Меню

Схема источников тока с резистором



Диодный источник тока

Платон Константинович Денисов, г. Симферополь

Идеальный источник тока позволяет получить ток, не зависящий от сопротивления нагрузки. Параметры диодного источника тока, обуславливающие область применения прибора, рассматриваются в этой статье.

Для упрощения электрических схем удобно использовать диодные источники тока, представляющие собой двухвыводной компонент с низкой стоимостью, устанавливаемый в цепи схем последовательно с различными компонентами. Такое схемное решение проблемы стабилизированного тока привлекает простотой и повышением устойчивости работы разрабатываемых схем приборов. Один полупроводник этого класса, в зависимости от типа, обеспечивает стабилизацию тока на уровне от 0.1 до 30 миллиампер. Термина и схемного обозначения для наименования этих полупроводниковых приборов в соответствии с ГОСТ найти не удалось. В иллюстрациях к статье пришлось применить схемное обозначение обычного диода.

Один из примеров использования – питание светодиода. Диодный источник тока, включенный последовательно светодиоду, обеспечивает стабильную и надежную работу светодиода. Одна из особенностей диодного источника тока – работа в диапазоне напряжений от 1.8 до 100 В, позволяющая защитить светодиод от выхода из строя при импульсных изменениях напряжения повышает надежность светодиодного индикатора и расширяет диапазон допустимых отклонений питания. Яркость и оттенок свечения светодиода зависят от протекающего тока. Стабилизация тока питания светодиода позволяет задать требуемый режим работы с неплохой точностью. С помощью диодных источников тока можно построить индикатор или осветительную лампу, предназначенную для питания от сети переменного тока 220 В. Такой прибор будет иметь постоянную яркость свечения при значительном падении напряжения питания. Низкая потребляемая мощность и длительный срок службы являются неоспоримыми преимуществами светодиодных ламп по сравнению с лампами накаливания и газонаполненными осветительными приборами.

Применение резистора в цепи питания светодиода для индикации питания двигателя постоянного тока микродрели приводило к быстрому выходу индикатора из строя. Использование диодного источника тока позволило получить надежную работу индикатора и постоянную яркостью свечения. Требуемый режим можно получить, меняя тип диодного источника тока, или включая 2 — 3 штуки параллельно. Превышение диодным источником тока стоимости резистора на несколько центов оправдывает увеличение надежности работы индикатора.

Простая схема зарядного устройства аккумулятора получается при параллельном включении диодных источников тока.

При питании входного светодиода оптрона через резистор пульсации напряжения питания схемы приводят к колебаниям яркости, которые накладываются на фронт входного прямоугольного импульса. Напряжение питания схемы всегда содержит пульсации. Если пульсации питающего напряжения 5 В имеют уровень 50 мВ, то пульсации напряжения на светодиоде будут около 13 мВ.

При большом быстродействии оптрона пульсации напряжения питания приведут к искажению информации, передаваемой через оптрон.

Применение диодного источника тока для питания светодиода, входящего в состав оптрона, позволяет снизить искажения цифрового сигнала, передаваемого через оптрон.

Для создания источника опорного напряжения используются диодный источника тока и резистор. Применение источника стабильного тока улучшает параметры источника опорного напряжения и дает возможность включать источник опорного напряжения в схемы с большими колебаниями напряжения питания. Схема с низким уровнем шумов и возможностью точно установить требуемое значение опорного напряжения с помощью переменного сопротивления показана на рисунке.

Вольтамперная характеристика помогает понять работу диодного источника тока. Режим стабилизации начинается при превышении напряжения 1.8 В на выводах прибора. При напряжениях более 100 В происходит пробой прибора. Отклонение тока стабилизации от номинального, в зависимости от экземпляра прибора, составляет ±10 процентов. При изменении напряжения от 1.8 до 100 В ток стабилизации меняется на 5 процентов. Диодные источники тока, выпускаемые некоторыми производителями, изменяют ток стабилизации при изменении напряжения до 20 процентов. Чем выше ток стабилизации, тем больше отклонение при изменении напряжения. Параллельное включение пяти приборов, рассчитанных на ток 2 мА, позволяет получить более высокие параметры, чем у одного на 10 мА.

Дешевые диодные источники тока представляют собой отобранные по току полевые транзисторы, у которых затвор соединен с истоком. Обобщенная зависимость прямого и обратного тока от прямого и обратного напряжения изображена на рисунке. Диодный источник тока превращается в обычный диод при смене полярности напряжения, приложенного к его выводам. Это свойство обусловлено тем, что p-n переход полевого транзистора оказывается смещенным в прямом направлении, и ток течет по цепи затвор-сток. Максимальный обратный ток диодного стабилизатора тока может достигать 50 мА, а у некоторых типов и 100 мА. Это свойство позволяет разработать несложный преобразователь синусоидального сигнала в прямоугольный.

