Меню

Применение высоковольтный источник тока



Какие существуют виды источников электрического тока?

Источник электрического тока – это устройство, с помощью которого создаётся электрический ток в замкнутой электрической цепи. В настоящее время изобретено большое количество видов таких источников. Каждый вид используется для определённых целей.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Виды источников электрического тока

Существуют следующие виды источников электрического тока:

  • механические;
  • тепловые;
  • световые;
  • химические.

Механические источники

В этих источниках происходит преобразование механической энергии в электрическую. Преобразование осуществляется в специальных устройствах – генераторах. Основными генераторами являются турбогенераторы, где электрическая машина приводится в действие газовым или паровым потоком, и гидрогенераторы, преобразующие энергию падающей воды в электричество. Большая часть электроэнергии на Земле производится именно механическими преобразователями.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Тепловые источники

Здесь преобразуется в электричество тепловая энергия. Возникновение электрического тока обусловлено разностью температур двух пар контактирующих металлов или полупроводников — термопар. В этом случае заряженные частицы переносятся от нагретого участка к холодному. Величина тока зависит напрямую от разности температур: чем больше эта разность, тем больше электрический ток. Термопары на основе полупроводников дают термоэдс в 1000 раз больше, чем биметаллические, поэтому из них можно изготавливать источники тока. Металлические термопары используют лишь для измерения температуры.

В настоящее время разработаны новые элементы на основе преобразования тепла, выделяющегося при естественном распаде радиоактивных изотопов. Такие элементы получили название радиоизотопный термоэлектрический генератор. В космических аппаратах хорошо себя зарекомендовал генератор, где применяется изотоп плутоний-238. Он даёт мощность 470 Вт при напряжении 30 В. Так как период полураспада этого изотопа 87,7 года, то срок службы генератора очень большой. Преобразователем тепла в электричество служит биметаллическая термопара.

Световые источники

С развитием физики полупроводников в конце ХХ века появились новые источники тока – солнечные батареи, в которых энергия света преобразуется в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников выдавать напряжение при воздействии на них светового потока. Особенно сильно этот эффект наблюдается у кремниевых полупроводников. Но всё-таки КПД таких элементов не превышает 15%. Солнечные батареи стали незаменимы в космической отрасли, начали применяться и в быту. Цена таких источников питания постоянно снижается, но остаётся достаточно высокой: около 100 рублей за 1 ватт мощности.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Химические источники

Все химические источники можно разбить на 3 группы:

  1. Гальванические
  2. Аккумуляторы
  3. Тепловые

Гальванические элементы работают на основе взаимодействия двух разных металлов, помещённых в электролит. В качестве пар металлов и электролита могут быть разные химические элементы и их соединения. От этого зависит вид и характеристики элемента.

ВАЖНО! Гальванические элементы используются только разово, т.е. после разряда их невозможно восстановить.

Существует 3 вида гальванических источников (или батареек):

  1. Солевые;
  2. Щелочные;
  3. Литиевые.

Солевые, или иначе «сухие», батарейки используют пастообразный электролит из соли какого-либо металла, помещённый в цинковый стаканчик. Катодом служит графито-марганцевый стержень, расположенный в центре стаканчика. Дешёвые материалы и лёгкость изготовления таких батареек сделали их самыми дешёвыми из всех. Но по характеристикам они значительно уступают щелочным и литиевым.

Какие существуют виды источников электрического тока?

В щелочных батарейках в качестве электролита используется пастообразный раствор щёлочи — гидрооксида калия. Цинковый анод заменён на порошкообразный цинк, что позволило увеличить отдаваемый элементом ток и время работы. Эти элементы служат в 1,5 раза дольше солевых.

В литиевом элементе анод сделан из лития — щелочного металла, что значительно увеличило продолжительность работы. Но одновременно увеличилась цена из-за относительной дороговизны лития. Кроме того, литиевая батарейка может иметь различное напряжение в зависимости от материала катода. Выпускают батарейки с напряжением от 1,5 В до 3,7 В.

