такого острого излома характеристики, низкой утечки и не мог пропускать такой большой ток или быть таким гибким в использовании, как приведенные выше схемы.

Путем простых доработок напряжение ограничения можно увеличить до более высоких значений, но это уже тема другой статьи.

Ссылки

1. Peter Demchenko. Параллельный регулятор ограничивает большие помехи или стабилизирует напряжение
2. Chris Toliver. Мощный шунтовой регулятор на основе биполярного транзистора и микросхемы ИОН
3. Adolfo Mondragon. Мощный стабилитрон на основе регулятора LM317
4. Stuart R. Michaels. Параллельный регулятор на MOSFET заменяет последовательный регулятор
5. Robert N. Buono. High-Current, Low-Voltage Shunt Regulator.
6. Sansen, Willy. M. Analog Design Essentials. ISBN-13: 9781489978912, page 24.
7. Pease, Robert. «Bounding, clamping techniques improve circuit performance». EDN, November 10, 1983. Pages 277 to 289.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments TL071
2. Datasheet Texas Instruments TL072
3. Datasheet Texas Instruments TL081
4. Datasheet Vishay 50SQ080
5. Datasheet ON Semiconductor FQP27P06
6. Datasheet Vishay IRF640