Амплитуда выходного сигнала, форма которого близка к прямоугольной, задается напряжением стабилизации стабилитрона. Диодный источник должен обеспечить номинальный ток, необходимый для работы стабилитрона. В файле математической модели Electronics Workbench 5.12, прилагаемом к статье, показана работа преобразователя. Преобразование синусоидального сигнала в треугольный сигнал осуществляет схема, в которой стабилитроны заменены конденсатором.

Удвоенная амплитуда (разность потенциалов между максимумом и минимумом) равняется

I – ток стабилизации диодных источников тока,
t – время изменения напряжения между минимумом и максимумом,
С – емкость конденсатора.

В файле математической модели Electronics Workbench 5.12, прилагаемом к статье, показана работа преобразователя.

Для стабилизации токов порядка ампера применяется схема, силовой элемент которой мощный транзистор. Диодный источник тока стабилизирует напряжение на резисторе 200 Ом и на выводе базы транзистора 2Т819. Изменение сопротивления резистора R1 от 0.2 до 10 Ом изменяет ток, поступающий в нагрузку. С помощью этой схемы можно получить ток, ограниченный максимальным током транзистора или максимальным током источника питания. Выбор диодного источника тока с возможно большим номинальным током стабилизации улучшает стабильность выходного тока схемы. Изменение резистора R1 на 1-2 Ом сильно меняет значение тока. Этот резистор должен быть большой мощности, изменение сопротивления из-за нагрева приведет к отклонению выходного тока от заданного значения. Резистор 200 Ом можно заменить переменным для точной настройки выходного тока или для построения регулируемого источника стабильного тока. Для улучшения стабильности тока транзистор 2Т819 усиливается вторым транзистором меньшей мощности. Транзисторы соединяются по схеме составного транзистора Дарлингтона. При использовании составного транзистора минимальное напряжение стабилизации увеличивается. В файле математической модели Electronics Workbench 5.12, прилагаемом к статье, показана работа мощного источника тока.

Читайте также:  Как рассчитать мощность для постоянного тока

Улучшенным вариантом диодного источника тока является схема на полевом транзисторе с автоматическим смещением, где резистор обеспечивает обратную связь по току и увеличивает обратное смещение затвора, что приводит к работе транзистора на более предпочтительном участке характеристики, расположенном ниже характеристики начального тока стока. По графику выходной характеристики полевого транзистора КП312А видно как можно управлять током насыщения, меняя напряжение между затвором и истоком. Ток, протекающий через схему стабилизации, создает на резисторе напряжение затвор-исток. Изменяя сопротивление резистора можно задать стабилизируемый ток. Включение в цепь истока резистора снижает отклонение стабилизируемого тока до двух процентов.

Схема, обладающая более высокими характеристиками, состоит из двух полевых транзисторов. Транзистор VT1 обеспечивает уменьшение колебаний напряжения на стоке VT2. Транзистор VT1 должен иметь более высокий начальный ток стока, так как в истоковую цепь входит резистор и сопротивление канала VT2. Также большой начальный ток стока необходим для работы транзистора на линейном участке выходной характеристики, находящемся между вертикальной осью тока и пунктирной линией напряжения насыщения. Транзистор VT2 стабилизирует ток через сток-исток транзистора VT1, что не позволяет транзистору VT2 перейти в режим насыщения. Таким образом, транзисторы задают режимы работы друг друга. При увеличении напряжения на полюсах схемы сопротивление канала VT1 возрастает. При увеличении напряжения, приложенного к выводам схемы, сопротивление сток-исток транзистора VT2 возрастает и отрицательное напряжение затвор-исток транзистора VT1 увеличивается по модулю. Сопротивление сток-исток транзистора VT1 возрастает, большая часть напряжения падает на транзисторе VT1. В файле математической модели Electronics Workbench 5.12, прилагаемом к статье, показана работа схемы. Меняя в программе Electronics Workbench 5.12 напряжение источника питания интересно пронаблюдать значение тока и напряжения на транзисторах VT1 и VT2.

Диодные источники тока выпускаются многими производителями полупроводников. Параметры некоторых типов приведены в таблице.

Источник

Простейшие схемы источников питания для различной аппаратуры

Здесь много схем на недорогой элементной базе. Блоки питания, преобразователи и т.п.

