Schetchiksg.ru

Счетчик СГ
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Стабилизатор тока полевой операционный

Стабилизатор тока полевой операционный

Кравцова Виталия Николаевича.

Представленные конструкции уникальны

и разработаны только автором

Широтно — импульсные регуляторы постоянного тока

На странице представлена схема ШИМ регулятора на операционном усилителе. Достоинство схемы — можно использовать практически любые доступные операционные усилители, подходящие по уровню питающего напряжения.

Уровень выходного эффективного напряжения регулируется путём изменения уровня напряжения на неинвертирующем входе ОУ, что позволяет использовать схему как составную часть различных регуляторов напряжения и тока, а также схем с плавным зажиганием и гашением ламп накаливания. Схема легка в повторении, не содержит редких элементов и при исправных элементах начинает работать сразу, без настройки. Силовой полевой транзистор подбирается по току нагрузки, но для уменьшения тепловой рассеиваемой мощности желательно использовать транзисторы, рассчитанные на большой ток, т.к. у них наименьшее сопротивление в открытом состоянии. Площадь радиатора для полевого транзистора полностью определяется выбором его типа и током нагрузки . Если схема будет использоваться для регулирования напряжения в бортовых сетях + 24В, для предотвращения пробоя затвора полевого транзистора, между коллектором транзистора VT1 и затвором VT2 следует включить резистор сопротивлением 1 К, а резистор R6 зашунтировать любым подходящим стабилитроном на 15 В, остальные элементы схемы не изменяются. Во всех ранее рассмотренных схемах в качестве силового полевого транзистора используются n — канальные транзисторы, как наиболее распространённые и имеющие наилучшие характеристики.

Если требуется регулировать напряжение на нагрузке, один из выводов которой подключен к «массе» , то используются схемы, в которых n — канальный полевой транзистор подключается стоком к + источника питания, а в цепи истока включается нагрузка. Для обеспечения возможности полного открытия полевого транзистора схема управления должна содержать узел повышения напряжения в цепях управления затвором до 27 — 30 В, как это сделано в специализированных микросхемах U 6 080B . U6084B , L9610, L9611 , тогда между затвором и истоком будет напряжение не менее 15 В. Если ток нагрузки не превышает 10А, можно использовать силовые полевые p — канальные транзисторы, ассортимент которых гораздо уже из — за технологических причин. В схеме изменяется и тип транзистора VT1 , а регулировочная характеристика R7 меняется на обратную. Если у первой схемы увеличение напряжения управления (движок переменного резистора перемещается к » +» источника питания) вызывает уменьшение выходного напряжения на нагрузке, то у второй схемы эта зависимость обратная. Если от конкретной схемы требуется инверсная от исходной зависимость выходного напряжения от входного, то в схемах необходимо поменять структуру транзисторов VT1 , т.е транзистор VT1 в первой схеме необходимо подключить как VT1 у второй схемы и наоборот. Смотри остальные схемы.

Вам нужно разработать сложное электронное устройство?

Применение операционных усилителей. Часть 1. Регулирование тока нагрузки на примере светодиодного драйвера

Как известно, — для питания светодиодов требуется стабильный ток. Устройство, способное питать светодиоды стабильным током, называется драйвером светодиодов. Эта статья посвящена изготовлению такого драйвера с использованием операционного усилителя.

Итак, главная идея заключается в том, чтобы стабилизировать падение напряжения на резисторе известного номинала (в нашем случае — R3), включенном в цепь последовательно с нагрузкой (светодиодом). Поскольку резистор включен последовательно со светодиодом, то через них протекает одинаковый ток. Если этот резистор подобран таким образом, что он практически не нагревается, то и сопротивление его будет неизменным. Таким образом, стабилизировав падение напряжения на нём, мы стабилизируем и ток через него и, соответственно ток через светодиод.

Читайте так же:
Схемы простых стабилизаторов тока

Причём же здесь операционный усилитель? Да при том, что одним из его замечательных свойств является то, что ОУ стремится к такому состоянию, когда разность напряжений на его входах равна нулю. И делает он это путём изменения своего выходного напряжения. Если разность U1-U2 положительна — выходное напряжение будет возрастать, а если отрицательна — уменьшаться.

