Spannungsstabilisierung mit einem Operationsverstärker als Regelverstärker Drucken E-Mail
Samstag, den 07. März 2015 um 17:05 Uhr

Spannungs-Stabilisierung mit einem Operations-Verstärker als Regelverstärker

Mit dieser funktionsfähigen Schaltung kann das Prinzip eines geregelten Netzteils erklärt werden.

Diese Schaltung zeigt das funktionsfähige Prinzip einer Spannungsstabilisierung. V7 und V6 simulieren die Eingangsspannungsquelle Uein, welche einen Netzbrumm von etwa 500 mV haben soll. Die Eingangsspannung schwankt deshalb zwischen 11.5 und 12.5 Volt. Dennoch kann man an RL, welche die Belastung des Ausgangs darstellt, eine relativ konstante Ausgangspannung von etwa 4.7 Volt abnehmen. Die Ausgangsspannung bleibt selbst bei Belastungsschwankungen konstant.


Spannungsstabilisierung mit einem Operationsverstärker. V7 ist eine Wechselspannungsquelle für die Simulation des Brumms am Eingang. RL ist die Ausgangslast.

Wirkungsweise: R1 und die Z-Diode erzeugen die Referenzspannungsquelle Uz in Höhe von etwa 4.6 Volt, die dem nichtinvertierenden Eingang (+) des OpAmp zugeführt wird. Durch R1 und damit durch die Z-Diode fließen etwa 5 mA. Bei diesem Zenerstrom ist die Temperaturabhängigkeit der Zenerspannung am geringsten.

In den Eingang des OpAmp selbst fließt kein Strom, so dass man R1 leicht berechnen kann. An R1 fällt die Spannung Uein - Uz = 12 Volt - 4.6 Volt = 7.4 Volt ab. Durch R1 fließt Iz = 5 mA. Demnach ist R1 = 7.4 Volt / 5 mA = 1.48 kOhm. Wir wählen den nächsten Normwert von 1.5 kOhm.

Der invertierende  Eingang (-) des OpAmp ist direkt mit dem Ausgang (RL) der Spannungs-Stabilisierung verbunden. Wenn nun die Ausgangsspannung durch Belastungserhöhung oder einem anderen Grund sinken sollte, fällt auch die Spannung am (-)-Eingang des OpAmp. Die Folge ist, dass die Ausgangsspannung des OpAmps (Pin 6) steigt. Dadurch fließt mehr Strom durch die Basis des Transistors Q1, und dadurch steigt wieder die Spannung am Ausgang (RL), weil durch RL jetzt mehr Strom fließt.

Es handelt sich demnach um einen einfachen Regelkreis. Je höher die Verstärkung des Operationsverstärkers ist, desto besser funktioniert die Regelung und desto kleiner wird der Ausgangswiderstand der Schaltung.

Verlustleistung des Tranistors Q1, max. Ausgangsstrom: Man kann davon ausgehen, dass der Operationsverstärker selbst einen Ausgangsstrom (Pin 6) von höchstens 15 mA liefern kann. Dieser Strom ist auch gleichzeitig der maximale Basisstrom des Q1. Wenn man nun von einem Stromverstärkungsfaktor B = 40 des Tranistors Q1 ausgeht, können überschlägig gerechnet höchsten 40 * 15 mA = 600 mA am Ausgang abgenommen werden.

Der Tranistor muss dann für folgende Verlustleistung geeignet sein. Zwischen seinem Kollektor und Emitter fällt die Differenz aus Eingangs- und Ausgangsspannung ab. In unserem Beispiel sind das 12.5 Volt - 4.6 Volt = ca. 8 Volt.  Die Verlustleistung ist dann überschlägig  600 mA * 8 Volt = 4.8 Watt.

Wir müssen also für Q1 einen entsprechenden Transistor auswählen, der mindestens einen Emitterstrom von 600 mA liefern kann und für eine Verlustleistung von mind. 5 Watt ausgelegt ist. Unter Umständen ist der Transistor mit einem Kühlkörper zu versehen.

Was man an der Schaltung verbessern kann: Sie können an der Schaltung noch folgende Verbesserungen vornehmen: Nachteilig ist, dass die Referenzspannungquelle nicht ganz frei von der Brummspannung ist. Dadurch ist auch die Ausgangsspannung mit "Brumm" behaftet. Versuchen Sie deshalb, einen etwa 100 µF großen Kondensator parallel zur Zenerdiode zu schalten.

Eine andere Möglichkeit wäre, den Vorwiderstand der Z-Diode (R1) durch eine Konstantstromquelle zu ersetzen. Die Konstantstromquelle kann man aus einem pnp-Transistor, 2 Dioden und 2 Widerständen zusammenbauen

Außerdem kann man noch den maximalen Ausgangsstrom der Spannungsstabilisierung erhöhen, indem man Q1 durch eine Darlingtonschaltung ersetzt.

Zuletzt aktualisiert am Sonntag, den 08. März 2015 um 08:11 Uhr
 

3. Februar 2017

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