Spannungsstabilisierung mit einem Operationsverstärker für variable Ausgangsspannungen

 

Spannungsstabilisierung mit einem Operationsverstärker für variable Ausgangsspannungen

Interessant an dieser Schaltung ist, dass die stabilisierte Ausgangsspannung für die Stromversorgung der Z-Diode herangezogen wird. Dadurch enthält die Referenzspannung  Uz kaum mehr Brummanteile.


Schaltung der Spannungsstabilisierung.

Die Schaltung entspricht dem Prinzip dreibeiniger integrierter Spannungsregler. Für die Simulation kann man diese Schaltung deshalb auch behelfsmäßig anstatt von Spannungsreglermodellen einsetzen.

Minimale Zenerspannung Uz:

Der Nachteil ist, dass die Ausgangsspannung immer größer als die Referenzspannung Uz sein muss. Andernfalls könnte  ja keine Spannung an R1 abfallen. R1 sollte groß im Vergleich zum rz der Z-Diode sein und mindestens 100 Ohm besitzen (siehe E1 – Grundschaltungen, 4. Spannungstabilisierung mit einer Z-Diode). Außerdem sollte der Zenerstrom Iz etwa 5 mA betragen. Daraus folgt die minimale Spannung UR1min, welche an R1 abfallen muss:

URmin = R1 * Iz = 100 Ohm * 5 mA = 500 mV = 0.5 Volt

Die Ausgangsspannung Uaus muss also um 0.5 Volt größer als die Zener- bzw. Referenzspannung Uz sein.

Berechnung der Ausgangsspannung Uaus: Die Ausgangsspannung selbst wird durch Uz und dem Spannungsteiler aus Ro und Ru bestimmt. Dazu hält man sich vor Augen, dass sich die Spannungsregelung genau dann im Gleichgewicht befindet, wenn sich am Pin 2 (invertierender Eingang des Operationsverstärkers) eine Spannung in Höhe der Zenerspannung Uz eingestellt hat. An Ro + Ru muss demnach Uaus abfallen und an Ru die Spannung Uz.


Eingangsbeschaltung des Operationsverstärkers.

Daraus ergibt sich die nachfolgende Verhältnisgleichung:
 

                                                               Ro + Ru           Ru

                                                            ——————  = ———

                                                                  Uaus             Uz

Nach einer Umformung erhalten wir:

Uaus = ((Ro + Ru) / Ru) * Uz oder Uaus = ( (Ro / Ru) + 1) * Uz.

Der Strom durch Ro bzw. Ru sollte zwischen 0.1 und 3 mA liegen. Dann hat man einen genügend großen Störabstand und man braucht den sehr geringen Eingangsstrom des Operationsverstärkers nicht zu berücksichtigen.

Meistens sind die Ausgangsspannung und Uz vorgegeben. Die Gleichung kann man dann nach Ro auflösen und gibt Ru vor:

Ro = (( Uaus / Uz ) – 1) * Ru

Ro bzw. Ru und Ro kann man selbstverständlich auch durch ein Potentiometer ersetzen, mit dem man die Ausgangsspannung variieren kann.

Minimale Spannungsdifferenz zwischen Eingang und Ausgang: Damit der Serientransistor Q1 seine Aufgabe als Stellglied noch erfüllen kann, braucht er eine minimale Kollektor-Emitter-Spannung Uce von etwa 0.3 Volt. Dies entspricht auch der Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung, da der Kollektor am Eingang liegt und der Emitter am Ausgang. Sicherheitshalber sollte in der Praxis diese Differenz jedoch mindestens 1 Volt betragen.