Источники стабильного тока с регулируемой величиной тока – Простой способ стабилизации больших токов с малыми потерями на измерительном элементе

Содержание

Источник стабильного тока от 5 мкА до 20 мА / Habr

Источник стабильного тока понадобился автору для отладки схем на биполярных транзисторах, которые, как известно, управляются током. Важное требование к нему — изоляция общего провода прибора от общего провода отлаживаемого устройства, поэтому источник питания пришлось взять автономный. Встроенный четырёхразрядный микроамперметр с автоматическим переключением пределов позволяет немного уменьшить количество аппаратуры, одновременно размещаемой на столе экспериментатора.

Идея схемы взята отсюда. Собственно источник стабильного тока устроен так:

Сопротивление резистора R1 некритично, нужно только, чтобы ток базы транзистора Т1 полностью открывал его. Коэффициент передачи тока транзистора BC559C — около 500, верхний предел регулировки тока у источника — 20 мА, значит, 200 мкА через базу — более чем достаточно. Резистор в 10 кОм обеспечит около 1 мА при 10 В, в принципе, можно увеличить его даже до 50 кОм.

Транзисторы Т1 и Т2 должны быть одинаковыми, но при больших токах параметры Т1 всё равно будут немного «уплывать» из-за небольшого нагрева.

Ток, подаваемый устройством во внешнюю цепь, определяется суммарным сопротивлением резисторов R3 — R5. Их функции: R3 — ограничение тока в случае, если оба переменных резистора вывернуты «в нуль», R4 — точная регулировка тока, R5 — грубая. Ток рассчитывается по формуле I=0.7/(R3+R4+R5), поэтому, например, если резистор R3 взять сопротивлением в 27 Ом, верхний предел регулировки тока составит 0.7/27=25,9мА. На практике получилось 21,6 мА, поскольку падение напряжения на транзисторе Т2 оказалось меньше — около 0,6 В.

Полная схема устройства:

«Крона» питает источник стабильного тока, два элемента ААА — четырёхразрядный микроамперметр. Поэтому выключатель питания взят с двумя нормально разомкнутыми группами контактов. Переключатель S1 позволяет отключить верхнюю клемму и замкнуть источник тока накоротко, чтобы настроить его заранее, до подключения к отлаживаемой схеме.

Параметры на практике получились следующими: максимальный ток — 21,6 мА, максимальный ток при «грубом» регуляторе, вывернутом «в нуль» — 0,3 мА, минимальный — 4,7 мкА. Правда, встроенный микроамперметр меньше 10 мкА не показывает, поэтому внешний иногда может и потребоваться. Выставленный ток остаётся практически неизменным при изменении напряжения на внешней цепи от 0 до 8 В.

Микроамперметр сделан из мультиметра с автоматическим переключением пределов JT-033A фирмы SHENZHEN JINGTENGWEI INDUSTRY CO.,LTD: переключатель режимов удалён, вместо него впаяны перемычки, заставляющие его всегда работать в режиме измерения тока.

Расположение компонентов в корпусе следующее:

Jim сделал симуляцию схемы в Falstad, автор её немного переработал для отображения большего количества параметров, получилось:

$ 1 0.000005 7.619785657297057 65 5 50
t 224 240 176 240 0 -1 0.6771607865907852 -0.5873050244463638 500
t 256 272 304 272 0 -1 1.8738439949380101 -0.6771607865907852 500
r 176 304 176 400 0 10000
v 80 288 80 192 0 0 40 9 0 0 0.5
w 176 304 176 272 3
w 176 272 176 256 0
w 176 224 176 32 1
w 176 32 80 32 0
w 80 32 80 192 0
w 80 288 80 400 0
w 80 400 176 400 3
w 176 400 304 400 0
w 304 336 304 288 3
w 304 240 224 240 1
174 304 128 352 48 0 5000 0.9950000000000001 Resistance
w 176 32 304 32 2
w 304 256 304 240 0
w 304 240 304 208 2
w 304 128 336 128 0
w 352 80 352 128 0
w 352 128 336 128 0
w 256 272 176 272 1
w 304 128 304 208 1
r 304 336 304 400 0 250

Результат симуляции:

А вот результат симуляции при сопротивлении резистора R1 в 100 кОм:

Генератор тока (источник тока). Различия и сходства стабилизаторов тока и напряжения.

3 164

Бурыкин Валерий Иванович

Генератор тока и генератор напряжения. В чём разница? Что такое Генератор тока и каковы области его применения.

***

По работе нужно было найти какое либо внятное описание того, что собой представляет генератор тока (стабилизатор тока, источник тока), его области применения и примеры расчёта. Ничего приемлемого найти не удалось.

Пришлось самому приступить к написанию статьи отвечающей на эти вопросы.

И ещё, пришлось заменить общепринятые обозначения «дельта» и «бесконечность» на слова. К сожалению, вместо них при попытке считать текст отображаются вопросительные знаки.

28.02.2012г.

***

Первое, что нам необходимо понять — это то в чём различия генератора тока и стабилизатора напряжения.

Стабилизатор напряжения.

Другие названия:

— источник напряжения;

— генератор напряжения;

— источник опорного напряжения (в схемах его обычно обозначают как ИОН).

Основное требование:

Uвых. = const.

Ток в нагрузке подключенной к выходу стабилизатора напряжения изменяется в зависимости от величины Rнагр.

Идеальный режим работы стабилизатора напряжения соответствует Rнагр. = бесконечности.

Идеальный генератор напряжения создаёт на сопротивлении нагрузки напряжение стабильной величины. При этом его внутреннее сопротивление равно нулю (Ru = 0). Ток в нагрузке определяется по формуле:

Iнагр. = U / Rнагр.

Из этого можно сделать вывод:

— так как напряжение стабильно, то при изменении Rнагр. будет изменяться ток, протекающий через нагрузку, Рис. 1.

Рис. 1 Схема идеального источника напряжения.

Идеальный источник напряжения при уменьшении Rнагр. до нуля способен создавать ток бесконечно большой величины.

Но в жизни ничего идеального не существует, все источники напряжения имеют некоторое внутреннее сопротивление — Ru.

Это приводит к тому, что напряжение источника делится между внутренним сопротивлением Ru и сопротивлением нагрузки Rнагр, Рис. 2

Рис. 2 Функциональная схема реального источника напряжения.

Поэтому ток в нагрузке вычисляется по формуле:

Iнагр. = U / (Ru + Rнагр.)

Максимальный ток возникает при Rнагр. = 0.

Из формулы видно — ток в нагрузке зависит от напряжения развиваемого источником, а также от величины суммы сопротивлений Rнагр. и Ru.

Как правило, внутреннее сопротивление источника напряжения (Ru) выбирается как минимум в 100 раз меньше минимально возможного значения сопротивления нагрузки (Rнагр. min). В этом случае напряжение на выходе источника при изменении сопротивления нагрузки от бесконечности до Rнагр. min будет изменяться не более чем на 1%.

Т.е. желательно, чтобы соблюдалось условие:

Rнагр. min => 100*Ru

В данном случае мы не рассматриваем вопрос о мощности источника напряжения. Мощность зависит от принципа построения источника, реализуемой схемы и применяемых компонентов.

Теперь посмотрим, что собой представляет генератор тока

Генератор тока.

Другие названия:

— источник тока;

— стабилизатор тока.

Основное требование:

Iвых. = const.

При этом напряжение на нагрузке изменяется в зависимости от величины Rнагр.

