Меню

Дипломные работа источник тока



Химические источники тока — гальванические элементы

Если отсутствует электрическая сеть, то для питания электроприборов применяют гальванические элементы и аккумуляторы, называемые иначе химическими источниками тока. Рассмотрим принцип их работы на примере первого простейшего элемента – элемента Вольта (рис. 1). Он состоит из медной (Сu) и цинковой (Zn) пластинок, опущенных в раствор серной кислоты (H2SO4). Вследствие химической реакции, происходящей между цинком и серной кислотой, на цинке образуется излишек электронов. Цинк заряжается отрицательно и является отрицательным полюсом. Раствор и медная пластинка, в него погруженная, заряжаются положительно. В результате возбуждается ЭДС, равная примерно одному вольту, которая сохраняется все время, пока цепь не замкнута.
Если замкнуть цепь, пойдет ток и внутри элемента усиленно начнет выделяться водород, покрывающий поверхность пластинок слоем пузырьков. Этот слой уменьшает напряжение на полюсах элемента. Такое явление носит название поляризации. Чем больше ток, тем сильнее поляризация и тем быстрее уменьшается напряжение элемента.

Рис.1. Простейший гальванический элемент Вольта.
Для устранения поляризации в элемент вводят вещества, способные поглощать водород и называемые деполяризаторами. Чтобы напряжение на полюсах оставалось постоянным, деполяризатор должен быстро поглощать водород, образующийся при работе элемента. Поглощая водород, деполяризатор постепенно приходит в негодность. Но обычно раньше этого портится электролит и под действием электролита разъедается цинк. Вообще электрическая энергия получается в элементе за счёт расхода цинка, электролита и деполяризатора; поэтому каждый элемент обладает определенным запасом энергии и может работать лишь ограниченное время.
Работа гальванических элементов объясняется с помощью теории электролитической диссоциации, согласно которой молекулы вещества, растворенного в воде распадаются (диссоциируют) на, ионы. Такое явление характерно для всех электролитов, представляющих собой растворы кислот, щелочей и солей. В элементе Вольта молекула серной кислоты (H2SO4) в водном растворе распадаются на отрицательный ион кислотного остатка (SO4) и положительный ион водорода (H2), что показано на рис. 2.
Химическая реакция между цинком и серной кислотой состоит в том, что положительные ионы цинка переходят в раствор, притягиваясь к отрицательным ионам электролита. При этом цинковый электрод сам заряжается отрицательно. Между ним и электролитом возникает разность потенциалов, а следовательно, и электрическое поле, которое препятствует дальнейшему переходу положительных ионов цинка в раствор. Поэтому создается некоторое равновесие с определенной разностью потенциалов между цинком и раствором. Для других металлов и растворов значение разности потенциалов будет иное.
Чтобы использовать возникшую разность потенциалов, в электролит помещают второй электрод, выполненный из другого металла. Если второй электрод – цинковый, то между ним и растворов получится такая же разность потенциалов, как у первого электрода но она будет действовать навстречу, и результирующая разность потенциалов между электродами будет равна нулю. У элементов отрицательный электрод, как правило, цинковый, а положительный электрод обычно медный или угольный.
Если соединить электроды элемента проводником, т. е. создать замкнутую цепь, то под действием разности потенциалов по внешней цепи от цинка будут двигаться электроны. Так как они уходят с цинкового электрода, то его отрицательный потенциал начинает уменьшаться и электрическое поле между ним и раствором ослабевает. Но тогда новые положительные ионы цинка переходят в раствор. Тем самым поддерживается определенный отрицательный потенциал цинкового электрода.

