Sind Operationsverstärker als Spannungsregler effizient?

Der inhärente Wirkungsgrad ist derselbe wie bei jedem anderen Linearregler, geben oder nehmen, abhängig vom Ruhestrom des Operationsverstärkers (könnte uA bis mA für den Operationsverstärker sein, der nur ohne Last dort sitzt).

$P_D = (V_{in} - V_{out}) \cdot I_{load} + I_q \cdot V_{in}$

100 mA erfordern einen teuren Operationsverstärker oder eine Booster-Stufe am Ausgang.

Es gibt noch ein weiteres Problem: Linearregler sind für kapazitive Lasten wie die Bypass-Kondensatoren an allem, was Sie an die 3,3-V-Schiene anschließen möchten, ausgelegt und spezifiziert. Wenn Sie einen Operationsverstärker wie in Ihrem Schaltplan gezeigt an eine solche Last anschließen, wird er wahrscheinlich oszillieren und / oder überschwingen. Dies könnte Ihre Last beschädigen, und selbst wenn die Bypass-Kondensatoren die scheinbare Oszillation unterdrücken, erhöht dies den Stromverbrauch Ihrer Schaltung erheblich. Ich schlage vor, dass Sie Spannungsregler verwenden sollten, um die Spannung und Operationsverstärker zu regulieren, um Signale zu manipulieren, es sei denn, Sie haben sehr spezielle Anforderungen. Es ist nicht so, dass man eine solche Schaltung nicht mit zusätzlichen Komponenten kompensieren könnte, damit sie stabil wäre, ich sehe nur keinen Sinn.

Operationsverstärker können normalerweise keine 100 mA liefern. Sie können jedoch immer noch zur Steuerung einer Leistungsspannung verwendet werden, wenn Sie ihrem Ausgang eine gewisse Stromverstärkung hinzufügen. Wenn Sie wirklich möchten, dass ein Operationsverstärker eine Versorgungsspannung steuert, die Hunderte von mA liefern kann, finden Sie hier einen einfachen Weg:

Der Operationsverstärker übernimmt weiterhin die Steuerung und liefert weiterhin eine Spannungsverstärkung von Vin zu Vout. Q1 liefert jedoch den größten Teil des Vout-Stroms. R2 und R3 sind die Spannungsrückkopplung und die Gesamtverstärkung ist der Kehrwert ihres Dämpfungsverhältnisses. In diesem Beispiel sind R2 und R3 gleich, sodass die Spannungsverstärkung von Vin zu Vout 2 beträgt.

Sie denken vielleicht, dass Sie nur den Transistor und R2 und R3 brauchen, aber das könnte instabil sein. Um den Operationsverstärker stabil zu machen, setzen Sie eine kleine Kappe direkt zwischen seinen Ausgang und den invertierenden Eingang. Sie müssen jedoch auch zulassen, dass der Operationsverstärkerausgang nicht direkt mit der Endlast belastet wird, insbesondere wenn diese Last kapazitiv ist. R1 entkoppelt den Operationsverstärkerausgang von der Last, so dass der Operationsverstärker in der Lage sein sollte, die gewünschte Ausgangsspannung zu erreichen. Ohne das funktioniert das Stabilitätsfeedback von C1 nicht richtig und das Ding kann trotzdem schwingen.

Der beste Wert von C1 ist schwer vorherzusagen, also beginnen Sie mit etwas vage Plausiblem, wie ich es zeige, und experimentieren Sie dann. Wenn Sie es niedriger machen, wird dies zu Instabilität führen und zu Schwingungen führen. Eine höhere Einstellung dämpft die Reaktion auf transiente Lasten. Testen Sie, indem Sie die erwartete nicht ohmsche Last im schlimmsten Fall anschließen, den Wert von C1 genau dort finden, wo er anfängt, instabil zu werden, und ihn dann in der realen Schaltung verdoppeln.

Wenn Sie in diesem Fall jedoch ein paar Schichten zurückgehen, benötigen Sie keinen Operationsverstärker-Spannungsregler, da die gewünschte Spannung sowohl ein gemeinsamer Wert als auch im Voraus bekannt ist. Es gibt viele 3-polige Linearregler, die speziell für diese Aufgabe entwickelt wurden und 100 mA liefern können. Wenn es in Ordnung ist, die zusätzliche Leistung als Wärme im Linearregler zu verschwenden, ist dies in Ihrem Fall eindeutig der richtige Weg. In diesem Fall fallen 7,5 V - 3,3 V = 4,2 V ab, was mal 100 mA 420 mW entspricht. Ein Linearregler in einem TO-220 oder einem ähnlichen Gehäuse wird warm, benötigt aber keinen Kühlkörper.

Wenn Effizienz oder Wärmeableitung ein Problem sind, verwenden Sie einen Abwärtsregler, um die 3,3-V-Versorgung aus der vorhandenen 7,5-V-Versorgung zu machen.

Operationsverstärker sind lineare Geräte und als solche so (in)effizient wie jeder andere lineare Regler.

Der Laststrom am Ausgangspin wird von den Stromversorgungspins des Operationsverstärkers geliefert, und jede Spannungsdifferenz zwischen den beiden Pins erscheint über den Treibertransistoren in der Ausgangsstufe des Operationsverstärkers. Diese Spannung, multipliziert mit dem Laststrom, stellt die Leistung dar, die als Wärme im Operationsverstärker abgeführt wird.

Sie werden nicht in der Lage sein, 100 mA von allen Standard-Operationsverstärkern zu liefern - vielleicht 20 mA für die meisten und bis zu 50 mA für speziellere Geräte. Es gibt solche Dinge wie Leistungs-Operationsverstärker, die Verstärker liefern können, aber das sind Spezialgeräte.

In Bezug auf den Wirkungsgrad kann die an die Last gelieferte Leistung 3,3 V x 20 mA = 66 mW betragen, und die Leistung in den Operationsverstärker beträgt 7,5 V x (20 mA + ~ 5 mA für den Operationsverstärker) = 187,5 mW.

Der Ruhestrom des Geräts kann 3 mA betragen und auf 5 mA ansteigen, um den Ausgangsstrom zu erzeugen. Es gibt ein bisschen Handwinken, aber selbst wenn Sie den vom Operationsverstärker aufgenommenen Strom ignorieren, haben Sie immer noch 7,5 V, die ihn mit Strom versorgen, und 20 mA, die an die Last geliefert werden = 150 mW.

Wenn Sie den Operationsverstärker mit einer 5-V-Versorgung betreiben, wäre dies besser, aber denken Sie daran, dass es sich um ein lineares Gerät handelt, das nicht wie ein Schaltnetzteil ist. Wenn Ihr Ausgang 20 mA beträgt, werden diese 20 mA von den Stromschienen des Operationsverstärkers entnommen.

Diese Schaltung liefert die eingestellte Ausgangsspannung (maximale Ausgangsspannung wird durch die Schienen begrenzt), wird aber bei höherer Last nicht mehr gut geregelt. Dies hängt auch von der Stärke des interessierenden Operationsverstärkers ab. Es sind jetzt viele Operationsverstärker mit hoher Stromstärke (Ampere) verfügbar.

Diese Schaltung ist nicht zufällig ein Spannungsregler. Es oszilliert mit hoher kapazitiver Last und kann Leitungs- oder Lasttransienten nicht aufrechterhalten.