Идеальный режим работы стабилизатора тока возникает при Rнагр. = 0

Идеальный источник тока создаёт в нагрузке стабильный ток, то есть — ток, величина которого не зависит от сопротивления нагрузки, Рис. 3.

Рис. 3 Функциональная схема идеального источника тока.

Так как ток источника не зависит от величины сопротивления нагрузки то при изменении Rнагр. пропорционально будет изменяться и Uнагр.

Uнагр. = Rнагр. * Iист.

Идеальным генератором тока считается такой источник, через который протекает ток неизменной величины и не зависящий от Rнагр.

В таком случае если Rнагр стремится к бесконечности, то Uнагр. так же стремится к бесконечности. Такая ситуация на практике неосуществима. Реальные генераторы тока поддерживают стабильный ток в нагрузке только в пределах от Rнагр. = 0 до некоторой величины Rнагр. max.

Эквивалентные схемы генераторов тока, приводимые в академической литературе малопонятны, а формулы, описывающие их работу, вряд ли когда-либо понадобятся в практических расчетах.

Поэтому я начну сразу с практических схем.

Наиболее доступная и простая как в понимании, так и в расчётах схема выглядит так:

Рис. 4 Практические схемы простых генераторов тока на биполярных транзисторах.

На рисунке изображены две одинаковые схемы простых генераторов тока. Разница состоит только в том, что применены транзисторы разной проводимости. Другое отличие это то, к какому полюсу источника питания подключена нагрузка.

В обоих случаях применена схема включения транзистора с общим коллектором (эмиттерный повторитель). Эмиттерным повторителем она названа за то, что изменение напряжения на эмиттере (Uэ) повторяет изменение напряжения на базе, в нашем случае это Uстаб.

Повторяет именно изменение напряжения, а не само напряжение так как существует падение напряжения на эмиттерном переходе транзистора. Поэтому в случае усилителя постоянного тока напряжение Uэ будет определяться по формуле:

Uэ = Uстаб. — Uбэ

где Uбэ — падение напряжения на переходе база — эмиттер транзистора.

Поскольку Uэ зависит только от напряжения стабилизации стабилитрона и от напряжения Uбэ, а значения этих напряжений можно считать константами, то в идеальном случае Uэ не будет зависеть от изменения Uпит. и Rн.

Ток протекающий через Rэ является одновременно и током протекающим через нагрузку, то есть IRэ = Iист.

Соответственно Iист. вычисляется по формуле:

Iист. = Uэ / Rэ

где: Uэ и Rэ константы, следовательно и Iист. — так же константа.

На самом деле стабильность напряжения Uэ зависит от того насколько стабилитрон VD чувствителен к изменению протекающего через него тока и к воздействию окружающей температуры.

То же самое относится и к переходу база — эмиттер транзистора.

Пока будем считать, что эти факторы нас не касаются.

В этом случае мы будем находиться в счастливом заблуждении, что наши расчёты абсолютно точны.

Основные параметры источника (генератора) тока:

1. Величина требуемого СТАБИЛЬНОГО тока — (Iист.).

Т. е. тока, который питает нагрузку и не изменяется под воздействием внешних факторов.

2. Максимальное сопротивление нагрузки — (Rнагр. max).

3. Минимально возможное напряжение источника питания для нашей схемы — (Uпит. min).

Что нужно для расчёта источника тока.

Самый тяжёлый вариант входных условий.

Здесь вас пытаются уложить в Прокрустово ложе тем, что лишают манёвра.

Требования заказчика:

а. Ток источника тока (генератора тока) = Iист.

б. Сопротивление нагрузки, которое меняется от Rнагр. min до Rнагр. max.

Замечу — нижний предел сопротивления нагрузки (Rнагр. min) для генератора тока всегда можете смело принимать за ноль.

Rнагр. max. — определяется из характеристик питаемого оборудования и важен для расчёта.

в. Напряжение питания = Uпит.

Методика расчёта генератора тока.

Первое, что нужно определить это то какое максимальное напряжение необходимо развить на Rнагр.

Uнагр. max = Iист. * Rнагр. max

Далее определить то, каким запасом по напряжению мы располагаем.

Uзап. = Uпит. — Uнагр. max

Нужно понимать, что напряжение запаса должно поделиться между Uкэ. и Uэ.

Значение напряжения Uкэ. которое снижается до минимального значения при максимальном значении Rнагр. желательно принять не менее 3 Вольт. Конечно чем больше, тем лучше

Далее можем вычислить с каким максимальным напряжением стабилизации при заданных условиях можно выбрать стабилитрон.

Uстаб. max = Uзап. — Uкэ + Uбэ

Сопротивление Rэ рассчитываем по формуле:

Rэ = (Uстаб. — Uбэ) / Iист.

Из этой формулы видно, что током генератора тока мы можем управлять двумя способами:

— изменяя Uстаб.;

— изменяя Rэ.

Uбэ — константа и изменению не подлежит.

Есть ещё один подводный камень, это соотношение напряжений Uбэ и Uстаб.

Из последней формулы видно, что если Uстаб. окажется меньше или равно Uбэ, то в этом случае Rэ должно быть либо равным нулю, либо отрицательным. И то, и другое невозможно.

Таким образом, если Uстаб. получится меньше или равно Uбэ то схема окажется неработоспособной, так как в этом случае мы не сможем открыть транзистор и создать хоть какое либо падение напряжения на Rэ.

Желательно получить Uстаб. в шесть — семь раз превышающее Uбэ.

Если Uстаб. получается близким по значению к Uбэ то необходимо изменять входные условия. Если вы не можете повлиять на параметры нагрузки: (уменьшить Rнагр. max) или согласовать уменьшение тока от генератора тока, остается только один вариант — увеличить напряжение питания. Если и это невозможно согласовать…. Тогда пошлите заказчика к чёрту, а расчёты выкиньте в корзину.

Пример расчета простого генератора тока на биполярном транзисторе

Тяжёлый вариант.

Требования заказчика:

а. Iист. = 20мА;

б. Rнагр. max. = 3кОм;

в. Uпит. = 50В.

г. нагрузка привязана к + Uпит.

Это и есть то самое Прокрустово ложе.

Простейшая для понимания схема будет такова:

Рис. 5

Пример расчета:

Первое что нужно сделать, это проверить возможность создания такого генератора тока.

Попробуем произвести расчёт.

Uнагр. max = Iист. * Rнагр. max. = 0.02 * 3 000 = 60В

Видим неприятную картину.

Заданное Uпит. меньше требуемого Uнагр. max. Следовательно мы не сможем обеспечить требуемый ток в нагрузке при максимальном сопротивлении Rнагр.

Что делать?

Самое удобное для нас это уменьшить ток генератора тока. Как было сказано ранее этого можно добиться либо уменьшая Uстаб., либо увеличивая Rэ.

Ток при этом определяется по формуле:

Iист. = (Uстаб. — Uбэ) / Rэ

Допустим, нам удалось согласовать изменение величины тока.

Посмотрим, какая величина Iист. нас устроит.

Как уже говорилось Uстаб. желательно выбрать не менее 6* Uбэ. Среднее значение Uбэ для кремниевых транзисторов составляет 0,65 В. Оно может изменяться в зависимости от выбранного транзистора, но ненамного (если конечно вы не выберете составной транзистор). Рассчитаем величину Uстаб.

Uстаб. = Uбэ * 6 = 0,65 * 6 = 3,9В

Обращаемся к справочнику по диодам, находим там раздел «Стабилитроны». И о чудо! Есть такой стабилитрон! И зовут его 2С139А.

