منبع تغذیه دوبل برای تقویت کننده عملیاتی op-amp با محدود کننده جریان

تقویت کننده های عملیاتی می بایست با یک منبع تغذیه که به خوبی تثبیت شده است کار کنند. هر تغییر جزیی در ولتاژ تغذیه باعث تغییر در ولتاژ افست می شود. پارامتر PSRR (نسبت حذف منبع تغذیه) که در کتابچه های راهنمای تقویت کننده های عملیاتی آورده می شود، تغییرات ولتاژ افست ورودی را به ازای تغییرات متناظر که در یکی از ولتاژهای منابع تغذیه ممکن است رخ دهد، مشخص می سازد. بنابراین PSRR به عنوان نرخ تغییرات و افست ورودی به تغییر در ولتاژ یکی از منابع تغذیه با ثابت گرفتن کمیت های دیگر تعریف می شود. گاهی اوقات ممکن است یک مقدار مجزا برای هر دو تغذیه مرقوم شود، اما معمولا یک مقدار مساوی و یا بسیار نزدیک برای هر دو در نظر گرفته می شود. برای نمونه، در تقویت کننده عملیاتی معروف 741، نسبت حذف منبع تغذیه معمولا حدود 96db و مقدار حداقل آن حدود 77db می باشد. این بدین معناست که متناسب با تغییر یک ولتاژ در یکی از تغذیه ها (با ثابت بودن دیگری) تغییری معادل عبارت زیر در ولتاژ افست ورودی به وجود خواهد آمد. بعضی op – amp ها دارای PSRR کمی در حدود 40db هستند در حالی که حد معمول PSRR حدود 60db می باشد.

در کنار یک منبع تغذیه که به خوبی تثبیت شده است، تقویت کننده عملیاتی همچنین به یک منبع تغذیه که به خوبی بالانس شده باشد نیاز دارد. منابع تغذیه مثبت و منفی باید از لحاظ دامنه با هم برابر باشند. از آنجا که PSRR عملا برای دو تغذیه برابر است برای حصول بهترین نتایج، تغییرات بسیار ناچیز در یکی از تغذیه ها باید به طور یکسان و هم جهت در تغذیه دیگر منعکس شود. بنابراین اگر دامنه ولتاژ مثبت 0/1V ولت کاهش یابد، دامنه ولتاژ منفی نیز باید در حدود 0/1 ولت افت نماید. برای دستیابی به این وضعیت، توصیه می شود از دو منبع تغذیه تثبیت شده مجزا برای تغذیه تقویت کننده عملیاتی استفاده نکنید و به جای آن باید از یک منبع تغذیه تثبیت شده دوبل کاملا متقارن استفاده شود. تقویت کننده های عملیاتی معمولا با ولتاژ 18V± کار می کنند. در این بخش، یک منبع تغذیه تثبیت شده کاملا متقارن با خروجی قابل تنظیم 3± ولت تا 18± ولت معرفی شده است.

کارکرد مدار منبع تغذیه دوبل

تراشه تثبیت کننده ولتاژ IC1 723 در کنار عناصر دیگر یک خروجی تثبیت شده مثبت را تولید می کند. تراشه 723 یک ولتاژ مبنای کاملا پایدار را در داخل خود تولید می کند. این ولتاژ که حدود 7/15V است در پایه 6 تراشه قابل دسترسی می باشد. بخشی از این ولتاژ مرجع که به وسیله پتانسیومتر VR1 معین می شود، ورودی غیر معکوس کننده تقویت کننده خطای درون تراشه 723 را تغذیه می کند. ولتاژ خروجی مثبت که به وسیله ترانزیستور قدرت 2N3055 فراهم می شود به دو سر یک شبکه مقسم ولتاژ R6-R7 اعمال می شود. ولتاژی که در نقطه اتصال این دو مقاومت تولید می شود به ورودی معکوس کننده خطا اعمال می شود. تقویت کننده خطا مرتبا ولتاژهای موجود در ورودی های معکوس کننده و غیر معکوس کننده را مقایسه می کند. هر تغییری در این ولتاژها تقویت شده و برای کنترل هدایت زوج دارلینگتون T1-T2به کار می رود به گونه ای که ولتاژ خطا به صفر برسد. به این طریق خروجی طبق رابطه زیر ثابت می ماند:

بنابراین VR1 یک تنظیم پیوسته را برای ولتاژ خروجی از 3 تا 18 ولت فراهم می سازد. حفاظت اتصال کوتاه خروجی مثبت به وسیله مقاومت حس کننده جریان R13 انجام می گیرد. هنگامی که ولتاژ دو سر مقاومت R13 بیش از 0/6V شود، یک ترانزیستور درون تراشه 723 روشن می گردد و تغذیه راه انداز را به وسیله تقویت کننده خطا به عناصر عبوری سری بای پس می کند.