Аккумуляторы — источники электрического тока, которые можно подвергать многим циклам заряда-разряда. Основными видами аккумуляторов являются:

  1. Свинцово-кислотные;
  2. Литий-ионные;
  3. Никель-кадмиевые.

Свинцово-кислотные аккумуляторы состоят из свинцовых пластин, погружённых в раствор серной кислоты. При замыкании внешней электрической цепи происходит химическая реакция, в результате которой свинец преобразуется в сульфат свинца на катоде и аноде, а также образуется вода. В процессе зарядки сульфат свинца на аноде восстанавливается до свинца, а на катоде до диоксида свинца.

Какие существуют виды источников электрического тока?

Литий-ионный аккумулятор получил своё название из-за того, что в качестве носителя электричества в электролите служат ионы лития. Ионы возникают на катоде, который изготовлен из соли лития на подложке из алюминиевой фольги. Анод изготавливается из различных материалов: графита, оксидов кобальта и других соединений на подложке из медной фольги.

Напряжение в зависимости от применяемых компонентов может быть от 3 В до 4,2 В. Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда-разряда литий-ионные аккумуляторы приобрели большую популярность в бытовой технике.

ВАЖНО! Литий-ионные аккумуляторы очень чувствительны к перезарядке. Поэтому для их зарядки нужно использовать зарядные устройства, предназначенные только для них, которые имеют встроенные специальные схемы, предотвращающие перезаряд. Иначе может произойти разрушение аккумулятора и его возгорание.

Какие существуют виды источников электрического тока?

В никель-кадмиевых аккумуляторах катод сделан из соли никеля на стальной сетке, анод из соли кадмия на стальной сетке, а электролит — смесь гидроксида лития и гидроксида калия. Номинальное напряжение такого аккумулятора — 1,37 В. Он выдерживает от 100 до 900 циклов зарядки-разрядки.

Тепловые химические элементы служат как источники резервного питания. Они дают отличные характеристики по удельной плотности тока, но имеют короткий срок службы (до 1 часа). Применяются в основном в ракетной технике, где нужны надёжность и кратковременная работа.

Источник

Применение высоковольтный источник тока

Аннотация

Высоковольтный источник питания – основной компонент электростатической аппаратуры. Разнообразны варианты их использования в промышленных и научных целях, представляющие интерес для инженеров, ученых и заказчиков аппаратуры. Так, в промышленных процессах требуется интенсивный контроль технологических условий в целях получения максимального выхода продукта, повышения качества и снижения себестоимости. Последние достижения в технологии высоковольтных источников позволяют обеспечить более высокие уровни контроля и управления процессами. Качество научных экспериментов также зависит от используемых в них источников питания. В настоящей статье обсуждаются такие влияющие факторы, как погрешность выхода, стабильность, пульсации и методы стабилизации источников питания.

I. Введение

Высокое напряжение повсеместно используется в научной и промышленной сферах. Например, электростатическое оборудование применяются в различных процессах. Электростатика, в широком понимании, занимается явлениями, связанными с электрическими зарядами и полями. Электростатика может использоваться для приведения материалов в движение без механического контакта, разделения материалов на составляющие вплоть до элементарного уровня, для образования однородных смесей и других практических и научных задач. Согласно определению, для того, чтобы произвести работу в электрическом поле, необходимо наличие разности потенциалов между двумя или несколькими объектами. В большинстве случаев эта энергия черпается от высоковольтного источника питания. Современный высоковольтный источник – это прибор, основанный на полупроводниковой и высокочастотной технологиях, с такими характеристиками, которые казались недостижимыми всего несколько лет назад. Существенное продвижение было достигнуто по таким показателям, как надежность, стабильность, управляемость, снижение габаритов и стоимости, повышение безопасности. Пользователь, осведомленный об этих достижениях, оказывается в выигрышном положении. К этим сведениям следует также добавить и понимание особенностей высоковольтного источника, оказывающих влияние на аппаратуру, экспериментальные исследования, технологические процессы и изделия.

II. Основы работы высоковольтного источника питания

Упрощенная принципиальная схема высоковольтного источника приведена на рис. 1.