Он обладает следующими параметрами:

Uст — напряжение стабилизации стабилитрона

Uст ном — номинальное напряжение стабилизации стабилитрона

Iст — ток стабилизации стабилитрона

Iст ном — номинальный ток стабилизации стабилитрона

Рmax — максимально-допустимая рассеиваемая мощность на стабилитроне

rст — дифференциальное сопротивление стабилитрона

aст — температурный коэффициент стабилизации стабилитрона

Тк max — максимально-допустимая температура корпуса стабилитрона

Далее определим необходимый запас по напряжению.

Uзап. = Uстаб. — Uбэ + Uкэ = 3,9 — 0,65 + 3 = 6,25 В

Вычитаем из величины питающего напряжения напряжение запаса и получаем максимально возможное напряжение на нагрузке.

Uнагр. = Uпит. — Uзап. = 50 — 6,25 = 43,75 В

Полученную величину Uнагр. делим на Rнагр. max. и получаем то значение тока, которое нас устроит.

Iист. = Uнагр / Rнагр. max = 43.25 / 3000 = 0.0144 А

Итак, нам удалось изменить требования заказчика, теперь они выглядят так:

а. Iист. = 14,4мА;

б. Rнагр. max. = 3кОм;

в. Uпит. = 50В.

г. нагрузка привязана к + Uпит.

Значит, мы можем приступить к окончательному расчёту элементов схемы.

Rбал. = (Uпит. — Uстаб.) / Iст ном = (50 — 3,9) / 0,01 = 4610 Ом

Где: Iст ном — взято из справочника.

Выбираем ближайшее значение Rбал. (желательно в меньшую сторону):

Rбал. = 4,3кОм.

Определим величину сопротивления Rэ.

Rэ = (Uстаб. — Uбэ) / Iист. = (3,9 — 0,65) / 0.0144 = 225,694444444444…….Ом.

Опять же принимаем ближайшее значение и снова в меньшую сторону.

Rэ = 220 Ом.

В итоге получаем окончательную схему.

Рис. 6 Результат расчёта.

Какой выбрать транзистор VT1?

Да любой биполярный npn транзистор.

Нужно помнить только, что у нас задано Uпит = 50 В. А это говорит о том, что допустимое напряжение Uкэ должно быть не менее этого значения (лучше раза в полтора больше). Максимальную мощность, рассеиваемую на корпусе транзистора можно рассчитать исходя из предельного режима, когда Rнагр. = 0.

В этом случае Uкэ будет равно Uпит.-Uэ.

Значит, мощность рассеяния можно определить из формулы:

Pк max = (Uпит. — (Uстаб. — Uбэ)) * Iист. = (50 — (3,9 — 0,65)) * 0,0144 = 0,673 W

где Pк — мощность рассеиваемая на коллекторе транзистора и выбирается она из справочника. (Надеюсь нет смысла объяснять почему нужно выбрать транзистор с несколько большим Pк?).

В этом расчёте мы исходим из условия короткого замыкания в нагрузке.

Можно конечно произвести расчёт из условия Rнагр = Rнагр. min, т.е. то минимальное сопротивление которое задано заказчиком. В этом случае Pк max. получится меньше, но в тоже время источник может оказаться слишком чувствительным к короткому замыканию в нагрузке.

Может случиться так, что заказчик не пойдет на то чтобы изменить входные параметры.

В этом случае нужно понять: какую сумму он готов заплатить за готовое изделие.

Физика есть физика и против её законов не попрёшь.

Если заказчик готов раскошелиться, то в схему можно ввести дополнительный источник питания, позволяющий входное напряжение 50В преобразовать в то напряжение, которое позволит нам вписаться в исходные условия.

Рассчитаем какое минимальное Uпит. нам необходимо для удовлетворения первоначальных условий. Вот эти условия:

а. Iист. = 20мА;

б. Rнагр. max. = 3кОм;

в. Uпит. = 50В.

г. нагрузка привязана к + Uпит.

Uэ и Uкэ можно оставить прежними, к ним у нас претензий быть не должно.

То, какое максимальное напряжение на нагрузке при данных условиях мы должны развить уже было рассчитано (Uнагр. max = 60 В).

В этом случае (если мы снова возьмём стабилитрон 2С139А) минимальное значение напряжения питания можно определить из формулы:

Uпит. min = Uнагр. max + Uэ + Uкэ = 60 + 3,25 + 3 = 66,25 В

где Uэ = Uстаб. — Uбэ.

Для ровного счёта примем Uпит. min = 67 В.

В этом случае схема примет следующий вид:

Рис. 7 Генератор тока с внутренним источником напряжения.

Есть одно НО! Добавление этого квадратика может увеличить стоимость схемы в сотню раз. Хотя желание заказчика мы при этом удовлетворим.

Иногда в схему генератора тока вводят операционный усилитель (другое название — дифференциальный усилитель). Это позволяет создать большой коэффициент усиления в цепи отрицательной обратной связи и исключить влияние Uбэ транзистора на стабильность выходного тока.

Пример такой схемы приведён на Рис. 8.

Расчёт такой схемы отличается только тем, что нужно забыть об Uбэ.

Рис. 8 Генератор тока с дифференциальным усилителем.

Можно пойти дальше и создать стабилизатор тока с регулируемым значением Iист.

В этом случае желательно заменить стабилитрон на маломощный линейный стабилизатор напряжения. Обычно такие стабилизаторы напряжения в схемах обозначаются как ИОН (источник опорного напряжения).

Вот пример такой схемы:

Рис. 9 Регулируемый генератор тока.

Ну вот, кажется всё основное, то что касается построения и расчёта генераторов тока я изложил.

Теперь встаёт вопрос…. А на кой чёрт нам всё это нужно?

Ну, стабилизаторы напряжения… — тут всё понятно!

Широко применяются в бытовой и промышленной электронике. Ни одно современное электронное устройство не обходится без них.

А зачем нужно устройство, которое не может поддерживать стабильное напряжение на нагрузке, и это напряжение постоянно «гуляет», а величина этого напряжения будто привязана к величине Rнагр.?

Рассмотрим некоторые области применения генераторов тока (стабилизаторов тока, источников тока).

Первая и наверное самая распространённая область — это источники стабильного напряжения, как раз то без чего не обходится практически ни одно современное электронное устройство.

В простейшем случае общая схема стабилизатора напряжения выглядит так:

Рис. 10 Функциональная схема стабилизатора напряжения.

Обозначения в схеме:

ИОН — источник опорного напряжения;

Уош. — усилитель ошибки;

Uоп. — опорное напряжение;

Uдел. — напряжение снимаемое с делителя подключенного к выходному напряжению стабилизатора напряжения.

Uош. — напряжение ошибки, оно вычисляется как Uоп. — Uдел.

Напряжение на выходе стабилизатора зависит от величины Uоп. и коэффициента деления делителя.

Uстаб. = Uоп * (Rдв + Rдн) / Rдн

Усилитель ошибки сравнивает два напряжения Uоп. и Uдел., его главная задача поддерживать Uош. близким к нулю, а следовательно следить за тем, чтобы Uстаб. оставалось неизменным.

Допустим мы имеем почти идеальный Уош., способный удерживать Uош. в десятки тысяч раз меньшим чем Uоп. (такие дифференциальные каскады сейчас существуют)

В этом случае мы можем пренебречь влиянием элементов схемы Уош. на величину Uстаб. и главным виновником в нестабильности выходного напряжения при изменении Uпит. будет ИОН.

Простейший источник опорного напряжения выглядит так:

Рис. 11 Простой источник опорного напряжения.

Допустим, в процессе эксплуатации, Uпит. может изменяться от 18 до 36 Вольт.