Рис.2. Ионы в электролите элемента Вольта.
При работе элемента непрерывно происходит растворение цинка в электролите, который постепенно превращается в раствор сернокислого цинка (ZnSO4). Положительные ионы цинка, переходящие все время в электролит, притягивают к себе отрицательные ионы кислотного остатка. Эти ионы в электролите данжутся в направлении от медной пластинки к цинковой. Зато положительные ионы водорода отталкиваются положительными ионами цинка и движутся в обратном направлении, то есть от цинка к меди. Таким об разом, если во внешней цепи ток представляет собой движение электронов (как и всегда в металлических проводниках), то в электролите ток является перемещением положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях. Ионы водорода подходят к медной пластинке и отнимают от нее электроны, превращаясь в нейтральные атомы. Вследствие этого на медной пластинке поддерживается определенный положительный потенциал, несмотря на то, что к ней из внешней цепи прибывают электроны. Однако медная пластинка постепенно покрывается слоем водорода. Между этим слоем и электролитом возникает разность потенциалов, действующая навстречу основной разности потенциалов, имеющейся между электродами. Возникновение такой противоэлетродвижущей силы и называется поляризацией элемента. Вследствие поляризации результирующая разность потенциалов уменьшается и действие элемента ухудшается.
Гальванические элементы характеризуются разными параметрами и прежде всего электродвижущей силой, внутренним сопротивлением, максимальным допустимым разрядным током и емкостью.
Электродвижущая сила обусловливается типом элемента, то есть материалом его электродов, веществом электролита и деполяризатора. Она совершенно не зависит от размеров элемента (размеров его электродов), количества электролита и количества деполяризатора.
Внутреннее сопротивление элемента зависит не только от его типа, но и от его размеров, а также от того, как долго работал элемент. Чем больше размеры элемента, тем меньше его внутреннее сопротивление. По мере работы элемента внутреннее сопротивление растет. Оно особенно резко возрастает у истощившихся элементов. Внутреннее сопротивление у элементов в начале их работы обычно бывает от единиц ом до десятых долей ома. Когда элемент присоединен к замкнутой цепи, напряжение на его зажимах всегда несколько меньше ЭДС и снижается при увеличении тока, так как возрастает потеря части ЭДС на внутреннем сопротивлении элемента. Иногда для элементов указывают напряжение при максимальном разрядном токе в начале работы элемента (начальное напряжение).
Каждый элемент можно разряжать током до определённого значения. Чрезмерно большой ток вызовет ускоренную поляризацию и напряжение быстро станет недопустимо низким. Подобное же явление, но в ещё большей степени происходит при коротком замыкании элемента. У большинства элементов максимальный допустимый разрядный ток составляет доли ампера. Чем больше размеры элемента, тем больше этот ток. Превышение тока приводит и быстрому истощению элемента.
Емкостью элемента называют количество электричества, которое он способен отдать при разряде током не свыше максимального допустимого. Обычно емкость элементов измеряют в ампер-часах (а-ч), то есть произведением разрядного тока в амперах и числа часов работы элемента. Элемент считают разряженным, если его напряжение уменьшилось примерно на 50 % по сравнению с первоначальным значением.
Время работы элемента можно определить, разделив емкость в ампер-часах на разрядный ток в амперах. При этом ток не должен превышать максимального допустимого значения.
Емкость элемента зависит от количества цинка, электролита и деполяризатора. Чем больше размеры элемента, тем больше количество входящих в его состав веществ и тем больше емкость. Кроме того, емкость зависит от разрядного тока, а также от перерывов во время разряда и их длительности. Нормальная емкость элемента соответствует максимальному допустимому разрядному току при непрерывном разряде. Если ток меньше максимального и если разряд происходит с перерывами то емкость увеличивается, а при токе свыше максимального ёмкость снижается, так как часть деполяризатора не участвует в реакциях. Емкость также уменьшается с понижением температуры. Поэтому расчет времени работы элемента по его номинальной емкости и разрядному току является приближенным.
2. МАРГАНЦОВО – ЦИНКОВЫЕ
И ОКСИДНО – РТУТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ.
Широкое распространение получили марганцово – цинковые (МЦ) сухие элементы с деполяризатором из диоксида марганца.
Сухой элемент стаканчикового типа (рис. 3) имеет цинковый сосуд прямоугольной или цилиндрической формы, являющийся отрицательным электродом. Внутри него помещён положительный электрод в виде угольной
палочки или пластинки, которая находится в мешке, наполненном смесью диоксида марганца с порошком угля или графита. Уголь или графит добавляют для уменьшения сопротивления. Угольный стержень и мешок с деполяризующей массой называют агломератом. В качестве электролита используется паста, составленная из нашатыря (NH4Cl), крахмала и некоторых других веществ. У стаканчиковых элементов центральный вывод является положительным полюсом.
Рабочее напряжение сухого элемента несколько ниже, чем его ЭДС, равная 1,5 В, и составляет примерно 1,3 или 1,4 В. При длительном разряде напряжение по степенно уменьшается, так как деполяризатор не успевает поглощать весь выделяемый водород, и к концу раз ряда оно достигает 0,7 В.

Читайте также:  Чтобы изменить магнитные полюса катушки с током противоположные необходимо


Рис.3. Устройство сухого элемента.
Другая конструкция сухого элемента, так называемого галетного типа, показана на рис. 4. В нем положительным электродом является деполяризующая масса (угольного электрода нет). Галетные элементы имеют значительно лучшие характеристики, нежели стаканчиковые.