ходное напряжение может меняться в широком диапазоне. Входной сигнал переменного тока может иметь частоту от 50 до 400 Гц напряжение от 24 до 480 В. Входное напряжение постоянного тока может меняться от 5 до 300 В. Пользователю важно уяснить, в какой степени параметры входного напряжения будут влиять на всю работу всей системы, и, следовательно, на ее конфигурацию. Следует иметь в виду, что органы регулирования и надзора, например, Underwriters Laboratory, Canadian Standards Association, IEC и другие проводят активную работу с системами, подключенными к энергетическим сетям. Помимо функции питания главного инвертера источника питания, входное напряжение используется и для питания дополнительных управляющих цепей, и других целей.

На входе имеется фильтрующий каскад, который обеспечивает обработку входного сигнала, обычно в форме его выпрямления и фильтрации по переменному току и дополнительной фильтрации по постоянному току. Здесь же могут находиться цепи защиты от перегрузки, подавления радиопомех, электромагнитной совместимости (ЭМС) и регулирования. Выходом фильтра обычно является напряжение постоянного тока, которое подается на инвертер, преобразующий постоянный ток в высокочастотный сигнал переменного тока. Существует множество различных схем инвертеров, однако, наилучшее решение определяется всего несколькими свойствами, которыми должен обладать высоковольтный источник.

Высокочастотный сигнал с инвертера обычно подается на повышающий высоковольтный трансформатор. Применение высокочастотного сигнала позволяет добиться высоких технических характеристик при одновременном снижении размеров магнитопроводов и накопительных конденсаторов. Однако при подключении трансформатора с высоким передаточным числом к высокочастотному инвертеру возникает проблема: внесение паразитной емкости в первичную обмотку трансформатора с коэффициентом (Nвтор/Nперв)2. Это значительная емкость, и ее необходимо изолировать от ключевых устройств инвертера, в противном случае в нем появятся аномально высокие импульсные токи.

Другая особенность, характерная для высоковольтных источников – широкий диапазон нагрузок. Частыми спутниками высокого напряжения являются пробои изоляции (образование дуги). В этой связи надежность инвертера должна быть достаточно высокой с точки зрения любых возможных сочетаний открытой и короткозамкнутой цепи, а также состояний нагрузки. Все эти вопросы, включая также надежность и стоимость, должны решаться в рамках топологии инвертера высоковольтного источника питания.

Читайте также:  Электробезопасность средства защиты от электрического тока

Высокочастотный выходной сигнал инвертера подается в первичную обмотку высоковольтного повышающего трансформатора. Для создания качественного трансформатора требуется глубокая теоретическая и практическая проработка, понимание конструкции магнитопровода, включая анализ материалов и электромагнитных процессов. В большинстве экспертных оценок за основу принимается большое число витков и высокое напряжение вторичной обмотки. Вследствие этих факторов геометрия сердечника, технология изоляции и намотки высоковольтных трансформаторов существенно отличаются от традиционных. Могут иметь значение и другие параметры: отношение вольт/число витков вторичной обмотки, коэффициент межслойного влияния и тангенс угла потерь изоляции, геометрия намотки в контексте ее влияния на паразитную емкость и утечку, послойная пропитка намотки изоляционным лаком, уровень коронирования и другие практически важные факторы, такие как запас по перегреву или полная стоимость.

Высоковольтный умножитель выполняет функции выпрямления и умножения напряжения вторичной обмотки трансформатора. В нем применяются высоковольтные диоды и конденсаторы, собранные по схеме удвоителей напряжения. Как и высоковольтный трансформатор, умножитель требует отдельной тщательной проработки. Помимо выпрямления и умножения высоковольтная цепь выполняет также функции фильтрации на выходе, контроля (слежения) значений напряжения и тока, которые подаются в цепи ОС. Необходимо обеспечить возможность принудительного повышения выходного импеданса в целях защиты накопительных конденсаторов от разрядных токов.