Мы располагаем всё тем же стабилитроном 2С139А (учтите, буквы русские).

Первое что нужно сделать это рассчитать Rбал. Оно рассчитывается исходя из минимальной величины Uпит, при этом следует задаться минимальным током стабилитрона Iстаб. min.

Из справочных данных следует что рабочий диапазон токов стабилитрона лежит в пределах 3 — 70 mA. Номинальный ток — 10 mA. Подбираться слишком близко к нижнему пределу не стоит, так как при этом слишком сильно возрастает Rст. Определимся с минимальным током стабилитрона равным 7mA.

Тогда:

Rбал. = (Uпит. min — Uстаб.) / Iстаб. min = (18 — 3.9) / 7 = 2.014 кОм.

Ближайшее значение 2 кОм.

При Rбал. = 2 кОм и дельта Uпит. = 18 В, дельта Uоп. составит 0,53 В.

Разделив дельту на номинальное напряжение стабилитрона, определим величину нестабильности напряжения такого ИОН:

0,53 / 3,9 = 0,135

Т.е. нестабильность ИОН будет равна 13,5%.Понятно, что напряжение на выходе стабилизатора напряжения будет изменяться по такому же закону. И его нестабильность так же составит 13,5%.

Посмотрим на сколько при таком изменении напряжения питания изменится ток протекающий через стабилитрон.

Изменение тока протекающего через стабилитрон можно вычислить по следующей формуле:

дельта Iстаб. = (Uпит. max — Uпит. min) / Rбал. = (36 — 18) / 2000 = 9 mA.

Изменение тока составило 129% так как:

дельта Iстаб. / Iстаб. min = 9 / 7 = 1,29

Но нестабильность по напряжению в 13,5% нас не устраивает. Что делать?

Вот здесь нам и придёт на помощь его величество Генератор Тока.

Давайте запитаем стабилитрон, с которого будем снимать опорное напряжение, через это самое величество:

Рис. 12 Схема ИОН с повышенной стабильностью Uоп.

Допустим VD1 иVD2 будут всё те же 2С139А. В этом случае Rбал. так же будет равно 2 кОм.

Зададимся током через VD2. По справочнику номинальный ток этого стабилитрона 10 mA. Не мудрствуя лукаво примем это за истину.

Вычислим величину Rэ.

Rэ = (UVD1 — Uбэ.) / IVD2 = (3.9 — 0.65) / 10 = 0.325 кОм.

Принимаем ближайшее значение 330 Ом.

Изменение тока протекающего через Rэ, а значит и через VD2 при изменении Uпит. на 18 Вольт будет таким же как и изменение напряжения на VD1 рассчитанное ранее, т.е. 13,5%.

Абсолютная величина изменения тока VD2 составит: 10mA * 13.5% = 1,35mA, в отличии от 9 mA в VD1. Это приведёт к изменению напряжения на стабилитроне VD2 на 0,081V. Нестабильность опорного напряжения снизится до 2,1%.

Вместо 13,5% на VD1!

И это притом, что я выбрал довольно паршивый стабилитрон. Хотите получить меньшую нестабильность выбирайте стабилитрон с меньшим Rст.

Ну вот, с одной областью применения генераторов тока кажется разобрались.

Что же ещё? Где ещё нам может понадобиться источник стабильного тока?

Да там где используются резистивные датчики.

Фоторезисторы, термосопротивления, резистивные тензодатчики и т.д. и т.п.

Рис. 13 Один из вариантов подключения датчиков к генератору тока.

Сопротивление таких датчиков является функцией какого либо внешнего параметра — температуры, освещённости, давления. Обозначим зависимость Rдат. от величины параметра (P) как f(P).

Как правило, сопротивление связано с измеряемым параметром определённой математической формулой. Ток протекающий через датчик в случае использования идеального источника тока не зависит от Uпит.

Падение напряжения на Rдат будет определяться по формуле:

Uдат. = Iист. * f(P).

Так как Iист. = const, то Uдат. будет изменяться по тому же закону что и Rдат. Вот здесь нам и пригодилось то, что напряжение на выходе генератора тока «привязано» к Rнагр.

А дальше всё просто: берём контроллер на основе микропроцессора, закладываем в него софт состоящий из многих программ предназначенных для расчёта различных f(P), программу опроса множества датчиков, величины критических значений измеряемых параметров и подключаем всё это к центральному компьютеру межзвёздного корабля.

Теперь дежурная вахта в любой момент может получить информацию о величине температуры, освещения и давления в сотнях, а может и тысячах отсеках корабля, и даже о том, с каким ускорением летит корабль.

Лифт сможет сообщить о том, каков вес груза находящегося в кабине.

Вот кажется и всё то основное, что я хотел рассказать о генераторе тока.

Теперь вернёмся к началу статьи. В чём всё-таки сходства и различия генераторов (стабилизаторов, источников) тока от устройств поддерживающих на своём выходе стабильное напряжение (стабилизаторов напряжения)?

Составим таблицу сравнительных характеристик.

Отсюда видно, что генератор тока и стабилизатор напряжения представляют собой зеркальное отражение друг друга.

Я описал лишь некоторые области применения источников тока. На самом деле их намного больше.

Дерзайте.

Если вы заметили в статье я постоянно «путал» названия: генератор, источник, стабилизатор.

Это сделано специально. Т.к. в различной литературе по электронике и электротехнике вы можете столкнуться с любым из них.

И ещё.

Часто производители в описании своей продукции делают большую ошибку.

Вот пример:

С сайта «FG Wilson (Engineering) Ltd» :

Схема стабилизатора напряжения R438 обеспечивает управление по замкнутому циклу для выходного напряжения генератора переменного тока регулированием тока поля возбудителя. R438 может получать питание от поля системы с бесщеточным самовозбуждением или ПМГ и, как вариант, устанавливается на следующих генераторах переменного тока:

Генераторы переменного тока серии 1000*

Генераторы переменного тока серии 2000

Генераторы переменного тока серии 3000

В стабилизаторе напряжения R438 предусмотрена возможность проведения следующих регулировок (перед проведением регулировок необходимо внимательно ознакомиться с руководством по установке и техническому обслуживанию генератора переменного тока)

Я не буду воспроизводить всю статью, но и из этой выдержки видно, что для того, кто писал описание этого устройства нет разницы между генератором напряжения и генератором тока.

На самом деле это совершенно разные устройства.

Если мы говорим о генераторе тока, то это означает, что нормирован ток.

Если мы говорим о генераторе напряжения, то это означает, что нормировано напряжение.

Дополнительно о стабилизаторах тока и напряжения читайте в статье «Стабилизатор тока и стабилизатор напряжения» этого раздела.

Источники тока на полевых и биполярных транзисторах

Схемы генераторов тока, разновидности токовых зеркал, Онлайн калькулятор
расчёта элементов источников тока.

На сегодняшнем мероприятии, посвящённом открытию «Культурно-досугового центра Лоховского муниципального образования», поговорим о разновидностях источников постоянного и, желательно, стабильного выходного тока.
- Если напряжение можно понять умом, то ток только чувством! — начал свой доклад руководитель кружка по художественному рукоделию Семён Самсонович Елдыкин.
- Целью нашего сегодняшнего радиолюбительского заседания является освоение упорядоченного движения свободных электрически заряженных частиц — как суммы знаний, физических умений и врождённых навыков.
«Как заземлить незаземлённое заземление? Сколько нужно выпить водки в граммах для снижения сопротивление тела на 1 кОм? И как не вступить с электричеством в интимные отношения?» — станет темой нашего научного коллоквиума.