Представим, что наша схема находится в некоем равновесном состоянии, когда напряжение на выходе ОУ равно Uвых. При этом через нагрузку и резистор протекает ток Iн. Если по каким либо причинам ток в цепи возрастёт (например, если под действием нагрева уменьшится сопротивление светодиода), то это вызовет увеличение падения напряжения на резисторе R3 и, соответственно, увеличение напряжения на инвертирующем входе ОУ. Между входами ОУ появится отрицательная разность напряжений (ошибка), стремясь скомпенсировать которую, операционник будет уменьшать выходное напряжение. Он будет делать это до тех пор, пока напряжения на его входах не станут равными, т.е. пока падение напряжения на резисторе R3 не станет равным напряжению на неинвертирующем входе ОУ.

Таким образом, вся задача свелась к тому, чтобы стабилизировать напряжение на неинверирующем входе ОУ. Если вся схема питается стабильным напряжением Uп, то для этого достаточно простого делителя (как на схеме 1). Раз делитель подключен к стабильному напряжению, то и выход делителя тоже будет стабильным.

Расчёты: Для расчётов выберем реальный пример: пусть мы хотим запитать два сверхъярких светодиода подсветки сотового телефона Nokia от напряжения Uп=12В (отличный фонарик в машину). Нам нужно получить ток через каждый светодиод 20 мА и при этом у нас имеется выковырянный с материнской платы сдвоенный операционный усилитель LM833. При таком токе наши светодиоды светят гораздо ярче, чем в телефоне, но сгорать и не собираются, значительный нагрев начинается где-то ближе к 30 мА. Расчёт будем вести для одного канала операционника, т.к. для второго он абсолютно аналогичен.

напряжение на инвертирующем входе: U2=Iн*R3

из условия равенства напряжений в состоянии равновесия:

Как выбирать номиналы элементов?

Во-первых, выражение для U1 справедливо только в том случае, если входной ток операционного усилителя = 0. То есть для идеального операционного усилителя. Чтобы можно было не учитывать входной ток реального ОУ, ток через делитель должен быть по крайней мере раз в 100 больше, чем входной ток ОУ. Величину входного тока можно посмотреть в даташите, обычно для современных ОУ она может составлять от десятков пикоампер до сотен наноампер (для нашего случая input bias current max=1 мкА). То есть ток через делитель должен быть по меньшей мере 100..200 мкА.

Читайте так же:
Простой стабилизатор тока транзисторе

Во-вторых, с одной стороны — чем больше R3 — тем более наша схема чувствительна к изменению тока, но с другой стороны — увеличение R3 снижает КПД схемы, поскольку резистор рассеивает мощность, пропорциональную сопротивлению. Будем исходить из того, что мы не хотим падения напряжения на резисторе более 1В.

(Вообще же, если хотят побороться за КПД, то R3 выбирают как можно меньше. Предел уменьшения R3 ограничен таким показателем операционника, как напряжение смещения нуля. Для нормальной работы ОУ, R3 выбирают таким, чтобы минимальное падение напряжения на нём было на пару порядков больше напряжения смещения нуля. Подробнее об этом показателе и его влиянии на работу ОУ читайте в статье про дифференциальный усилитель.)

Итак, пусть R1=47кОм, тогда с учётом того, что U1=U2=1В, из выражения для U1 получим R2=R1/(Uп/U1-1)=4,272 -> из стандартного ряда выбираем резистор на 4,3 кОм. Из выражения для U2 находим R3=U2/Iн=50 -> выбираем резистор на 47 Ом. Проверим ток через делитель: Iд=Uп/(R1+R2)=234 мкА, что вполне нас устраивает. Мощность, рассеиваемая на R3: P=Iн 2 *R3=18,8 мВт, что тоже вполне приемлемо. Для сравнения, — самые обычные резисторы МЛТ-0,125 рассчитаны на 125 мВт.