ورودی غیر معکوس کننده تقویت کننده عملیاتی IC2 زمین شده است (نقطه وسط ترانس)، در حالی که ورودی معکوس کننده آن از نقطه اتصال دو مقاومت مساوی RA و RB تغذیه می کند. اگر خروجی های مثبت و منفی مدار کاملا برابر باشند، نقطه اتصال RA و RB هم پتانسیل با زمین خواهد بود. اما اگر خروجی های مثبت و منفی مداد بالانس نباشند، نقطه اتصال RA و RB پتانسیل صفر نخواهد داشت و یک ولتاژ خطا بین ورودی معکوس کننده و غیر معکوس کننده IC2 ایجاد خواهد شد. در این حالت IC2 با کنترل هدایت زوج ترانزیستور سزیکلای T3-T4 به گونه ای عمل خواهد کرد که این ولتاژ خطا را به صفر برساند. در نتیجه دامنه ولتاژ خروجی منفی برابر دامنه ولتاژ خروجی مثبت خواهد شد.

با توجه به این که در تغذیه مثبت از ترانزیستورهای npn برای زوج دارلینگتون T1-T2 استفاده شده است، کاربرد ترانزیستورهای pnp در زوج دارلینگتون تغذیه منفی به عنوان عناصر عبوری سری مناسب نمی باشد، زیرا ترانزیستورهای pnp جریان بالای قدرت بالا، گران و به آسانی در دسترس نمی باشند. استفاده از ترانزیستور MJ2955 (مکمل pnp ترانزیستور 2N3055) حدود 350 تومان هزینه دارد در حالی که بهای 2N3055 حدود 150 تومان می باشد.

حفاظت اتصال کوتاه خروجی منفی به وسیله ترانزیستور T5 و مقاومت حس کننده جریان R14 انجام می گیرد. چنان چه ولتاژ دو سر مقاومت R14 از 0/6V بیشتر گردد، ترانزیستور T5 روشن شده، قسمتی از جریان بیس زوج T3-T4 را جذب می نماید. مقاومت های محدود کننده جریان R13 و R14 به گونه ای انتخاب شده اند که جریان اتصال کوتاه را به 1/2 آمپر محدود نمایند.

شکل 1 نقشه شماتیک منبع تغذیه دوبل

لیست قطعات پروژه منبع تغذیه دوبل برای تقویت کننده عملیاتی op-amp با محدود کننده جریان

ساخت مدار

شکل (2) یک نقشه مدار چاپی مناسب را برای مدار نشان می دهد. شکل (3) نقشه قطعات مدار چاپی را نمایش می دهد. استفاده از 741 با روپوش فلزی (741 metal can) توصیه می شود. سیم های آن باید به شکل یک الگوی دو طرفه که برای جای گذاری در صفحه مدار چاپی خم شوند. از گرمابرهای (هیت سینگ) چسبان نوع To-5 برای IC2 و ترانزیستورهای T4 ، T1 استفاده نمایید. ترانزیستورهای قدرت باید روی گرمابرهای آلومینیومی سیاه به رنگ بزرگ با مقاومت دمایی R_h-a=2°^c/w نصب گردند. اگر از یک گرمابر مشترک برای نصب هر دو ترانزیستور قدرت استفاده شود، گرمابر باید دارای مقاومت دمایی کمتر از R_h-a=1°^c/w باشد. برای انتقال بیشتر دما از ترانزیستور به گرمابر، از واشرهای نازک میکا بین بدنه ترانزیستور و گرمابر استفاده نمایید. خازن C5 به طور مستقیم بین پایه های 4 و 13 تراشه IC1 وصل می شود. همه سیم های اتصال باید به اندازه کافی ضخیم، کوتاه و دارای پوشش کامل عایق باشد. پس از ساخت مدار، VR2 را به گونه ای تنظیم نمایید که دامنه خروجی مثبت و منفی دقیقا با هم برابر گردد.

شکل 2 اندازه واقعی نقشه مدار چاپی

شکل 3 نقشه قطعات فیبر مدار چاپی