Спасибо Семёну Самсоновичу за вводные слова, а нам пора переместиться поближе к обозначенной в заголовке теме. Напустим энциклопедического глубокомыслия:

«Источник тока — элемент, двухполюсник, сила тока через который не зависит от напряжения на его зажимах (полюсах). Используются также термины генератор тока и идеальный источник тока…» — учит нас Википедия.

Дополним редакцию. Источник тока должен иметь большое внутреннее дифференциальное сопротивление, такое чтобы при изменении сопротивления нагрузки сила тока в нагрузке практически не изменялась. Такую возможность нам предоставляет биполярный транзистор со стороны коллектора, полевик со стороны стока, либо операционник между инвертирующим входом и выходом.

Есть несколько основных характеристик, которые характеризуют источник тока.
Первой и основной из них является величина выходного тока.
Во-вторых, его выходное сопротивление, которое определяет, насколько ток источника меняется в зависимости от сопротивления нагрузки.
Третья спецификация — это минимальное и максимальное напряжения на выходе источника, при котором узел работает должным образом, т.е. выходной транзистор находится в активном режиме.
В-четвёртых, температурная стабильность и способность противостоять колебаниям напряжения источника питания.

Для разминки рассмотрим схемы простейших генераторов (источников) тока на транзисторах и операционных усилителях.

Рис.1

Схема источника тока на биполярном транзисторе — самая плохая. В ней присутствует полный букет недостатков — и температурная нестабильность, и зависимость тока от колебаний напряжения источника питания и наличие пресловутого эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора).
Здесь входной делитель на резисторах R1, R2 задаёт ток базы транзистора Iб, выходной ток в первом приближении можно считать равным Iн = Iк≈β×Iб.

Схема на полевом транзисторе не столь чувствительна к нестабильности источника питания, однако имеет другой существенный недостаток — практическую невозможность заранее рассчитать выходной ток генератора из-за значительности разброса параметров данных типов полупроводников.
Максимальный ток данного типа источника равен начальному току стока при R1=0 (паспортная характеристика), минимальный ограничен падением напряжения на токозадающем резисторе R1.

Генераторы тока на операционных усилителях (инвертирующий слева, неинвертирующий справа) — вполне себе работоспособные устройства, которые являются близкими аналогами идеальных источников тока, и практически лишены недостатков, присущих транзисторным схемам.
Единственное, но существенное в отдельных случаях «но» состоит в том, что нагрузка является «плавающей», т.е. не подключённой никаким боком к земле.
Ток через нагрузку практически с 100% точностью описывается формулой I_н= U_вх/R1.

Размялись? Пришло время избавляться от недостатков простейших источников тока, обкашлянных нами выше.

Рис.2

Схемы стабилизаторов тока, представленные на Рис.2, будут полезны в устройствах, работающих с конечными потребителями, которые чувствительны не столько к стабильности напряжения, сколько к постоянству протекающего через них тока.
За примерами далеко ходить не надо — источники питания светодиодов, газоразрядных ламп, зарядные устройства для аккумуляторов и т.д. Все они требуют наличия на выходе постоянного, либо изменяющегося по определённому алгоритму тока.
Принцип работы приведённых схем предельно прост. При увеличении тока нагрузки пропорционально увеличивается и падение напряжения на токозадающем резисторе R1. При достижении уровня падения этого напряжения ≈0,6В, начинает открываться транзистор T1, снижая величину Uбэ (или Uзи) второго транзистора T2. Он начинает закрываться, соответственно, уменьшается и количество тока, протекающего через нагрузку.
Для схемы на биполярном транзисторе номинал резистора Rб следует выбирать из соображений Rб.
Для полевика, в силу его высокого входного сопротивления, величина резистора Rз1 может выбрана достаточно высокой (десятки килоом). Единственное, за чем надо зорко послеживать — максимально допустимое значение напряжения затвор-исток транзистора. Если оно меньше Еп, следует добавить дополнительный резистор Rз2 такого номинала, чтобы образованный делитель вогнал напряжение на затворе в допустимые пределы.
Выходной ток рассчитывается по простой формуле I_н≈0,6/ R1.
В этих схемах нет температурной компенсации, изменение выходного тока составляет величину ≈ 0,3% на один °С.

Рис.3	Про схему токового зеркала, изображённую на Рис.3, смело можно сказать, что это базовая схема источника тока. Резисторы в эмиттерных цепях транзисторов создают отрицательную обратную связь по току, что с одной стороны, приводит к улучшению термостабилизирующих свойств узла, а с другой, позволяет в широких пределах регулировать соотношения токов транзисторов Т1 и Т2. Здесь ток I_k1, задаваемый резистором R1: I_к1≈(E_п-0,7)/(R1+ R_э1), а ток, протекающий в нагрузке: I_н≈ R_э1×(E_п-0,7)/(R1× R_э2+ R_э1× R_э2).
Рис.4	Для снижения зависимости выходного тока от колебаний напряжения питания широкое применение нашли источники тока (Рис.4), называемые двойным зеркалом тока. Механизм работает следующим образом: Предположим, увеличилось напряжение питания. Тогда увеличивается и падение напряжения на резисторе R1. Это приводит к уменьшению потенциала базы транзистора VТ3, транзистор VТ3 призакроется, его ток Iэ3 уменьшится, соответственно уменьшится ток базы Iб2 и Iн тоже уменьшится и вернётся в исходное состояние. I_к1≈(E_п-1,4)/(R1+ R_э1), I_н≈ R_э1×(E_п-0,7)/(R1× R_э2+ R_э1× R_э2).
Рис.5	Источник тока, представленный на Рис. 5, называется схемой токового зеркала Уилсона и обеспечивает высокую степень постоянства выходного тока за счёт подавления проявлений эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на ток коллектора). Транзисторы T1 и T2 в этой схеме включены так же, как в обычном токовом зеркале, но благодаря транзистору T3 потенциал коллектора токозадающего Т2 фиксирован и не влияет на выходной ток. Все формулы аналогичны предыдущему описанию: I_к1≈(E_п-1,4)/(R1+ R_э1), I_н≈ R_э1×(E_п-0,7)/(R1× R_э2+ R_э1× R_э2).
Рис.6	Каскодный генератор тока, изображённый на Рис. 6, обладает достоинствами, связанными с очень высоким внутренним сопротивлением и значительным ослаблением эффекта Эрли. Динамическое внутреннее сопротивление такого отражателя тока превышает величину в несколько МОм. И опять — всё то же самое: I_к1≈(E_п-1,4)/(R1+ R_э1), I_н≈ R_э1×(E_п-0,7)/(R1× R_э2+ R_э1× R_э2). Легко заметить, что для всех типов приведённых токовых зеркал формула для расчёта выходного тока — одна и та же. Формула приблизительная, не учитывающая влияние на расчётные показатели незначительных величин базовых токов транзисторов, однако дающая возможность с погрешностью, не превышающей 5-7%, рассчитать величины токозадающих элементов.

При необходимости сгенерить ток обратного направления, следует перевернуть схему вверх ногами и заменить n-p-n транзисторы на полупроводники обратной проводимости.

И по традиции приведу таблицу, позволяющую не сильно утруждаться, при желании воплотить описанные узлы в реальную жизнь.

РАСЧЁТ ТОКОЗАДАЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИСТОЧНИКОВ ТОКА НА БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ.

Источники тока на полевых транзисторах, в связи со значительностью разброса параметров данного типа полупроводников, практическое применение получили в основном при производстве аналоговых интегральных микросхем. При этом при использовании МОП-структур полевых транзисторов, схемотехника токовых зеркал практически не отличается от приведённых выше источников тока на биполярных собратьях.

Рис.6

Проектировать источники тока на дискретных полевых транзисторах — занятие, на мой взгляд, довольно нецелесообразное.
Другое дело — специально разработанные полупроводники, называемые токостабилизирующими диодами (CRD), в основе которых лежит полевой транзистор с каналом n-типа.

Рис.7

Полевые диоды имеют только два вывода и оптимизированы с точки зрения вольт-амперных характеристик. При их изготовлении можно достичь нулевого температурного коэффициента, объединяя CRD с резистором, имеющим тот же самый, но противоположного знака температурный коэффициент.
Токостабилизирующие диоды не очень известны в широких массах радиолюбительского сообщества, но тем временем активно выпускаются буржуйскими промышленниками, имеют приличную номенклатуру токов и достаточно широкий диапазон рабочих напряжений.

А на следующей странице продолжим тему — посвятим её источникам тока на операционных усилителях, а также преобразователям напряжение-ток на ОУ и транзисторах.

10.4. Источники стабильного тока

Неизменное значение постоянного тока, независимое от параметров цепи (нагрузки), может обеспечить только идеальный генератор тока с бесконечно большим динамическим сопротивлением, ВАХ которого параллельна оси напряжения (рис. 10.14). ВАХ реального генератора тока приближается к ВАХ идеального генератора только в некотором интервале значений напряжения. При этом его динамическое сопротивление хотя и очень большое, но не бесконечно большое.

Заметим, что выходная характеристика биполярного транзистора в схеме с ОБ близка к ВАХ идеального генератора тока. Следовательно, транзистор, включенный по схеме с общей базой, практически может выполнять функцию генератора тока. Однако на практике используется не один, а два и более транзисторов, которые обеспечивают не только получение большого динамического сопротивления, но и слабую зависимость самого тока генератора от нестабильности напряжения источников питания и температурной нестабильности элементов схемы.

Расчет динамического сопротивления сводится к расчету выходного сопротивления транзисторного каскада по малосигнальным эквивалентным схемам, как это делалось при рассмотрении параметров усилительного каскада в § 10.1.2. Расчет же влияния эксплуатационных факторов на нестабильность тока должен проводиться по уравнениям токов биполярного транзистора в статическом режиме (по статической модели Эберса — Молла).

Наиболее существенной причиной нестабильности тока (смещения рабочей точки) источника стабильного тока (ИСТ) является температурная нестабильность параметров элементов цепи. Температурная нестабильность БТ заключается в основном в изменении обратного тока коллекторного перехода , изменении статического коэффициента передачи тока базыи изменении напряжения на эмиттерном переходе при заданном токе перехода. Для кремниевых транзисторов, используемых в ИС, изменениене имеет существенного значения, поэтому температурная нестабильность каскадов определяется в основном изменениямии. Температурная нестабильность каскадов на полевых транзисторах обусловлена изменением напряжения отсечки (порогового напряжения) и крутизны характеристики. Температурная нестабильность интегральных резисторов зависит от их типа и характеризуется температурным коэффициентом сопротивления (ТКС).

В гибридных схемах необходимая стабильность постоянного тока достигается методами классической электроники путем выбора цепей подачи напряжения на переходы и применением отрицательной обратной связи. В гибридных ИС имеются значительно большие возможности использования резисторов с большими сопротивлениями, чем в полупроводниковых ИС.

На рис. 10.15 приведено несколько простых вариантов схем источников стабильного тока, предназначенных для полупроводниковых ИС [30]. На основе этих схем разработаны сложные схемы ИСТ.

Самая простая схема ИСТ показана на рис. 10.15,а. Это схема транзисторного каскада, у которого базовый ток задается с помощью делителя и , а в эмиттерной цепи имеется резистор , ослабляющий влияние температуры на коллекторный ток (см. § 10.1.2). Сопротивления и выбираются так, чтобы ток значительно превышал базовый ток. В этом случае изменение режима работы транзистора, приводящее к изменению тока, не будет заметно влиять на величину напряженияЕ_о на резисторе , определяющего напряжение транзистора, да и сам расчет становится проще. При указанном выборе и <<и

(10.41)

С другой стороны, . Поэтому стабилизируемый ток с учетом (10.41)

(10.42)

Если бы можно было пренебречь величиной , то

(10.43)

При а = 1 , т.е. ток повторяет («отражает») значение , которое называют иногда опорным током. В общем случае. Такая связь токовиобъясняет существующее название схемы «токовое зеркало» или «отражатель тока».

Из выражения (10.42) следует, что при неизменных сопротивлениях ток ИСТ будет зависеть только от и, влияющего на . Если напряжение источникастабилизировано, то останется только влияние нестабильности. Температурная чувствительность напряжения кремниевого БТ (при изменении на 1°С) составляет

(10.44)

Поэтому при изменении температуры значение тока не будет оставаться постоянным. Нестабильность тока, связанная с нестабильностью и определяемая вторым слагаемым в (10.42),

(10.45)

Чем больше сопротивление резистора в эмиттерной цепи, тем меньше абсолютная нестабильность. При= 1 кОм= 2,5 мВ/°С и при = 1°С= 2,5 мкА.

Динамическое сопротивление в простейшей схеме, рассчитанное по малосигнальной эквивалентной схеме при дифференциальных параметрах = 30 Ом,= 3·10^—⁴, = –0,99,= 3·10 ^-7 См, сопротивлении = 1 кОм и дополнительном сопротивлении в цепи базы = 1 кОм оказывается близким к 1 МОм.

На рис. 10.15 показаны еще три модифицированные схемы ИСТ, имеющие лучшую температурную стабильность, чем схема на рис. 10.15,а [30]. Эти варианты отличаются тем, что в цепь тока включен компенсационный р-n-переход – интегральный биполярный транзистор в диодном включении, называемый опорным.

В схеме на рис. 10.15,б имеется опорный транзистор , но в отличие от схемы на рис. 10.15,а отсутствуют резисторы и. Если оба транзистора идентичны по размерам и параметрам, то прибудут равны токии(). Так каки, то

(10.46)

Температурная нестабильность тока по-прежнему будет определяться температурной нестабильностью напряжения(одинаковой для обоих транзисторов). Однако она зависит и от сопротивления. При увеличениипо сравнению св формуле (10.42) нестабильность уменьшится.

Дальнейшее повышение стабильности тока достигается в схеме на рис. 10.15,б переходом к транзисторам, отличающимся площадью эмиттерных переходов ():

(10.47)

На практике это отношение достигает пяти. Так как по-прежнему , то

(10.48)

Теперь вместо (10.46) получим

(10.49)

что приводит к снижению нестабильности, характеризуемой вторым слагаемым, в b раз по сравнению со схемой с идентичными транзисторами. Недостатком схемы является то, что фиксация токов определяется отношением площадей эмиттеров, а его невозможно сделать более пяти. Когда отношение опорного и основноготоков более пяти, рекомендуется использовать схему, изображенную на рис. 10.15,в. В ней снова используются идентичные по размерам транзисторы(b=1), но в отличие от простейшей схемы (рис. 10.15,а) отсутствует резистор . Уравнение Кирхгофа для нижнего контура схемы

(10.50)

Основной ток , так как. В качестве опорного диода (как и ранее) используется транзистор в диодном включении. Как и прежде, можно считать, т.е. Выражение (10.50) можно теперь записать в виде , откуда следует

(10.51)