Как уже было отмечено, описанная выше схема рассчитана на стабильное питание Uп. Что же делать, если питание НЕ стабильное. Самым простым решением является замена сопротивления R2 делителя на стабилитрон. Что важно учитывать в этом случае?

Во-первых, важно чтобы стабилитрон мог работать во всем диапазоне напряжения питания. Если ток через R1D1 будет слишком маленьким — напряжение на стабилитроне будет значительно выше напряжения стабилизации, соответственно, выходное напряжение будет значительно выше требуемого и светодиод может сгореть. Итак, нужно, чтобы при Uп min ток через R1D1 был больше или равен Iст min (минимальный ток стабилизации узнаём из даташита на стабилитрон).

Во-вторых, при максимальном напряжении питания ток через стабилитрон не должен быть выше Iст max (наш стабилитрон не должен сгореть). То есть

И, наконец, в-третьих, напряжение на реальном стабилитроне не точно равно Uст, — оно, в зависимости от тока, меняется от Uст min до Uст max. Соответственно, падение на резисторе R3 тоже изменяется от Uст min до Uст max. Это так же следует учитывать, поскольку чем больше ΔUст — тем больше ошибка регулирования тока, в зависимости от напряжения питания.

Ну ладно, с небольшими токами разобрались, а что делать, если нам нужен ток через светодиод не 20, а 500 мА, что превышает возможности операционника? Тут тоже всё достаточно просто — выход можно умощнить с помощью обычного биполярного или полевого транзистора, все расчёты при этом остаются без изменений. Единственное очевидное условие — транзистор должен выдерживать требуемый ток и максимальное напряжение питания.

Ну вот, пожалуй и всё. Удачи! И ни в коем случае не выкидывайте старый радиохлам — у нас впереди ещё много прикольных штуковин.

Читайте так же:
Подключение таймера оттайки холодильника индезит по цвету проводов

4.07. Источники тока

На рис. 4.9 изображена схема, которая является хорошим приближением к идеальному источнику тока, без сдвига напряжения Uбэ, характерного для транзисторного источника тока. Благодаря отрицательной ОС на инвертирующем входе поддерживается напряжение Uвх под действием которого через нагрузку протекает ток I = UвхR. Основной недостаток этой схемы состоит в том, что нагрузка является «плавающей» (она не заземлена). С помощью такого источника тока нельзя, например, получить пригодный к использованию пилообразный сигнал, напряжение которого отсчитывалось бы относительно потенциала земли. Этот недостаток можно преодолеть, если, например, всю схему (источники питания и все остальное) сделать «плавающей», а нагрузку заземлить (рис. 4.10). Штриховой линией обведен рассмотренный выше источник тока с источниками питания. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения для установки тока. Чтобы этой схемы не смущал вас, напомним, что «земля» — это понятие относительное. Любую точку в схеме можно назвать «землей». Представленную схему используют для формирования токов, протекающих через заземленную нагрузку, но ее существенный недостаток в том, что управляющий вход является плавающим, это значит, что выходной ток нельзя задать (запрограммировать) с помощью входного напряжения, отсчитываемого от потенциала земли. Методы устранения этого недостатка изложены в той части гл. 6, где рассматриваются источники питания постоянного тока.

Рис. 4.10. Источник тока с заземленной нагрузкой и плавающим источником питания.