Рис. 4. Устройство сухого галетного элемента.
1 – деполяризатор – положительный электрод; 2 – цинк – отрицательный электрод; 3 – бумага;
4 – картон, пропитанный электролитом; 5 – полихлорвиниловая плёнка.
В каждом элементе, имеющем электролит, даже при разомкнутой внешней цепи происходит так называемый саморазряд, в результате которого разъедается цинковый электрод, а также истощаются электролит и деполяризатор. Поэтому сухой элемент при хранении постепенно проходит в негодность и электролит у него высыхает.
Когда сухие элементы полностью разрядятся, их агломераты ещё работоспособны и могут быть использованы для устройства самодельных наливных элементов. Такие элементы имеют агломерат и электрод из листового цинка в растворе нашатыря, находящемся в стеклянном или керамическом или пластмассовом стаканчике. При отсутствии нашатыря можно с несколько худшими результатами применить раствор обычной поваренной соли с небольшой добавкой сахара. Помимо сухих элементов типа МЦ, широко применяются элементы с марганцово – воздушной деполяризацией (МВЦ). Они устроены аналогично элементам МЦ, но у них положительный электрод сделан так, что к диоксиду марганца по особым каналам поступает наружный атмосферный воздух. Кислород воздуха возмещает потерю кислорода диоксидом марганца при деполяризации. Поэтому деполяризация может происходить значительно дольше и емкость элемента увеличивается.
Физико-химические процессы в элементах с диоксидом марганца происходят следующим образом. Нашатырь, то есть хлористый аммоний (NH4Cl), в водном растворе образует положительные ионы аммония (NH4) и отрицательные ионы хлора (Cl). Положительные ионы цинка переходят в раствор и цинк приобретает отрицательный потенциал. При замыкании цепи, когда во внешней цепи электроны движутся в направлении от цинка к углю всё время происходит растворение цинка. Его ионы переходят в электролит, за счёт чего поддерживается отрицательный потенциал цинка. Ионы цинка соединяются с ионами хлора, образуя раствор хлористого цинка (ZnCl2). В то же время ионы NH4 движутся к угольному электроду, отнимают от него электроны и распадаются на аммиак (NH3) и водород. Это происходит по уравнению
2NH4 = 2NH3 + H2.
Выделяющийся водород вступает в соединение с деполяризатором, то есть диоксидом марганца, образуя оксид марганца и воду:
H2 + MnО2 = MnО2 + Н2О.
В последние годы выпускаются еще сухие герметичные МЦ-элементы со щелочным электролитом (КОН). Они бывают цилиндрические, дисковые и галетные, ёмкостъ у них в три – пять раз больше, чем у элементов с электролитом из нашатыря. Кроме того, они допускают несколько циклов подзаряда током с отдачей 10% емкости. У таких элементов центральный электрод цинковый и является минусом, то есть полярность выводов противоположна полярности выводов обычных МЦ-элементов. Элементы со щелочным электролитом применяются для длительной работы, например, в электронных часах. В обозначениях таких элементов впереди ставится буква А.
У всех элементов начальное напряжение составляет примерно 1,3 – 1,5 В, а конечное напряжение равно 0,7 – 1 В. Хранение сухих элементов или батарей в бездействующем состоянии перед их использованием не должно продолжаться более срока, указанного на них; в противном случае сохранение работоспособности не гарантируется. Однако при хранении в течение указанного срока происходит некоторое снижение емкости, но не больше, чем на одну треть.
В последнее время выпускаются ещё малогабаритные оксидно – ртутные (ртутно – цинковые) герметичные элементы, имеющие более высокие качества, нежели элементы типа МЦ. Устройство оксидно – ртутных элементов показано на рис. 5. Элемент имеет стальной корпус состоящий из двух половин, отделенных друг от друга герметизирующей изоляционной прокладкой из резины.
В одну половину корпуса впрессована активная масса из оксида ртути (HgO) с графитом, являющаяся положительным электродом. Отрицательным электродом служит цинковый порошок, впрессованный в другую половину корпуса. Щелочной электролит (КОН) пропитывает пористую прокладку, разделяющую электроды. Эти элементы выпускаются разных размеров и разной емкости (от десятых долей ампер-часа до нескольких ампер-
часов). ЭДС у них составляет примерно 1,35 В. Срок хранения этих элементов 2,5 года. Саморазряд не превышает 1 % в год. По сравнению с МЦ-элементами ртут-

Рис. 5. Устройство герметичного оксиднво-ртутного элемента;
1 – стальной корпус с положительным электродом; 2 – пористая прокладка; 3 – резиновая уплотняющая прокладка; 4 – крышка корпуса с отрицательным электродом.
но – цинковые элементы имеют большую емкость, меньшее внутреннее сопротивление, но более высокую стоимость. Они широко применяются в электронных часах, кардиостимуляторах, фотоэкспонометрах, измерительных приборах. У самых малогабаритных элементов размеры составляют всего лишь несколько миллиметров, а масса – десятые доли грамма.
Важной особенностью оксидно-ртутных элементов является стабильность напряжения при разряде. Только в самом конце разряда напряжение резко падает до нуля.
3. СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В БАТАРЕИ.
Выше говорилось, что ЭДС обычного химического элемента приблизительно равна 1,5 В. Для увеличения ЭДС применяют батарею с последовательным соединением элементов. В этом случае “+” одного элемента соединяют с “–” другого и т. д. “Минус” первого и “плюс” последнего являются полюсами всей батареи (рис. 6.).
При последовательном соединении элементов ЭДС возрастает во столько раз, сколько соединено элементов.


Рис.6. Последовательное и параллельное соединение элементов в батарею.
Реже встречается параллельное соединение элементов, при котором положительные полюсы всех элементов соединяются вместе, образуя положительный полюс батареи, а отрицательный полюс батареи получается путем соединения отрицательных полюсов элементов (рис. 6). При параллельном соединении элементов ЭДС батареи не увеличивается, но возрастают емкость и максимальный разрядный ток. Поэтому параллельное соединение применяют, когда нужно получить больший разрядный ток и большую емкость, чем у одного элемента.
Значительно чаще прибегают к смешанному соединению, при котором увеличиваются и ЭДС, и емкость, и максимальный разрядный ток. В этом случае обычно соединяют параллельно несколько групп элементов, а в каждой группе соединяют последовательно столько элементов сколько нужно для получения необходимой ЭДС.


Рис. 7. Смешанное соединение элементов в батарею.
Число параллельных групп определяется необходимой величиной максимального разрядного тока (рис. 7). Вообще желательно составлять батареи из последовательно соединённых элементов с достаточным разрядным током. И только в случае, когда необходимо получить больший ток или увеличенную емкость, прибегают к смешанному соединению. Включение дополнительных элементов по принципу смешанного соединения применяется также для повышения напряжения, если элементы сильно разрядились.
Во время бездействия батареи параллельные группы элементов надо отсоединять друг от друга, так как за счет даже незначительной разницы в ЭДС одна группа может разряжаться на другую.

Источник

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ИСТОЧНИКОВ ТОКА РАЗЛИЧНОЙ ТОПОЛОГИИ

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра БТС

по лабораторной работе №3

по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника»

Тема: Изучение работы источников тока различной топологии

Студент гр. 7501

Преподаватель

Анисимов А.А.

Санкт-Петербург

Цель работы: ознакомиться с основными схемами источников тока различной топологии. Освоить основные этапы проектирования источников тока на одном транзисторе, каскодного источника, классического токового зеркала и токового зеркала Уилсона. Выявить зависимость тока, проходящего через нагрузку от сопротивления нагрузки.

Используемое оборудование: NI ELVIS Bode Analyzer, макетная плата NI ELVIS, резисторы, транзисторы 2N3904.

Основные теоретические положения.

Базовая схема источника тока на одном транзисторе.

Очень хороший источник тока можно построить на основе транзистора. Работает он следующим образом: напряжение на базе Uб > 0,6 В поддерживает эмиттерный переход в открытом состоянии: Uэ = Uб — 0,6 В. В связи с этим Iэ = Uэ/Rэ = (Uб — 0,6)/Rэ. Так как для больших значений коэффициента β Iэ ≈ Iк, то Iк ≅ (Uб — 0,6 В)/Rэ независимо от напряжения Uк до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения (Uк > Uэ + 0.2 В).

Напряжение на базе можно сформировать несколькими способами. Хороший результат дает использование делителя напряжения, если он обеспечивает достаточно стабильное напряжение. Как и в предыдущих случаях, сопротивление делителя должно быть значительно меньше сопротивления схемы со стороны базы по постоянному току h21эRэ.

Читайте также:  Сколько равен ток если напряжение равно 220

Рисунок 1. Схема источника тока на одном транзисторе, смоделированная в MicroCap

2) Каскодный источник тока, обладающий повышенной устойчивостью к изменениям напряжения на нагрузке.

Поскольку предыдущая схема обладает определёнными недостатками, связанными с эффектом Эрли и температурной зависимостью напряжения базы, мы воспользуемся её улучшенным вариантом.