1. Схема зарядного устройства от аккумуляторного фонаря (опасно для аккумуляторов)

2. Стабилизатор напряжения на ПТ

3. Источники стабильного тока

4. Источник тока

5. Стабилизатор напряжения

6. Источник тока

7. Двухполюсный источник тока

8. Источники стабильного тока

9. Зарядное устройство

10. Преобразователь напряжения

11. Очень хорошее зарядное устройство

12. Вариант замены высоковольтного стабилитрона

13. Простой индикатор радиационной опасности

14. Зарядное устройство

15. Преобразователь напряжения

16. Источник стабильного тока

17. Аналог стабилитрона

18. Стабилизатор напряжения с ограничением тока — источник тока

19. Стабилизатор напряжения для зарядного устройства на солнечной батарее

20. Компенсация пульсаций в блоке питания

21. Зарядное устройство с питанием от свободной энергии

22. Стабилизатор напряжения на логическом элементе

23. Простой источник стабильного тока

24. Импульсный стабилизатор конденсаторного БП

25. Бестрансформаторный источник питания часов на оптронах

26. Структурная схема конденсаторного преобразователя напряжения с умножением тока

27. Ёмкостный преобразователь напряжения

28. Источник тока на интегральном стабилитроне

Источник

Как разработать прецизионный источник тока на операционных усилителях

В данной статье обсуждается схема источника тока, управляемого напряжением, для которой требуются всего два операционных усилителя и несколько резисторов.

В теории цепей источники напряжения и источники тока одинаково идеальны и одинаково просты в реализации. Вы просто рисуете круг, а затем добавляете знаки плюс и минус для напряжения или стрелку для тока. Теперь у вас есть элемент схемы, который генерирует заданное напряжение во всех условиях или обеспечивает заданный ток во всех условиях.

В реальной жизни источники не идеальны, и, кроме того, приблизиться к теоретическому источнику напряжения значительно проще, чем к теоретическому источнику тока. Источники напряжения бывают простыми, такими как аккумулятор, стабилитрон или резистивный делитель напряжения в сочетании с буфером.

Источники тока, напротив, обычно требуют некоторой продуманной схемы и большего внимания к деталям своей работы.

Архитектуры источников тока

Для создания источника тока существуют различные способы. Прежде чем мы рассмотрим схему с двумя операционными усилителями, давайте кратко рассмотрим некоторые другие варианты. Вы можете узнать обо всех них подробнее, кликнув на соответствующие ссылки.

Рисунок 1 Схема взята из технического описания LT3085 Рисунок 1 – Схема применения LT3085, взята из технического описания LT3085

Другой вариант – схема на основе усилителя, которую я обсуждал в предыдущей статье о том, как разработать простой, управляемый напряжением, двунаправленный источник тока. Схема на основе усилителя отдаленно напоминает схему с двумя операционными усилителями, но один из усилителей представляет собой не операционный усилитель, а измерительный (инструментальный усилитель).

Читайте также:  Методы расчета электрических цепей постоянного тока конспект

Рисунок 2 – Схема источника тока, программируемого напряжением. взята из технического описания LT1102 Рисунок 2 – Схема источника тока, управляемого напряжением. взята из технического описания LT1102

Наконец, у нас есть источник тока Хауленда, который был тщательно проанализирован в статье, написанной доктором Серджио Франко.

Рисунок 3 Схема источника тока Хауленда Рисунок 3 – Схема источника тока Хауленда

Схема с двумя операционными усилителями

Я нашел эту схему, которая описывается как «прецизионный источник ток», в старой заметке к применению от Analog Devices. Она производит ток на двунаправленном выходе, прямо пропорциональный входному напряжению.

Ниже показана принципиальная схема:

Рисунок 4 Схема прецизионного источника тока Рисунок 4 – Схема прецизионного источника тока

В этой схеме мне нравятся несколько вещей. Во-первых, необходимы только два типа компонентов: операционные усилители и резисторы.

Во-вторых, используются операционные усилители одинаковой модели. В этой схеме используются два операционных усилителя, тогда как в источнике Хауленда используется только один. Но тот факт, что оба операционных усилителя могут быть одной модели, является преимуществом, потому что вы можете использовать микросхему с двумя операционными усилителями и тем самым минимизировать любые расходы (дополнительная стоимость и место на плате) для второго операционного усилителя.

В-третьих, четыре из пяти резисторов (R2, R3, R4, R5) могут иметь одинаковые номиналы, и тогда коэффициент усиления по отношению тока к напряжению регулируется только одним резистором (R1). Номинал R2–R5 не является критическим, и поэтому вы можете адаптировать схему к компонентам, которые у вас уже есть в лаборатории. Однако имейте в виду, что резисторы более высокой точности будут давать в результате более точный источник тока.

В-четвертых, входное напряжение дифференциальное. Это дает вам некоторую гибкость в том, как вы подаете управляющее напряжение, и это позволяет вам использовать возможности двунаправленного выхода тока схемы без необходимости генерировать управляющее напряжение, которое находится ниже уровня земли.

Основы работы источника тока с двумя операционными усилителями

Чтобы проанализировать источник тока на двух операционных усилителях, мы будем использовать его реализацию в LTspice.

Рисунок 5 Источник тока на двух операционных усилителях. Схема LTspice Рисунок 5 – Источник тока на двух операционных усилителях. Схема LTspice

Здесь я использую «идеальный однополюсный операционный усилитель» из LTspice. Сначала я попробовал это с OP-77, но симуляция не прошла должным образом. Возможно, возникла проблема с макромоделью OP-77, потому что у меня есть другая версия схемы, в которой используется операционный усилитель LT1001A, и она моделируется правильно.

Схемы источника постоянного тока обычно полагаются на некоторый тип обратной связи, который заставляет источник напряжения вырабатывать заданный ток независимо от сопротивления нагрузки (простой пример этого вы можете увидеть в управляемом напряжением светодиодном драйвере).

В источнике тока с двумя операционными усилителями U1 усиливает дифференциальное управляющее напряжение, а U2 сконфигурирован как повторитель напряжения, который измеряет напряжение на нагрузке и подает его обратно на входной каскад.

Показанная выше конфигурация источников напряжения создает дифференциальное входное напряжение, которое изменяется от +250 мВ до –250 мВ. Согласно уравнению, приведенному в примечании к применению, выходной ток должен изменяться от 2,5 мА до –2,5 мА, поскольку AV = 1 и R1 = 100 Ом, и это именно то, что мы наблюдаем:

Рисунок 6 Зависимость выходного тока от входного дифференциального напряжения Рисунок 6 – Зависимость выходного тока от входного дифференциального напряжения

Одна вещь, на которую вам нужно обратить внимание в этой схеме, – это выходное напряжение U1. Весь ток нагрузки исходит от U1. Если пренебречь очень небольшими токами, которые протекают через резистор обратной связи R4 и на неинвертирующий вход U2, напряжение на выходе U1 будет равно Iвых, умноженному на сумму сопротивления нагрузки и сопротивления R1.

Это напряжение может легко превысить то, что фактически может генерировать выходной каскад операционного усилителя, особенно если вы используете шины ±3 В или ±5 В, а не аналоговые напряжения питания ±12 В или ±15 В, которые, как я полагаю, раньше были более распространены.

Из-за этого ограничения я бы сказал, что источник тока с двумя операционными усилителями является подходящим выбором для приложений с низким сопротивлением нагрузки и/или небольшими выходными токами.

Заключение

Мы кратко рассмотрели схему двунаправленного источника тока, которая имеет разумные требования к перечню элементов и включает в себя входной каскад дифференциального управляющего напряжения. В следующей статье мы будем использовать LTspice для более подробного анализа производительности этой схемы.

Источник

2.06. Транзисторный источник тока

Хотя источники тока не столь известны, они не менее полезны и важны, чем источники напряжения. Источники тока представляют собой прекрасное средство для обеспечения смещения транзисторов, и кроме того, незаменимы в качестве активной нагрузки для усилительных каскадов с большим коэффициентом усиления и в качестве источников питания эмиттеров для дифференциальных усилителей. Источники тока необходимы для работы таких устройств, как интеграторы, генераторы пилообразного напряжения. В схемах усилителей и стабилизаторов они обеспечивают широкий диапазон напряжений. И наконец, источники постоянного тока требуются в некоторых областях, не имеющих прямого отношения к электронике, например в электрохимии, электрофорезе.

Подключение резистора к источнику напряжения. Схема простейшего источника тока показана на рис. 2.20. При условии что Rн » R (иными словами, Uн » U), ток сохраняет почти постоянное значение и равен приблизительно I = U/R. Если нагрузкой является конденсатор, то, при условии что Uконд » U, он заряжается с почти постоянной скоростью, определяемой начальным участком экспоненты, характерной для данной RC-цепи.

Простейшему резистивному источнику тока присущи существенные недостатки. Для того чтобы получить хорошее приближение к источнику тока, следует использовать большие напряжения, а при этом на резисторе рассеивается большая мощность. Кроме того, током этого источника трудно управлять в широком диапазоне с помощью напряжения, формируемого где-либо в другом узле схемы.

Читайте также:  Питание приводов постоянного тока

Упражнение 2.6. Допустим, нам нужен источник тока который бы обеспечивал точность 1% в диапазоне изменения напряжения на нагрузке от 0 до +10 В. Какой источник напряжения нужно подключить последовательно к резистору?

Упражнение 2.7. Допустим, что в предыдущем упражнении требуется получить от источника ток 10 мА. Какая мощность будет рассеиваться на резисторе? Какая мощность передается нагрузке?

Рис. 2.21. Транзисторный источник тока: основная идея.

Какая мощность передается нагрузке? Транзисторный источник тока. Очень хороший источник тока можно построить на основе транзистора (рис. 2.21). 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 = (Uэ — 0,6/Rэ. Так как для больших значений коэффициента h21эIэ ≈ 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).

Смешение в источнике тока. 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. Можно воспользоваться также зенеровским диодом и использовать для смещения источник питания Uкк, а можно взять несколько диодов, смещенных в прямом направлении и соединенных последовательно, и подключить их между базой и соответствующим источником питания эмиттера. На рис. 2.22 показаны примеры схем смещения. В последнем примере (рис. 2.22,6) транзистор p-n-p — типа питает током заземленную нагрузку (он — источник тока). Остальные примеры (в которых используются транзисторы n-р-n — типа.) правильнее было бы называть «поглотителями» тока, но принято называть все схемы такого типа источниками тока. [Название «поглотитель» и «источник» связано с направлением тока; если ток поступает в какую-либо точку схемы, то это источник, и наоборот]. В первой схеме сопротивление делителя напряжения составляет приблизительно 1,3 кОм и очень мало по сравнению с сопротивлением со стороны базы, составляющим ≅100кОм (для h21э = 100). Любое изменение коэффициента β, связанное с изменением напряжения на коллекторе, не повлияет существенным образом на выходной ток, так как соответствующее изменение напряжения на базе совсем мало. В двух других схемах резисторы в цепи смещения выбраны так, чтобы протекающий ток составлял несколько миллиампер, — этого достаточно, чтобы диоды были открыты.

Рабочий диапазон. Источник тока передает в нагрузку постоянный ток только до определенного конечного напряжения на нагрузке. В противном случае источник тока был бы способен генерировать бесконечную мощность. Диапазон выходного напряжения, в котором источник тока ведет себя как следует, называется рабочим диапазоном. Для рассмотренных только что транзисторных источников тока рабочий диапазон определяется из того, что транзистор должен находиться в активном режиме работы. Так, в первой схеме напряжение на коллекторе можно понижать до тех пор, пока не будет достигнут режим насыщения, т. е. до +12 В. Вторая схема, с более высоким напряжением на эмиттере, сохраняет свойства источника лишь до значения напряжения на коллекторе, равного приблизительно + 5,2 В.

Во всех случаях напряжение на коллекторе может изменяться от значения напряжения насыщения до значения напряжения питания. Например, последняя схема работает как источник тока в диапазоне напряжения на нагрузке, ограниченном значениями 0 и +8,6 В. Если в нагрузке используются батареи или собственные источники питания, то напряжение на коллекторе может быть больше, чем напряжение источника питания. При использовании такой схемы рекомендуется следить за тем. чтобы не возник пробой транзистора (напряжение Uкэ не должно превышать значение Uкэпроб — напряжение пробоя перехода коллектор-эмиттер) и не рассеивалась излишняя мощность (определяемая величиной произведения IкUкэ). В разд. 6.07 вы увидите, что для мощных транзисторов область безопасной работы определяется специально.

Упражнение 2.8. В схеме имеются два стабилизированных источника напряжения: +5 и 15 В. Разработайте схему источника тока на основе транзистора n-р-n — типа, которая бы обеспечивала ток +5 мА. В качестве источника напряжения для базы используйте источник +5 В. Чему равен рабочий диапазон в такой схеме?

В источнике тока напряжение на базе не обязательно должно быть фиксированным. Если предусмотреть возможность изменения напряжения Uб, то получим программируемый источник тока. Если выходной ток должен плавно отслеживать изменения входного напряжения, то размах входного сигнала uвх (напоминаем, что строчными буквами мы договорились обозначать изменения) должен быть небольшим, таким, чтобы напряжение на эмиттере никогда не уменьшалось до нуля. В таком источнике тока изменение выходного тока будет пропорционально изменениям входного напряжения.

Недостатки источников тока. Как сильно отличается транзисторный источник тока от идеального? Иными словами, изменяется ли ток в нагрузке при изменении, скажем напряжения, т.е. имеет ли источник тока эквивалентное сопротивление конечной величины (Rэкв 2.06 2.07 2.08 2.09

Источник