Источники тока для заземленных нагрузок. С помощью операционного усилителя и подключенного к нему транзистора можно построить простой и высококачественный источник тока для заземленной нагрузки; небольшое дополнение к схеме операционного усилителя позволяет использовать на управляющем входе напряжение, измеряемое относительно земли (рис. 4.11). В первой схеме обратная связь создает на резисторе R падение напряжения, равное Uкк — Uвх, которое в свою очередь порождает эмиттерный ток (а следовательно, и выходной ток), равный Iэ = (Uкк — Uвх)/R. При работе с этой схемой не приходится беспокоиться о напряжении Uбэ и его изменениях, связанных с изменениями температуры, Iк, Uкэ и т.п. Несовершенство этого источника тока (не будем принимать во внимание ошибки ОУ: Iсм, Uсвд) проявляется лишь в том. что небольшой базовый ток может немного изменяться в зависимости от напряжения икэ (предполагаем, что операционный усилитель не потребляет входной ток); этот недостаток — небольшая плата за возможность использования заземленной нагрузки; если в качестве транзистора Т1 использовать составной транзистор Дарлингтона, то погрешность будет существенно уменьшена. Погрешность возникает в связи с тем, что операционный усилитель стабилизирует эмиттерный ток, а в нагрузку поступает коллекторный ток. Если в этой схеме вместо биполярного использовать полевой транзистор, то проблема будет полностью решена, так как затвор полевого транзистора тока не потребляет.

Рис. 4.11. Источники тока с заземлёнными нагрузками, не требующие плавающего источника питания.

В рассматриваемой схеме выходной ток пропорционален величине, на которую напряжение, приложенное к неинвертирующему входу операционного усилителя, ниже, чем напряжение питания Uкк; иными словами, напряжение, с помощью которого программируется работа схемы, измеряется относительно напряжения питания Uкк, и все будет в порядке, если напряжение Uвх является фиксированным и формируется с помощью делителя напряжения; если же напряжение на вход должно подаваться от внешнего источника, то возможны неприятности. Этого недостатка лишена вторая схема, в которой аналогичный первый источник тока с транзистором n-p-n — типа служит для преобразования входного управляющего напряжения (измеряемого относительно земли) во входное напряжение, измеряемое относительно Uкк, для оконечного источника тока. Операционные усилители и транзисторы недороги, поэтому запомните такой совет: не раздумывая, включайте в схему дополнительные компоненты, если они позволяют улучшить ее работу и упрощают разработку.

Читайте так же:
Основные параметры стабилизаторов напряжения тока

Упражнение 4.1. Для послелней схемы определите выходной ток для заданного входного напряжения Uвх.

На рис. 4.12 представлен интересный вариант схемы источника тока на основе ОУ и транзисторов. Преимущество этой схемы состоит в том, что базовый ток, приводящий к ошибке в случае использования полевых транзисторов, здесь равен нулю, выходной ток не ограничивается значением Iси(вкл). В этой схеме (фактически — это не источник, а потребитель тока) транзистор Т2 начинает проводить когда через транзистор Т1 протекает ток стока величиной приблизительно 0,6 мА. При минимальном значении Iси для Т1 равном 4 мА, и подходящем значением β для Т2 величина тока, протекающего через нагрузку, может достигать 100 мА и более (для получения больших токов транзистор Т2 можно заменить транзистором Дарлингтона, при этом нужно соответственно уменьшить R1. В данном схеме были использованы полевые транзисторы с p-n — переходом, но еще лучше было бы использовать полевые МОП — транзисторы, так как для ОУ на полевых транзисторах с p-n — переходом требуется расщепленный источник питания, обеспечивающий диапазон напряжения на затворе, достаточный для перехода транзистора в режим отсечки. Ничего не стоит с помощью простого мощного полевого МОП — транзистора (МОП — структура с V-образной канавкой) получить ток по-больше, однако мощным полевым транзисторам присущи большие межэлектродные емкости, а представленная здесь гибридная схема как раз и позволяет при одолеть связанные с этим проблемы.

Рис. 4.12. Источник тока на полевых/биполярных транзисторах, предназначенный для больших токов.

Источник тока Хауленда. На рис. 4.13 показан красивый учебный источник тока. Если резисторы подобраны таким образом, что выполняется соотношение R3/R2 = R4/R1 — то можно показать, что справедливо равенство: Iн = — Uвх/R2.

Рис. 4.13. Источник тока Хауленда.

Упражнение 4.2. Покажите, что приведенное выше равенство справедливо.