Источник тока на транзисторе Q2 работает, как и прежде, но напряжение на коллекторе фиксируется с помощью эмиттера Q3. Ток, текущий в нагрузку, такой же, как и прежде, так как коллекторный (для Q3) и эмиттерный токи приблизительно равны между собой (из-за большого значения β). В этой схеме напряжение Uкэ (для Q2) не зависит от напряжения на нагрузке, а это значит, что устранены изменения напряжения Uбэ, обусловленные эффектом Эрли и температурой. Для транзисторов типа 2N3565 эта схема дает изменение тока на 0,1% при изменении напряжения на нагрузке от 0 до 8 В; для того чтобы схема обеспечивала указанную точность, следует использовать стабильные резисторы с допуском 1%. Эту схему используют в высокочастотных силителях, где она известна под названием «каскод»).

Рисунок 2. Схема каскодного источника ток, смоделированная в McroCap

3) Классическое токовое зеркало

Работа токового зеркала «программируется» путем задания коллекторного тока транзистора Q4. Напряжение Uбэ для Q4 устанавливается в соответствии с заданным током, температурой окружающей среды и типом транзистора. В результате оказывается заданным режим схемы, и транзистор Q5, согласованный с транзистором Q4 (лучше всего использовать монолитный сдвоенный транзистор), передает в нагрузку такой же ток, что задан для Q4. Небольшими базовыми токами можно пренебречь.

Рисунок 3. Схема классического токового зеркала, смоделированная в MicroCap

Одно из достоинств описанной схемы состоит в том, что ее диапазон устойчивости по напряжению равен Uкк за вычетом нескольких десятых долей вольта, так как нет падения напряжения на эмиттерном резисторе. Кроме того, во многих случаях удобно задавать ток с помощью тока. Легче всего получить управляющий ток Iупр с помощью резистора. В связи с тем, что эмиттерные переходы транзисторов представляют собой диоды, падение напряжения на которых мало по сравнению с Uкк, резистор формирует управляющий, а следовательно, и выходной ток с заданной величиной. Токовые зеркала можно использовать в тех случаях, когда в транзисторной схеме необходим источник тока.

Их широко используют при проектировании интегральных схем, когда:

1) под рукой есть много согласованных транзисторов и

2) разработчик хочет создать схему, которая бы работала в широком диапазоне питающих напряжений.

4) Токовое зеркало Уилсона

Когда нам недостаточно схемы простого токового зеркала, например, для работы со схемами, где необходимо обеспечивать высокую степень постоянства выходного тока, можно воспользоваться токовым зеркалом Уилсона.

Рисунок 4. Схема токового зеркала Уилсона, смоделированная в MicroCap

Транзисторы Q6 и Q7 включены как в обычном токовом зеркале. Благодаря транзистору Q8 потенциал коллектора транзистора Q6 фиксирован и на удвоенную величину падения напряжения на диоде больше, чем напряжение земли. Такое включение позволяет подавить эффект Эрли в транзисторе Q6, коллектор которого теперь служит для задания режима работы схемы; выходной ток определяется транзистором Q7. Транзистор Q8 не влияет на баланс токов, если его базовый ток пренебрежимо мал; его единственная функция состоит в том, чтобы зафиксировать потенциал коллектора Q6. В результате в токозадающих транзисторах Q6 и Q7 падения напряжения на эмиттерных переходах фиксированы; транзистор Q8 можно рассматривать как элемент, который просто передает выходной ток в нагрузку, напряжение на которой является переменным (аналогичный прием используют при каскодном включении). Транзистор Q8 не обязательно согласовывать с транзисторами Q6 и Q7.

Обработка результатов эксперимента

Базовая схема источника тока на одном транзисторе.