Высоковольтные элементы обычно изолируют от земли в целях предотвращения дугового разряда. В качестве изоляции используют различные материалы; наиболее распространенными являются воздух, SF6, трансформаторное масло, твердые герметики (клеи-герметики, эпоксидная смола и др.). Выбор материала изоляции и технологический контроль могут оказаться наиболее важными с точки зрения надежности высоковольтной схемы.

Цепи управления обеспечивают работу всех каскадов в едином комплексе. Степень сложности схемы управления может быть различной – от единственной аналоговой ИС до их большого числа, и даже микропроцессора, регулирующего и контролирующего все параметры высоковольтного выхода. Однако основные требования, которым должна удовлетворять любая цепь регулирования, сводятся к точной стабилизации выходного напряжения и тока в той степени, как это необходимо по условиям нагрузки, входной мощности и заданных установок. Наиболее эффективно это достигается с помощью контура обратной связи. На рис. 2 показано, каким образом обратная связь используется в стабилизации выхода источника питания. Традиционный способ заключается в отслеживании выходных значений напряжения и тока, и сравнении измеренных значений с опорными входными сигналами. Полученная разность (сигнал ошибки) двух сигналов (обратной связи и опорного значения) подается в управляющую цепи инвертера, что в конечном итоге обеспечивает регулирование (стабилизацию) выходной мощности.

Кроме тока и напряжения можно с достаточной точностью стабилизировать и другие параметры. Управление выходной мощностью легко реализуется с помощью функции X Ђ Y = Z, где V Ђ I = W и последующего ее сравнения с заданным опорным уровнем. Фактически любой параметр, подчиняющийся закону Ома, может быть подвергнут стабилизации – сопротивление, напряжение ток и мощность. Помимо этого, можно управлять и конечными переменными, которые зависят от параметров источника питания (интенсивность напыления, скорость потока и др.).

III. Стабилизация высокого напряжения

Стабилизированный источник высокого напряжения и/или тока постоянной величины играет важнейшую роль в работе электростатической аппаратуры. Изменчивость выходного напряжения или тока оказывает непосредственное влияние на конечные результаты, и по этой причине ее следует рассматривать как источник ошибок. В высоковольтных источниках ошибки опорного напряжения, которое используется для задания требуемого выходного напряжения, могут быть устранены за счет применения стабилизированного опорного источника на основе ИС. В типовых условиях стабильность должна быть не хуже 510-6/С. Соответственно, аналоговые ИС (ОУ, АЦП, ЦАП и др.) должны подвергаться тщательному отбору как источники значительной погрешности.

В высоковольтных источниках имеется один принципиальный источник погрешности стабилизации – высоковольтный делитель напряжения в цепи обратной связи, представляющий собой резистивную цепочку (рис. 1), понижающую выходное напряжение до уровня, приемлемого для работы цепей управления (менее =10 В). Вследствие больших значений сопротивлений (обычно не менее 10 МОм, что необходимо для рассеяния мощности и снижения эффектов температурной изменчивости из-за самонагрева) и возникает проблема стабильности резисторов обратной связи. Сочетание высоковольтного напряжения и высокоомных сопротивлений потребовало специальной технологии изготовления резисторов, которые выполняются спаренными с низкоомными резисторами, чтобы позволяет поддерживать величину коэффициента деления при изменении температуры, напряжения, влажности и времени.

Высокоомные резисторы в цепи в ОС делают схему восприимчивой к малым токам наводки. Так, ток величиной 10-9 А может дать относительную ошибку порядка 10-4. По этой причине конструкция резистора и цепи ОС должна учитывать возможность возникновения коронного разряда. Кроме того, ввиду широкого применения в технологии резисторов керамических сердечников и подложек, необходимо учитывать и пьезоэлектрические эффекты. Можно показать, что вибрация в высоковольтном источнике питания может наводить на его выходе сигнал на частоте вибрации.

IV. Дополнительные возможности высоковольтного источника питания
Во многих высоковольтных приложениях могут потребоваться дополнительные функции по управлению обслуживаемого прибора. В этой связи разработчик должен представлять предназначение источника питания не хуже конечного пользователя; это поможет ему расширить функциональные возможности источника питания в интересах конечного результата.

Во многих высоковольтных приложениях могут потребоваться дополнительные функции по управлению обслуживаемого прибора. В этой связи разработчик должен представлять предназначение источника питания не хуже конечного пользователя; это поможет ему расширить функциональные возможности источника питания в интересах конечного результата.

E – напряжение на высоковольтном конденсаторе
R – выходное ограничивающее сопротивление, Ом

Ток дугового разряда, как правило, существенно превышает номинальный ток источника питания, поскольку ограничивающее сопротивление удерживается на минимальном значении, чтобы снизить потери на рассеяние мощности. Сразу после регистрации дуги могут включиться и другие функции. Так, функция гашения дуги («Arc Quench») определяет параметр прекращения дуги при снятии приложенного напряжения. Работа функции гашения показана на рис. 4.

Если отключение источника при первом же дуговом разряде нежелательно, в цепь можно добавить цифровой счетчик разрядов (рис. 5). Отключение или гашение производится после того, как будет зарегистрировано заданное количество разрядов. Можно также ввести время обнуления счетчика, чтобы избежать его накопления за счет редких дуговых разрядов. Например, можно считать фактом регистрации дугового разряда и прибегать к отключению только в том случае, если в течение одной минуты зарегистрировано 8 разрядов.

Одно из полезных применений схемы детектирования дуги – повышение выходного напряжения за счет установления его на уровне чуть ниже уровня разряда. Согласно этому методу, в момент детектирования дуги напряжение слегка понижается до значения, при котором дуга прекращается. Затем оно повышается автоматически в более медленном темпе (рис. 6)

Высоковольтные источники может выполнять также функции прецизионной цепи контроля тока, В стандартной аппаратуре такой контроль может быть прецизионным только уровне не ниже единиц миллиампер или микроампер. Однако в некоторых электростатических приборах может потребоваться точность не хуже 10-15 А, что может быть обеспечено с помощью цепи контроля (слежения) высокого напряжения. Необходимость такой функции пользователю следует указать при оформлении заказа.

V. Generating Constant Current Sources

Во многих областях электростатики требуется поддерживать постоянным ток коронного разряда. Это можно сделать несколькими оригинальными способами. Источник постоянного тока можно представить как источник, у которого импеданс много больше импеданса питаемой нагрузки (см. схему на рис. 7).

Из практических соображений ясно, что изменение сопротивления R2 оказывает пренебрежимо малое влияние на ток сопротивления R1. Поэтому через оба сопротивления –R1 и R2 – течет ток постоянной величины. В аппаратуре с единственным высоковольтным источником это можно реализовать двумя путями. Согласно первому, в схему вводится внешний резистор в качестве токостабилизирующего элемента. По второму способу вводится электронная цепь стабилизации с обратной связью (рис. 2).

В технике, где требуется много токовых выходов, применение нескольких источников питания может оказаться нерациональным. В этом случае представляется полезным применение ряда резисторов, образующих эквивалентное множество источников тока. Типовая область применения таких устройств – электростатическая обработка больших площадей (рис. 8).

Заключение

В статье рассмотрены различные варианты использования высоковольтных источников питания в электростатической аппаратуре. Высоковольтные источники имеют свойства, отличающие их от обычных источников питания. Разработчики должны быть интеллектуальной опорой пользователей электростатической аппаратуры. Высоковольтный источник питания может быть наделен эффективными средствами управления.

Следует также уделить серьезное внимание вопросам безопасности. Высокое напряжение может быть смертельно опасным, и начинающий пользователь должен быть обучен правилам безопасности. Основные правила по безопасности изложены в стандарте IEEE «Руководящие указания по безопасности при испытаниях высоковольтного и силового оборудования» (Recommended Practices for Safety in High Voltage and High Power Testing, IEEE standard 510-1983) [4].

Литература:

  1. C. Scapellati, «High Voltage Power Supplies for Analytical Instrumentation», Pittsburgh Conference, March 1995.
  2. D. Chambers and C. Scapellati , «How to Specify Today’s High Voltage Power Supplies», Electronic Products Magazine, March 1994.
  3. D. Chambers and C. Scapellati, «New High Frequency, High Voltage Power Supplies for Microwave Heating Applications», Proceedings of the 29th Microwave Power Symposium, July 1994.
  4. IEEE Standard 510-1983, IEEE Recommended Practices for Safety In High Voltage and High Power Testing.
Читайте также:  Трансформатор тока нулевой последовательности схема включения

Нажмите здесь для просмотра данной статьи в PDF.

Источник

Стабильный источник высокого напряжения для питания ФЭУ

Применение фотоэлектронного умножителя — это очень простой способ получить высочайшую чувствительность фотоприемника, вплоть до регистрации единичных фотонов при прекрасном быстродействии. А учитывая массу ФЭУ, выпущенных в СССР и до сих пор лежащих на складах, это еще и относительно недорого (современные «фирменные» ФЭУ все-таки неприлично дороги для любительского применения). Но для питания фотоэлектронного умножителя нужен источник напряжения в 1-3 киловольта, и притом очень стабильный.

Дело в том, что чувствительность ФЭУ зависит от анодного напряжения экспоненциально и очень резко: она увеличивается в 10 раз при увеличении напряжения на 80-300 В, в зависимости от типа ФЭУ. И если нужно обеспечить стабильность усиления на уровне процента, для некоторых ФЭУ необходимо, чтобы напряжение не менялось больше, чем на 0,1-0,3 В!

В данной статье я привожу схему источника высокого напряжения для ФЭУ, который хорошо зарекомендовал себя в лабораторных условиях. Он обеспечивает выходное напряжение от нескольких сотен до 1500 В при выходном токе до 1 мА и стабильности не хуже 0,2 В за час при неизменном потребляемом токе после прогрева. Несложная переделка увеличивает верхний предел напряжения до 3 кВ, правда, ценой меньшей стабильности.

Схема

Основой источника является двухтактный инвертор, работающий на трансформатор для CCFL-ламп. Инвертор выполнен на основе отечественной микросхемы для ЭПРА — КФ1211ЕУ1. Равных этой микросхеме мне в продаже найти не удалось: она может управлять затворами полевых транзисторов непосредственно и для работы ей нужно лишь два внешних элемента (времязадающие резистор и конденсатор), при этом она штатно работает от 5 В и стоит недорого. К сожалению, НПО «Дельта» давно не производит эту микросхему, но она до сих пор есть в продаже и добыть ее не составляет труда. Никаких средств регулирования коэффициента заполнения у этой микросхемы нет, но нам это не нужно — регулирование выходного напряжения осуществляется изменением напряжения питания выходного каскада инвертора. Ключевым элементом является сдвоенный n-МОП-транзистор VT1 типа IRF7341. Резисторы R2 и R3 ограничивают броски тока при перезарядке емкостей затворов.

Инвертор работает на частоте 40 кГц. Опытным путем установлено, что на этой частоте примененный трансформатор работает лучше всего и имеет наилучший КПД. Частота эта задается цепочкой R1C1.

Трансформатор я использовал из серии TMS91429CT, имеющий две одинаковые первичные и две одинаковые изолированные друг от друга вторичные обмотки. Это дает возможность исключить умножитель напряжения с большими потерями, заменив его двумя однотактными выпрямителями, выходные напряжения которых складываются, образуя не совсем обычный на вид, но по сути такой же двухтактный выпрямитель. Нарисованная на схеме конфигурация работает с данным трансформатором несколько лучше, чем классическая «с отводом от середины». Если нужны более высокие напряжения, в каждой из «половинок» можно собрать удвоитель.

Резистор R8 и конденсатор C9 образуют фильтр, уменьшающий пульсации высокого напряжения. Резистор R10 снижает опасность смертельного поражения электрическим током: несмотря на то, что сила постоянного тока, вырабатываемого данным источником, не представляет никакой серьезной опасности, энергия, запасаемая в конденсаторе C9 вполне достаточна для того, чтобы убить, и ограничение пикового тока его разряда до

60 мА при максимальном напряжении эту возможность снижает (при кратковременном — сотые доли секунды — воздействии такой ток обычно не является смертельным). Вместе с тем, при токе 1 мА на этом резисторе падает 22 В, что, скорее всего, недопустимо. Поэтому если нужны токи больше сотни микроампер, его придется убрать, но в этом случае — помнить, что выходное напряжение источника — смертельно опасно. С резистором R10, впрочем, тоже, но опасность не столь высока.

Выходное напряжение, поделенное делителем R7R9 в 500 раз, подается на вход усилителя ошибки на ОУ DA1.2. На второй его вход подается опорное напряжение (через повторитель на DA1.1), которое задает выходное напряжение, которое в соответствии с коэффициентом деления делителя R7R9 будет в 500 раз больше (например, при опорном напряжении 3 В выходное составит 1,5 кВ). Коэффициент усиления усилителя ошибки подобран экспериментально. Его увеличение повышает точность стабилизации, но снижает устойчивость. Конденсатор C8 компенсирует задержку в петле обратной связи и обеспечивает устойчивость регулирования. Соотношение коэффициента усиления усилителя ошибки и постоянной времени цепи R6C8 — вопрос компромисса между точностью поддержания выходного напряжения и временем его установления.

Выходное напряжение усилителя ошибки подается на регулирующий элемент — p-МОП транзистор VT2. Транзистор полностью закрыт, когда напряжение на выходе DA1.2 близко к напряжению питания (то есть если высокое напряжение сильно превышает заданное), и полностью открывается при снижении его до нуля (при сильно заниженном высоком напряжении), что обеспечивает его поддержание на уровне несколько выше опорного напряжения, помноженного на коэффициент деления. Далеко не все МОП-транзисторы хорошо работают в линейном режиме, и указанный на схеме делает это вполне приемлемо. Резистор R4 предотвращает неустойчивость ОУ при работе на емкостную нагрузку, которой является затвор транзистора.

В качестве источника опорного напряжения может быть использован многооборотный потенциометр, питающийся от стабилизированного источника напряжения, но при повышенных требованиях к стабильности его может оказаться недостаточно, так как даже самые лучшие из таких переменных резисторов в той или иной степени «шумят», хаотически меняя сопротивление в небольших пределах, даже если ручку регулировки не трогают. Для ее повышения желательно ограничить диапазон плавной перестройки до 100-200 В и ввести переключатель для дискретной грубой установки напряжения. Другой вариант — сделать цифровой ИОН на основе какого-нибудь ЦАП.

Данная схема выдает высокое напряжение положительного знака. Для питания ФЭУ удобно использовать отрицательное напряжение питания с заземленным анодом. Для этого схему придется скорректировать — во-первых, изменив полярности диодов в высоковольтной части. Во-вторых, придется ввести в схему еще один операционный усилитель. Вместо делителя R9R7 у нас появляется инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления минус 1/500 на ОУ DA2, и резисторы R9 и R7 оказываются в его цепи ООС.

Чтобы получить 3 киловольта, придется заменить выпрямители во вторичных цепях на удвоители напряжения и увеличить R9 до 100 МОм. Стабильность при этом ухудшится примерно в те же два раза.

Компоненты и монтаж

В низковольтных и слаботочных цепях можно использовать конденсаторы и резисторы типоразмера 0805 или даже 0603. Конденсатор C2 — танталовый. Конденсатор С4 — пленочный, так как через него протекает заметный импульсный ток и керамический SMD конденсатор здесь будет греться и быстро выйдет из строя.

Со стороны высокого напряжения необходимо монтировать все цепи переменного тока настолько короткими соединениями, насколько возможно, так как иначе они сильно излучают (однако, не забывая соблюдать изоляционные зазоры). Диоды набраны каждый из двух последовательно соединенных диодов на 1000 В. В связи с отсутствием в магазинах быстрых диодов на 1000 В в SMD-исполнении применены выводные диоды HER1008, установленные по два последовательно. Для уменьшения длины выводов они загнуты под корпус диода и обрезаны, и таким образом, диод переделан в SMD. При этом анод одного диода в паре спаивается с катодом второго непосредственно и максимально близко к выходу вывода из корпуса, а не через печатный проводник. Конденсаторы С6 и С7 также набраны из четырех конденсаторов 0,015 мкФ х 1000 В типоразмера 1812, соединенных последовательно-параллельно и спаянных «этажеркой» друг на друге. Конденсатор C9 произвольного типа — я использовал батарею из отечественных К15-4, для надежности залитую компаундом.

Резистор R8 — типоразмера 2512. R10 набран из десяти таких резисторов, соединенных последовательно на отдельной маленькой плате и залитых изоляционным компаундом. Аналогично можно поступить и с R9, либо применить резистор серии FHV-100. А совсем идеально поставить делитель фирмы Caddock серии THV10. От термостабильности данного резистора (а он нагревается проходящим через него током) зависит дрейф напряжения. Теплоизоляция его, увеличивая время установления стабильного напряжения, тем не менее, резко уменьшает его хаотичные колебания, поэтому настоятельно рекомендуется. Также при монтаже следует обратить внимание на возможные пути утечки, которые также резко снизят стабильность. На печатной плате следует предусмотреть прорези и окна, отделяющие высоковольтные цепи от низковольтных и между близко расположенными проводниками с резко различающимися потенциалами. И не жалейте спирта — малейшая влага, следы канифоли или палтцев — и напряжение будет скакать, как дикий мустанг. Само собой разумеется, что вся высоковольтная часть должна быть залита компаундом, так как иначе зазоры пришлось бы делать очень большими. А большие зазоры — это большая длина проводников и сильное излучение. При работе первоначального макета, где я использовал конденсаторы К78-1, выводные диоды со слегка укороченными выводами и зазоры, рекомендуемые при печатном монтаже на воздухе — на холостом ходу схема потребляла почти 200 мА при 1500 В, а неонка горела в 10 см от конструкции. Невозможно было даже посмотреть форму напряжения на первичных обмотках трансформатора — на щуп осциллографа наводилась помеха размахом под сотню вольт. Ни о каком практическом использовании столь сильно излучающей помехи схемы не могло идти речи. После перехода на SMD и максимально компактный монтаж (потребовавший заливки — на воздухе все тут же пробивается), потребляемый на холостом ходу ток упал до пары десятков миллиампер, а неоновая лампочка горела только вплотную к обмотке трансформатора. Разумеется, готовый прибор нужно поместить в металлический корпус, снабженный хорошим высоковольтным разъемом (например, типа LEMO).

Читайте также:  Физика как посчитать силу тока

Разводка печатной платы (свою не привожу, так как она оказалась не слишком удачной и в финальной конструкции покрылась, как плесенью, очагами навесного монтажа, исправляющего ошибки первоначального замысла) должна быть сделана с учетом того, что VT2 греется и отводит тепло через выводы (рассеиваемая мощность может достигать 2 Вт). VT1 остается при работе практически холодным. Кроме того, уделите внимание земле, особенно в окрестностях ключевых транзисторов. Последние вместе с DD1 удобно разместить под брюхом трансформатора, вокруг которого можно отделить земляной полигон зазором, соединив его с остальной землей в единственной точке около разъема питания.

И о заменах. Трансформатор может быть заменен практически любым аналогичным трансформатором с такой же конфигурацией обмоток (то есть две одинаковые первичные обмотки и две раздельные высоковольтные) и такой же габаритной мощностью, при этом может потребоваться подбор частоты коммутации и емкости конденсатора C4. Транзисторную сборку VT1 можно заменить на аналогичные отдельные n-МОП транзисторы с напряжением исток-сток не менее 20 В и током стока не менее 3 А, способные работать с 5 В на затворе. VT2 заменять нежелательно.

Источник

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.

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 Iн= Uвх/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 Iн≈0,6/ R1 .
В этих схемах нет температурной компенсации, изменение выходного тока составляет величину ≈ 0,3% на один °С.

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.

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.

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.

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 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

Источники тока на полевых и биполярных транзисторах

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.

Источник