В отличие от выражения (10.42) температурная нестабильность определяется температурной нестабильностью разности и. Эта разность может стать равной нулю, если через идентичные эмиттерные переходы проходят одинаковые токи (), что возможно только при=. Но это означает, что вместо выражения (10.51) можно написать очевидное соотношение

(10.52)

Однако следует заметить, что температурная нестабильность все-таки останется, так как опорный ток зависит от в соответствии с формулой

(10.53)

но эту нестабильность можно ослабить, если . Тогда

В ряде ИС требуются ИСТ с очень малым значением тока при большом значении опорного тока (). В этих случаях используют модифицированную схему, показанную на рис. 10.15,г. Для этой схемы

(10.54)

Используя ВАХ идеализированного перехода (3.40), можно написать

(10.55)

где– тепловой ток идентичных переходов. Из выражений (10.54) и (10.55) получим

(10.56)

По заданному току можно определить из (10.56) необходимое сопротивление эмиттерного резистора:

Следует заметить, что при малых токах (десятки микроампер) для одинаковых эмиттеров обоих транзисторов требуемое сопротивление достигает 1 МОм, что трудновыполнимо. Поэтому и в этой схеме используются транзисторы с неодинаковыми площадями эмиттеров (= 1 …5), что позволяет понизить сопротивление резистора.

Наконец, отметим, что существуют более сложные схемы, чем приведенные на рис. 10.15, с лучшими характеристиками.

РЕГУЛИРУЕМЫЙ ИСТОЧНИК НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

Для всех, кто ищет действительно качественную и серьёзную схему лабораторного БП, могу предложить недавно собранную мной схемку на полевых транзисторах и операционнике LM358 из журнала РАДИО №7, 2008г. Выдаёт максимально 30V, 5A — работает нормально. Далее описание от автора конструкции: лабораторный БП имеет интервал регулировки выходного напряжения 2.5-30 В при токе до 5 А. Он снабжен узлом защиты от перегрузки по току, который может работать в двух режимах: ограничителя тока и отключения выходного напряжения. Ток срабатывания можно установить в пределах 0.15…5 А. В состав БП входят также узлы управления вентилятором и защиты от перегрева.

Схема принципиальная ЛБП

Выпрямитель собран на диодном мосте VDI и сглаживающем конденсаторе С1, на микросхеме DA1 собран вспомогательный стабилизатор напряжения 12 В, от которого питаются некоторые узлы. В качестве регулирующего транзистора VT5 применен мощный полевой переключательный п-канальный транзистор, включенный в минусовую линию выходного напряжения, благодаря чему обеспечивается минимальная разность входного и выходного напряжения. Этот транзистор общий для узлов стабилизации напряжения и тока, его сток через переключатель SA3 может быть подключен к минусовой клемме розетки XS1. которая является выходом стабилизированного напряжения, или через диод VD5 к плюсовой клемме розетки XS2. которая является входом узла стабилизации тока (входом эквивалента нагрузки). Выключателем SA4 можно подключить стабилизатор напряжения (тока) к выходу (входу) ИП, при этом будет светить светодиод HL5.

Узел стабилизации выходного напряжения содержит микросхему параллельного стабилизатора САЗ, согласующий каскад на транзисторе VT3 и управляющий транзистор VT4. Переменный резистор R18 совместно с резистором R19 образует делитель напряжения, поступающего на управляющий вход стабилизатора DA3. В состав этой микросхемы входит источник эталонно! о напряжения 2,5 В, что и определяет минимальное выходное напряжение ИП. После включения питания выключателем SAI «Сеть» выпрямленное напряжение (32…35 В) с выпрямителя поступает на регулирующий транзистор VT5. Одновременно с выхода стабилизатора DAI напряжение питания поступит на ОУ DA2.2. и на его выходе установится напряжение около 11 В, которое через резистор R8 поступит на затвор транзистора VT5, открывая его, в результате выходное напряжение увеличивается. Станет увеличиваться и напряжение на управляющем входе стабилизатора DA3. и когда оно превысит 2.5 В, ток через стабилизатор DA3 возрастет, транзисторы VT3, VT4 откроются, а транзистор VT5 станет закрываться, уменьшая выходное напряжение. Его установку осуществляют переменным резистором R18, микроамперметр РА1 совместно с резисторами R15 и R16 используется как вольтметр.

Узел защиты от перегрузки по току состоит из резистивного датчика тока R4, ОУ DA2.2 и тиристорной оптопары U1. Переменным резистором R3. входящим в состав делителя R2R3. устанавливают ток срабатывания защиты, а режим ее работы устанавливают выключателем SA2 «Защита по току». В показанном на схеме положении этого выключателя происходит ограничение (стабилизация) выходного тока, при замкнутых контактах выходное напряжение отключается. Выходной ток протекает через резистор R4 и создает на нем падение напряжения; пока оно меньше напряжения на резисторе R3, на выходе ОУ DA2.2 будет напряжение, которое через резистор R8 поступает на коллектор транзистора VT4 и затвор транзистора VT5. поэтому стабилизатор выходною напряжения работает в нормальном режиме.

При увеличении выходного тока увеличится напряжение на резисторе R4, и когда оно превысит напряжение на резисторе R3. на выходе ОУ DA2.2 оно уменьшится, транзистор VT5 закроется и ИП перейдет в режим ограничения выходного тока, при этом выходное напряжение станет меньше установленного и не регулируется. Светодиод HL3 будет включен, сигнализируя, что происходит ограничение тока в нагрузке. При уменьшении выходного тока ИП автоматически перейдет в режим стабилизации напряжения.

При замкнутых контактах выключателя SA2 при превышении выходным током заранее установленного значения начнет протекать ток через излучающий диод оптопары U1 и фототринистор откроется. Напряжение на затворе транзистора VT5 станет меньше напряжения открывания, и выходное напряжение источника питания уменьшится практически до нуля. Светодиод HL4 загорится, сигнализируя о том. что произошло отключение выходного напряжения по причине превышения тока в нагрузке. Вывести устройство из этого состояния можно отключением его от сети и последующим включением, а также разомкнув контакты выключателя SA2.

В положении переключателя SA3 «Экв. нагр.» устройство может работать как эквивалент нагрузки (I). При этом отключается узел стабилизации напряжения и ОУ DA2.2 совместно с транзистором VT5 образуют стабилизатор тока. К гнезду XS2 подключают проверяемый блок питания или аккумулятор, а ток устанавливают резистором R3. Диод VD5 служит для защиты от неправильного подключения внешних источников напряжения.

Поскольку у ИП большой интервал регулирования выходною напряжения при токе до 5 А, при определенных условиях, например, при малом выходном напряжении и большом токе, на регулирующем транзисторе VT5 рассеивается значительная мощность (100 Вт и более). Это требует как его защиты от перeгрева, так и эффективного охлаждения теплоотвода за счет принудительного обдува вентилятором. Узел защиты от nepef рева собран на терморезисторе RK1 и ОУ DA2.1. который работает как компаратор. Датчик температуры на терморезисторе RKI с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления установлен на теплоотводе в непосредственной близости от транзистора VT5.

Когда температура теплоотвода меньше аварийной, напряжение на входе (вывод 3) ОУ DA2.1 больше, чем на инвертирующем (вывод 2). и на ею выходе (вывод1) напряжение — около 11 В. Диод VD4 закрыт, светодиод HL2 не включен, и узел защиты от перегрева не влияет на работу стабилизатора напряжения. По мере разогрева теплоотвода, приблизительно до 80С сопротивление терморезистора RK1 уменьшается и напряжение на неинвертирующем входе ОУ DA2.1 станет меньше, чем на инвертирующем — на его выходе будет напряжение, близкое к нулю. Транзистор VT5 закроется, а напряжение на выходе источника питания станет также близко к нулю. Светодиод HL2 включится, указывая на перегрев транзистора VT5. Поскольку нагрев (охлаждение) теплоотвода процесс инерционный, включение ИП произойдет через некоторое время после остывания теплоотвода, этим обеспечивается гистерезис в работе узла защиты от nepeгрева.

Для эффективного охлаждения теплоотвода в устройстве применен вентилятор. В узел управления вентилятором входит регулируемый источник напряжения с ограничением его максимального значения (13… 14 В), собранный на составном транзисторе VT1. стабилитроне VD2 и резисторе R5, а также управляющий полевой транзистор VT2. Ограничение напряжения необходимо, поскольку номинальное напряжение питания вентилятора — 12 В. Входное сопротивление транзистора VT2, подключенного к терморезистору RK1 велико и поэтому не влияет на работу узла защиты. Когда теплоотвод холодный, сопротивление терморезистора RK1 велико и напряжения на нем достаточно для открывания транзистора VT2. В результате транзистор V11 закрыт и напряжение питания на вентилятор не поступает. При нагреве теплоотвода до 40С сопротивление терморезистора RK1 уменьшается, транзистор VT2 закрывается, a VT1 открывается и напряжение поступает на вентилятор — он начинает вращаться. Чем выше температура теплоотвода, тем быстрее вращается вентилятор. При остывании теплоотвода происходит обратный процесс.

Настройка блока питания

Налаживание ИП начинают с калибровки вольтметра подстроечным резистором R16 по образцовому цифровому вольтметру. Если применен терморезистор с другим номиналом (не менее 4,7 кОм). подбором резистора R7 устанавливают температуру включения вентилятора, а подбором резистора R9 — температуру включения защиты от перегрева. В положениях «Ист. пит.» переключателя SA3 и «Ограничение» выключателя SA2 подключают к выходу ИП последовательно соединенные образцовый амперметр и резистор сопротивлением 2 Ом мощностью рассеивания 50 Вт и градуируют шкалу переменного резистора R3.

С помощью ИП можно заряжать различные типы аккумуляторных батарей. Для этого батарею с соблюдением полярности подключают к выходу ИП, переключатель SA2 при этом должен быть в положении «Ограничение», a SA4 — в положении «Выкл». Устанавливают выходное напряжение блока питания соответствующее напряжению полностью заряженной батареи, а резистором R3 устанавливают ток зарядки. Выключателем SA4 включают процесс зарядки, при этом включится индикатор «Ограничение», а напряжение на выходе, то есть на батарее, уменьшится в зависимости от ее состояния. В процессе зарядки напряжение на ней возрастает, что контролируют вольтметром ИП, и когда оно достигнет заранее установленного значения, индикатор «Ограничение» выключится и ИП перейдет в режим стабилизации напряжения. В таком состоянии ток зарядки плавно уменьшается и перезарядка батареи исключена.

Для проверки блоков питания и разрядки аккумуляторных батарей их подключают к гнезду XS2 в положении переключателя SA3 «Экв. нагр.». резистором R3 устанавливают ток разрядки, а напряжение контролируют внешним вольтметром. Не следует допускать глубокой разрядки батареи. Возможно, что при зарядке или разрядке батареи станет срабатывать защита от перегрева, тогда эти процессы будут временно прерываться, но после охлаждения теплоотвода возобновятся.

Выше смотрите фото готового устройства и если есть желание посмотреть более подробно — скачайте этот архив. Автор схемы А. КУЗНЕЦОВ, г. Кадников Вологодской обл., сборка — sterc.

Форум по БП

Обсудить статью РЕГУЛИРУЕМЫЙ ИСТОЧНИК НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА

Источники тока на операционных усилителях, схемы и расчёты

Схемы генераторов тока, управляемых напряжением, на ОУ и выходными
каскадами на биполярных и полевых транзисторах.

Продолжаем наш тематический вечер, посвящённый схемотехническим исследованиям генераторов стабильного тока, источников тока и иже с ними — стабилизаторов тока.
В повестке дня сегодняшнего радиолюбительского заседания обозначены следующие мероприятия: викторина «Угадай радиодетальку», а также обсуждение схемы источника (генератора) тока, выполненного на интегральном операционном усилителе (ОУ в простонародье).

Базовые схемы генераторов тока на операционных усилителях мы бегло рассмотрели на предыдущей странице вместе с транзисторными источниками. Повторим пройденный материал.

Рис.1

Генераторы тока, изображённые на Рис.1, (инвертирующий слева, неинвертирующий справа) — вполне себе работоспособные устройства, которые являются близкими аналогами идеальных источников тока, и практически лишены недостатков, присущих транзисторным схемам.
Ток через нагрузку с достаточно высокой точностью описывается формулой I_н≈ U_вх/R1.
При включении в качестве Rн конденсатора, приведённые схемы широким фронтом эксплуатируются в формирователях треугольного и пилообразного напряжений.
В отдельных случаях существенным недостатком источников тока, изображённых на Рис.1, является «плавающая», т.е. не подключённая никаким боком к земле или питанию нагрузка. К тому же, по большей части, операционный усилитель не может обеспечить значительных величин токов, поступающих в нагрузку.

Рассмотрим схемы источников тока на ОУ, не имеющих этих недостатков.
Как правило, для получения устойчивого положительного результата, к операционному усилителю присовокупляется дополнительный выходной каскад на биполярном или полевом транзисторе.

Рис.2

На Рис.2 приведены схемы генераторов тока на ОУ с выходными каскадами на биполярном, либо полевом транзисторе и нагрузкой, подключаемой к шине питания.
Пренебрегая входным током ОУ и конечным коэффициентом усиления транзистора, выходной ток составит всё ту же величину I_н≈ U_вх/R1.
На самом деле, коэффициент усиления биполярного транзистора имеет конечное значение, а полная формула тока нагрузки выглядит следующим образом I_н= U_вх×β/[R1(1+β)].
Это обуславливает некоторую нестабильность выходного тока при изменении сопротивления нагрузки за счёт проявления эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на величину коэффициента передачи тока транзистора).
Проявления этой нестабильности можно уменьшить, если в качестве биполярного транзистора использовать составной транзистор, либо применяя полевой транзистор.
Особенность схем источников тока, показанных на Рис.2, состоит в том, что нагрузка подключается к шине питания.

Рис.3

На Рис.3 приведены источники тока с заземлённой нагрузкой.
Выходной ток здесь описывается уже несколько другой формулой: I_н≈ (Еп-U_вх)/R1.
Подобная зависимость выходного тока от управляющего напряжения не всегда удобна в практических разработках, поэтому для устранения этого недостатка к схеме можно присовокупить дополнительный преобразователь уровня.

Рис.4

Здесь первый операционник с транзистором n-p-n структуры служит для преобразования уровня входного управляющего напряжения Uвх в значение Eп-Uвх.
Rпр1 и Rпр2, как правило, выбираются одного номинала, величина которого рассчитывается, исходя из входного сопротивления второго ОУ, а также из соображений приемлемого быстродействия при работе источника тока в динамическом режиме (т.е. при подаче на вход импульсного сигнала управления).
Ну и ясен шпунтубель, что всё наше усердие было направлено на получение удобной зависимости I_н≈ U_вх/R1, а для повышения выходного сопротивления источника тока вместо простого биполярного выходного транзистора следует включить составной или полевой транзистор.