Источник

Разработка источника стабильного тока

СОДЕРЖАНИЕ
ЛИСТ
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ 3
2. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ
СХЕМЫ ИСТОЧНИКА 3
2.1. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП РАБОТЫ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 3
2.2. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ИСТОЧНИКОВ ТОКА 4
2.3. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ СХЕМЫ ИСТОЧНИКА ТОКА 10
3. Выбор и расчет всех элементов схемы 12
3.1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДАТЧИКА ТОКА R1
И ВЫБОР ТИПА РЕЗИСТОРА 12
3.2. ВЫБОР ТИПА ТРАНЗИСТОРА VT2 И ВЕЛИЧИНЫ РЕЗИСТОРА R2 13
3.3. ВЫБОР ТИПА ТРАНЗИСТОРА VT1 13
3.4. ВЫБОР ТИПА ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ DA1 14
4. Описание работы схемы и назначения ее элементов 16
5. Разработка конструкции печатной платы 17
Список литературы 18
Приложение 1 19
Приложение 2 20
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ
Требуется разработать источник стабильного тока, обеспечивающий величину выходного тока Iн=5А при изменении сопротивления нагрузки Rн в пределах от 0 до 5 Ом. Напряжение питания Ucc= 12 В.
2. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ
ИСТОЧНИКА.
2.1. Структура и принцип работы источников тока.
Независимо от конструктивного исполнения любой источник тока состоит из одних и тех же функциональных узлов (рис. 2.1). Это первичный источник питания, регулирующий элемент, датчик тока и нагрузка. В большинстве конструкций используется также цепь обратной связи, соединяющая датчик тока с регулирующем элементом. Ток в нагрузке устанавливается изменением параметров цепи обратной связи или датчика тока [1].

Рис. 2.1.
Если ток в цепи обратной связи достаточно мал, что обычно выполняется на практике, то через последовательно соединенные источники питания, датчик тока, регулирующий элемент и нагрузку протекает одинаковый ток. При этом условии практически любой вариант схемы получается перестановкой последовательно соединенных узлов и выбором точки заземления. Если же ток в цепи обратной связи соизмерим с оком в основной цепи, необходимо учитывать появления погрешностей при установке нужного тока в нагрузке. Однако существуют схемные решения, в которых ток обратной связи протекает как датчики тока, так и через нагрузку, что компенсирует возникновение ошибки.
В качестве регулирующего элемента в практических схемах обычно применяют одиночные или составные транзисторы, в качестве датчика тока — резистор или диод.
2.2. Типовые схемы источников тока
В качестве простейшего источника тока хорошо работает обычный биполярный транзистор с резистором в эмиттерной цепи (рис. 2.2).

Рис. 2.2.
Сила тока в нагрузке определяется выражением
Iн=
где Iн — ток в нагрузке, Uвх — входное напряжение, Uбэ — падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора VT1, R1 — сопротивление датчика тока R1.
Меняя величину Uвх, можно установить требуемый ток нагрузки. Обычно для задания входного напряжения с небольшой точностью используются источники опорного напряжения (ИОН). В этой схеме обратная связь по напряжению с выхода датчика тока R1 на вход регулирующего элемента VT1 в явном виде отсутствует. Вследствие этого сила тока в перегрузке зависит как от сопротивления нагрузки, так и от температуры и параметров транзистора.
Существует значительное количество усложненных схем источников тока, выполненных как на биполярных, так и на полевых транзисторах, позволяющих добиться значительного улучшения характеристик, т.е. приближения их к характеристикам идеального источника тока. Однако более существенное повышение стабильности источников тока становится возможным при применении операционных усилителей (ОУ).
Широко используется схема источника тока с применением ОУ, приведенная на рис. 2.3. В этой классической схеме регулирующий элемент — транзистор VT1 управляется ОУ DA1, который стремится уравнять напряжение на своих входах — инвентирующем и неинвентирующем. При этом сила тока в нагрузке Rн определяется выражением
Iн=. (1)

Рис. 2.3.
Для нормальной работы схемы напряжение на нагрузке Uн не должно превышать значения, определяемого выражением
Uн= Iн Rн > 100 мА следует применять составной транзистор.
Таким образом, будем строить источник тока по схеме рис. 2.8.
Рис. 2.8.
Этот источник тока, как и рассмотренный выше (рис. 2.7.), не имеет ошибки, связанной с током базы, т. к. утечка затвора полевого транзистора с p-n переходом и каналом n-типа имеет порядок несколько наноампер, т. е. пренебрежимо мала.
3. ВЫБОР И РАСЧЕТ ВСЕХ ЭЛЕМЕНТОВ СХЕМЫ
3.1. Определение сопротивления датчика тока R1
и выбор типа резистора
Величина сопротивления R1 должна обеспечивать рабочий диапазон источника тока, т. е. должен сохранятся выходной ток Iн = 5А при изменении сопротивления нагрузки в пределах от 0 до 2 Ом. Для этого требуется, чтобы при Rн = 2 Ом транзистор VT2 не входил в режим насыщения, т. е., чтобы выполнялось условие
Uкэ > Uкэ нас
Так как транзистор VT2 должен быть составным, то зададимся требованием Uкэ >= 1,5 В при Rн =2 Ом.
При IR1 ? Iн справедливо выражение
Ucc = Iн Rн + Uкэ + Iн R1.
откуда можно найти максимально возможное значение R1 для Ucc = 12 В, Iн = 5 А, Rн = 2 Ом, Uкэ min = 1,5 B.
R1max = = = 0,1 Ом.
При R1= 0,1 Ом на инвертирующем входе ОУ действует напряжение Uвх = Iн R1 = 5*0,1 Ом = 0,5 В. Таким образом, получили, что Uвх — достаточно мало, и его снижение нецелесообразно из соображений роста ошибки смещения входа ОУ. Поэтому окончательно принимаем величину сопротивления
R1 = 0,1 Ом.
На R1 выделяется мощность
PR1 = R1 = 52*0,1 = 2,5 Вт.
По [4] выбираем в качестве R1 резистор типа С5-16МВ номинальной мощностью 5 Вт номинальным сопротивлением 0,1 Ом и допуском +(-) 0,5%.
3.2. Выбор типа транзистора VT2
и величины резистора R2.
Выше была определена необходимость применения в качестве VT2 составного транзистора. Максимальным режимом транзистора VT2 является Iк = 5A, Uкэ = Ucc-IнR1 = 12 — 5*0,1 = 11,5 B. В соответствии с этим выбираем по [3] тип транзистора КТ827А (транзисторы кремниевые меза-эпитаксиально-планарные n-p-n составные универсальные низкочастотные мощные), у которого все предельные эксплуатационные данные удовлетворяют условиям работы VT2. Статический коэффициент передачи тока транзисторов КТ827А изменяется в пределах от h21э min = 750 до h21э max = 18000 при новом значении h21э = 6000.
Резистор R2 предотвращает смещение транзистора VT2 в область проводимости за счет токов утечки транзисторов [1]. Сопротивление резистора выбирают так, чтобы токи утечки создавали на нем падение напряжения, не превышающее падение напряжения Uбэ, и вместе с тем чтобы через него протекал ток, малый по сравнению с базовым током транзистора VT2. В соответствии с рекомендациями [1] выбираем сопротивление R2=1 кОм.
3.3. Выбор типа транзистора VT1.
Тип транзистора VT1 будем выбирать с тем расчетом, чтобы его начальный ток стока обеспечивал бы смещение транзистора VT2 в режим наибольшей «открытости» (он имеет место при Rн=2 Ом). Для такого режима требуется максимальный ток базы
Iб max = = = = 6,7*10-3А = 6,7 мА.
Учитывая, что напряжение «база-эмиттер» транзистора VT2
Uбэ ? 1,3 В,
получаем ток через резистор R2:
IR2 = = = 1,3 мА.
Ток стока транзистора VT1 равен стоку истока, и поэтому
IС = IБ + IR2
Тогда минимальный начальный ток стока должен быть:
Iс нач = Iб max + IR2
В соответствии с этим по [3] выбираем в качестве VT1 транзистор типа КП307Г (транзисторы кремниевые эпитаксиально-планарные полевые с затвором на основе p-n перехода и каналом n-типа), у которого Iс нач = 8. 24 мА. По таким предельным эксплуатационным данным, как напряжения между электродами (все они превышают ток 25В), транзистор КП307Г соответствует условиям работы в источнике тока:
Uсн max = Ucc — IнR1 — Uбэ = 12 — 5*0,1 — 1,3 = 10,2 В.
Транзистор VT1 должен рассеивать мощность, равную
Uсн max* Iс нач = 10,2 * 8 = 81,6 мВТ.
Таким образом, транзистор КП307Г и по этому параметру (Ррас доп=250 мВт) удовлетворяет условиям работы.
3.4. Выбор типа операционного усилителя DA1.
На неинвертирующий вход ОУ DA1 должен быть подан с источника опорного напряжения (ИОН) сигнал
Uвх = IнR1 = 5*0,1 = 0,5 В,
т. е. очевидно, что ОУ работает с малыми токами, и на работу источника тока возможно влияние погрешностей ОУ, таких, как смещение, сдвиг и дрейф. Для улучшения характеристик при малых токах разумно использовать ОУ с входом на полевых транзисторах, что позволяет исключить ошибки, вызванные током смещения [1]. В соответствии с этим по [5] выбираем тип ОУ К140УД8А, который представляет собой операционный усилитель общего назначения, имеющий входной дифференциальный каскад, состоящий из полевых транзисторов. ОУ типа 140УД8 не требует применения внешних цепей коррекции, но для его балансировки между выводами 2 и 6 должен быть включен подстроечный резистор. Номинальное напряжение питания микросхемы плюс 15В, минус 15В.
4. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ СХЕМЫ
И НАЗНАЧЕНИЯ ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ
В разработанном источнике стабильного тока регулирующий элемент (транзистор VT1) снабжен усилителем тока (транзистор VT2). Резистор R1 выполняет функции датчика тока для операционного усилителя DA1, который сравнивает задающее напряжение Uвх, поступающее на неинвертирующий вход, с напряжением обратной связи и стремится их выровнять. Выравнивание осуществляется за счет воздействия на затвор полевого транзистора VT1, который работает в линейном режиме. Изменения напряжения на затворе вызывают соответствующие изменения тока стока, тока базы транзистора VT2, тока эмиттера и коллектора VT2 до тех пор, пока напряжение обратной связи, выделенное на R1 и строго пропорциональное току в силовой цепи, не сравняется с задающим напряжением Uвх.
Подстроечный многооборотный резистор R3 типа СП5-14 применяется в процессе регулировки источника тока для балансировки ОУ DA1.
5. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ
На печатной плате целесообразно разместить все элементы источника стабильного тока, кроме транзистора VT2, так как последний в процессе работы может рассеивать мощность до ?60 Вт и требует установки на радиаторе площадью 1000 см2. Соединение VT2 с печатной платой осуществляется подпайкой проводов в соответствующие точки печатной платы, которые должны быть отмаркированы вспомогательными подписями. Соединение печатной платы источника тока с внешними цепями (Uвх, нагрузка, напряжение питания ОУ, корпус) — также неразъемное — с помощью подпаиваемых проводов. Технические требования на печатный монтаж приведены на чертеже печатной платы. Небольшая сложность устройства позволяет выполнить монтаж на односторонней печатной плате.
Перечень элементов источника тока размещен на одном листе с электрической принципиальной схемой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. -М.: Мир, 1983, т. 1.
Иванов П., Семушин С. Источники стабильного тока и их применение в радиоаппаратуре. -М.: ДОСААФ, 1989.
Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник. Под общей ред. Н. Н. Горюнова. -М.: Энергоатомиздат, 1986.
Резисторы. Справочник. Под ред. И. И, Четвертанова и В. М. Терехова. -М.: Радио и связь, 1991.
Аналоговые интегральные микросхемы. Справочник. -М.: Радио и связь, 1981.
Шило В. Л. Линейные интегральные схемы. -М.: Сов. радио, 1979.
Манаев Е. И. Основы радиоэлектроники. -М.: Радио и связь, 1990.

Читайте также:  Электродвигатели постоянного тока с регулятором скорости

Работа на этой странице представлена для Вашего ознакомления в текстовом (сокращенном) виде. Для того, чтобы получить полностью оформленную работу в формате Word, со всеми сносками, таблицами, рисунками, графиками, приложениями и т.д., достаточно просто её СКАЧАТЬ.

Источник

Импульсный лабораторный источник питания — диплом по информатике и телекоммуникациям

Тезисы:

  • Для проведения лабораторных работ, исследований и испытаний приборов необходим источник питания.
  • Разработка Схем Электрической Структурной И Функциональной Лабораторного Источника Питания.
  • Разработка Схемы Электрической Принципиальной Лабораторного Источника Питания.
  • Источник электропитание лабораторный конструкторский.
  • Требования к источникам вторичного питания, предъявляются очень высокие.
  • В высококачественных источниках питания используются варисторы RUl, RU2.
  • Вспомогательный преобразователь является конструктивной особенностью источников питания формата АТХ.
  • Действуют они при перегрузках источника питания или же неисправностях в преобразователе.
  • Ниже приводятся описание схем зашиты рассматриваемых источников питания.
  • Выходные выпрямители источника питания различают по значению напряжения выходного канала.

Похожие работы:

2 Мб / 47 стр / 6429 слов / 43849 букв / 7 апр 2010

254 Кб / 29 стр / 2544 слов / 17111 букв / 25 дек 2013

166 Кб / 28 стр / 2564 слов / 17093 букв / 24 апр 2013

546 Кб / 51 стр / 9215 слов / 57561 букв / 20 мар 2020

13 Кб / 12 стр / 1907 слов / 13648 букв / 12 ноя 2013

470 Кб / 46 стр / 6701 слов / 46626 букв / 7 ноя 2014

3 Мб / 18 стр / 2516 слов / 18334 букв / 27 июл 2015

2 Мб / 85 стр / 11604 слов / 76732 букв / 3 ноя 2010

674 Кб / 41 стр / 4011 слов / 26083 букв / 24 фев 2016

21 Кб / 21 стр / 3521 слов / 22262 букв / 4 июл 2019

Источник