Эта схема всем хороша, кроме одного резисторы должны быть точно согласованы, иначе источник тока будет далек от совершенства. Но даже при выполнении этого условия определенные ограничения накладывает коэффициент КОСС операционного усилителя. При больших выходных токах резисторы должны быть не большими, тем самым ограничивается выходной диапазон. Кроме того, на высоких частотах (где, как мы скоро узнаем, усиление в цепи обратной связи невелико) выходной импеданс может существенно уменьшаться — от требуемого бесконечного значения до всего лишь нескольких сотен ом (что соответствует выходному импедансу ОУ с разомкнутой обратной связью). Хоть эта схема и хороша с виду на практике ее используют редко.

Читайте так же:
Печатная плата стабилизатора тока

Экономичный стабилизатор с полевым транзистором

Рекомендуемый стабилизатор напряжения предназначен для питания высококачественной аппаратуры. Применение в нем полевого транзистора в качестве регулирующего (VT1) позволило питать источник образцового напряжения (резистор R1, стабилитрон VD1) и усилитель постоянного тока (операционный усилитель DA1) выходным стабилизированным напряжением, а также ослабить до минимума связь между входом и стабилизатором (через канал сток -исток транзистора), что уменьшило проникновение пульсаций входного напряжения в нагрузку.

Основные технические характеристики:
Коэффициент стабилизации напряжения . 70 000
Входное напряжение, V . 10..20
Выходное напряжение, V . 9
Максимальный ток нагрузки, mA . 150
Выходное сопротивление, Ом . 0,003

Коэффициент стабилизации напряжения измерен при токе нагрузки 30mA цифровым вольтметром В7-34. При изменении входного напряжения от 10 до 20 V выходное изменялось не более, чем на на 0,0001 V, что соответствует коэффициенту стабилизации 70 000.

Стабилизатор не боится короткого замыкания на выходе,и перегрузок по току. С увеличением тока нагрузки напряжение затвор-исток полевого транзистора уменьшается. При этом напряжение на выходе ОУ увеличивается до максимального значения, которое всегда меньше питающего напряжения. При дальнейшем увеличении тока нагрузки напряжение затвор-исток транзистора становится постоянным и равным разности выходного напряжения стабилизатора и напряжения насыщения на выходе ОУ-стабилизатор переходит в режим стабилизации выходного тока. При коротком замыкании на выходе ток через стабилизатор не может превысить своего максимального значения, равного току стока транзистора при нулевом напряжении между затвором и истоком.

Мощность, рассеиваемая регулирующим транзистором при длительном коротком замыкании на выходе стабилизатора не должна превышать допустимую (для транзистора КП903Б-6Вт при температуре воздуха не выше 25 о С). Если, например максимальный ток стока транзистора равен 400 mA, то мощности 6Вт соответствует напряжение 15В. Это наибольшее входное напряжение стабилизатора при длительном замыкании на выходе. При токе нагрузки более 30mA регулирующий транзистор необходимо устанавливать на теплоотвод.

Конденсаторы C1 и C2 корректируют частотную характеристику ОУ, а C3 и С4- блокируют цепи питания ОУ и нагрузки. Конденсатор C3 надо монтировать возможно ближе к ОУ. Ослабление влияния колебаний температуры окружающей среды на выходное напряжение достигается использованием в стабилизаторе проволочных резисторов и термостабилизированных стабилитрона и ОУ. В результате, за первую минуту после включения питания выходное напряжение стабилизатора изменяется в пределах до 800 мкВ, за следующие 20 мин не более, чем на 100 мкВ.

Стабилитрон КС166А можно заменить на КС162А, КС168А, а ОУ К551УД1Б-на К153УД5, К140УД12, К140УД6, К149УД7, К140УД10, К140УД11, К153УД2, К153УД4, К153УД6 или К140УД1А с соответствующими цепями коррекции. Но при такой замене стабильность выходного напряжения несколько ухудшится, потому что коэффициент стабилизации напряжения прямо пропорционален коэффициенту усиления ОУ.

Налаживание стабилизатора сводится к установке необходимого выходного напряжения путем изменения соотношения номиналов R2 и R3.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию