Einfacher Operationsverstärker als Spannungsregler

Wie kommt es, dass sich herausstellt, dass mein Operationsverstärkerausgang, der zur Basis meines Transistors geht, auch mein Vout über der Last ist?

Fast, aber nicht ganz. Die Vout über der Last ist der Emitter von Q1, die Basis wird etwa 0,65 V höher sein. Sie könnten einen Rahmen um den Operationsverstärker und Q1 ziehen und sie als eine Einheit behandeln (beachten Sie, dass der Kollektor von Q1 die positive Stromversorgung ist, die nicht auf dem Operationsverstärkersymbol angezeigt wird). Die Basisspannung ist das, was sie sein muss, um die Emitterspannung korrekt zu machen – wenn es eine andere Spannung wäre, dann würde das Rückkopplungsnetzwerk R2/R3 VFB zu hoch oder zu niedrig machen, und der Operationsverstärker müsste seine ändern Ausgang. Tatsächlich bilden der Operationsverstärker plus Q1 einen Super-Operationsverstärker mit einer höheren Ausgangsstromcharakteristik, und die Q1-Basis ist nur ein interner Knoten, um den Sie sich keine Sorgen machen müssen.

Wenn der PNP-Transistor Q1 nicht vorhanden wäre – wenn der Ausgang des Operationsverstärkers R2 direkt ansteuern würde – besteht der einzige Leistungsunterschied darin, dass der Ausgangsstrom durch die Leistungsfähigkeit des Operationsverstärkers begrenzt wäre. Wenn es ein idealer Operationsverstärker wäre, gäbe es kein Problem, aber wenn es ein echter Operationsverstärker wäre ( wie der verkrustete alte 741 ), dann muss das Datenblatt konsultiert werden, um den maximal verfügbaren Ausgangsstrom zu finden. Aber da Q1 vorhanden ist , hat die Schaltung viel mehr Ausgangsstrom zur Verfügung. Da die zusätzliche Verlustleistung in Q1 und nicht im Operationsverstärker auftritt, kann Q1 auf einem großen Kühlkörper montiert werden, während der Operationsverstärker kühl läuft.

Wenn Sie noch mehr Ausgangsstrom benötigen, können Sie Q1 durch ein Darlington-Paar ersetzen, und die Schaltung würde auf die gleiche Weise funktionieren. Der Operationsverstärker würde jetzt die Basis mit etwa 1,3 V höher als der Q1-Emitter ansteuern, da das Darlington-Paar zwei Vbe-Abfälle in Reihe hat, aber solange der Operationsverstärker über einen ausreichenden Dynamikbereich verfügt, funktioniert die Schaltung immer noch gleich .

Diese Abstraktion ist eigentlich ein überwältigend nützliches Stück Magie, und das ist der Grund, warum Operationsverstärkerschaltungen so häufig verwendet werden.

Der Operationsverstärker "weiß" nicht, ob er den Ausgang direkt ansteuert oder ob er einen PNP-Transistor oder eine andere Anordnung ansteuert. Alles, was der Operationsverstärker "weiß", ist die Spannungsdifferenz zwischen seinen eigenen (+) und (-) Eingängen. Unter der Annahme, dass die Rückkopplung funktioniert, muss R3 dieselbe Spannung wie D1 haben, und da R2 und R3 einen nahezu idealen Spannungsteiler bilden, wird die Oberseite von R2 geregelt. Q1 nimmt nur den Schlupf auf, wie vom Operationsverstärker angewiesen.

Der negative Rückkopplungspfad der Schaltung mit geschlossener Schleife macht die VFB-Spannung ungefähr gleich der VREF-Spannung. Wenn die Eingänge (+) und (-) des Operationsverstärkers vertauscht würden, wäre der Rückkopplungspfad des geschlossenen Regelkreises divergierend statt konvergent. Der Ausgang des Operationsverstärkers reagiert auf die kleine Differenz zwischen VFB und VREF und erhöht oder verringert seinen Ausgang VB, bis die Differenz VREF-VFB nahezu null ist. Es fließt praktisch kein Strom in den Eingang des Operationsverstärkers (-), sodass der gesamte Strom, der in R3 fließt, auch in R2 fließt.

Natürlich gibt es Leistungsgrenzen: Sowohl die Eingänge als auch die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers dürfen die Stromversorgungsschienen des Operationsverstärkers nicht überschreiten. Und die Open-Loop-Verstärkung fällt bei höheren Frequenzen ab, sodass die Schleife nicht so genau schließt. Außerdem treiben Operationsverstärker nicht gerne große Kapazitäten an, sodass der Versuch, einen großen Leistungs-MOSFET anzusteuern, möglicherweise nicht immer ohne einen gewissen Serienwiderstand funktioniert. Für Design- oder Analysezwecke können Sie jedoch oft davon ausgehen, dass die negative Rückkopplung des Operationsverstärkers ordnungsgemäß funktioniert, und die internen Knoten alles tun lassen, was sie tun müssen, um die richtige Ausgabe zu erhalten.