Характеристика и параметры тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Источники стабильного тока

2. Схемы источников тока

2.1 Схемы простых источников тока

2.2 Схемы с использованием ОУ

2.3 Схемы с нагрузкой

2.4 Схема устройства для зарядки аккумуляторных батарей

2.5 Схема универсального источника тока

3. Печатные платы устройств

4. Применение источников стабильного тока

Заключение

Список использованных источников



1. Источники стабильного тока

Независимо от конструктивного исполнения любой источник тока состоит из одних и тех же функциональных узлов (рис. 1). Это первичный источник питания, регулирующий элемент, датчик тока и нагрузка. В большинстве конструкций используется также цепь обратной связи, соединяющая датчик тока с регулирующим элементом.

Ток в нагрузке устанавливается изменением параметров цепи обратной связи или датчика тока.

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 током в основной цепи, необходимо учитывать появление погрешностей при установке нужного тока в нагрузке. Однако существуют схемные решения, в которых ток обратной связи протекает как через датчик тока, так и через нагрузку, что компенсирует возникновение ошибки.

Токовое зеркало - генератор тока, управляемый током. Чаще всего выходной ток равен управляющему или отличается от него в целое число раз. Токовое зеркало - это схема, предназначенная для копирования через одно активное устройство, контролируя ток в другом активном устройстве цепи, сохраняя постоянный ток на выходе, независимо от нагрузки. «Копируемый» ток может быть и иногда является переменным током. Концептуально, идеальное токовое зеркало - это просто идеальный инвертирующий операционный усилитель, который также меняет направление тока, или это управляемый током источник тока.

Есть три основные характеристики, которые характеризуют токовое зеркало. Первыми из них являются коэффициент передачи (в случае операционного усилителя) или величина выходного тока (в случае постоянного тока источника). Во-вторых, его выходное сопротивление для переменного тока, которое определяет, насколько выходной ток меняется в зависимости от напряжения, приложенного к зеркалу. Третья спецификация - это минимальное падение напряжения на выходе зеркала, необходимого, чтобы заставить ее работать должным образом. Это минимальное напряжение продиктовано необходимостью поддерживать выходной транзистор зеркала в активном режиме. Диапазон напряжений, в котором работает зеркало, называется диапазоном соответствия, и напряжение, лежащее на разделе между хорошим и плохим поведением, называется диапазоном напряжения. Есть также ряд второстепенных вопросов по работе с зеркалами, например, температурная стабильность.

Простое токовое зеркало обладает одним недостатком: выходной ток несколько изменяется при изменении выходного напряжения, то есть выходное сопротивление схемы не бесконечно. Это связано с тем, что при заданном токе транзистора T1, напряжение Uвэ слегка меняется в зависимости от коллекторного напряжения (проявление эффекта Эрли), иначе говоря, график зависимости коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированном напряжении между базой и эмиттером не является горизонтальной линией. Практически ток может изменяться приблизительно на 25% в диапазоне устойчивой работы схемы. Если же нужен более высококачественный источник тока (чаще всего таких требований не возникает), то подойдёт схема, показанная на рисунке. Эмиттерные резисторы выбраны таким образом, что падение напряжения на них составляет несколько десятых долей вольта, такая схема - гораздо лучший источник тока. Так как в ней изменения напряжения Uвэ, обусловленные изменениями напряжения Uкэ, оказывают пренебрежительно малое влияние на выходной ток. В этой схеме также следует использовать согласованные транзисторы.



2. Схемы источников тока

2.1 Схемы простых источников тока

В качестве регулирующего элемента в практических схемах обычно применяют одиночные или чаще составные транзисторы, в качестве датчика тока - резистор или диод. При выборе точки заземления также исходят из практических соображений.

Рис. 1. - Функциональная схема источника тока:

Для понимания работы источников тока рассмотрим типовые схемы, получаемые из общей функциональной схемы, показанной на рис. 1.

В качестве простейшего источника тока хорошо работает обычный транзистор с резистором в эмиттерной цепи (рис. 2, а). Сила тока в нагрузке определяется выражением:



Где:

IН - ток в нагрузке;

UBX - входное напряжение;

Uбэ - падение напряжения на переходе база-эмиттер транзистора VT1;

R1 - сопротивление датчика тока R1.

Меняя величину UBX, можно установить требуемый ток нагрузки. Обычно для задания входного напряжения с необходимой 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 нагрузке зависит как от сопротивления нагрузки, так и от температуры и параметров транзистора. Тем не менее благодаря своей простоте это устройство часто применяется там, где не требуется высокой стабильности тока в нагрузке. Более стабильно работает устройство, схема которого показана на рис. 2, которое благодаря своей простоте и высокой повторяемости находит широчайшее применение в интегральной схемотехнике.

Рис. 2. - Схема простых источников тока:



2.2 Схемы с использованием ОУ

Наиболее широко используемой схемой источника тока с применением операционного усилителя (ОУ) является классическая схема, приведенная на рис. 3.

Рис. 3. - Схема с использованием ОУ:

В этой схеме регулирующий элемент - транзистор VT1 - управляется ОУ DA1, который стремится уравнять напряжения на своих выводах - инвертирующем и не инвертирующем. При этом сила тока в нагрузке RH определяется выражением:

Для нормальной работы схемы напряжение на нагрузке UH не должно превышать значения, определяемого выражением:



Где:

Un - напряжение источника питания;

Uкэнас - напряжение насыщения транзистора VT1;

R1 - сопротивление датчика тока R1.

В этой схеме ток в нагрузке IН отличается от тока I в датчике тока R1 на величину ошибки, определяемую силами токов в цепи обратной связи, а именно: тока базы Iб транзистора VT1 и входного тока IВХОУ DA1:

Очевидно, что величина ошибки установления требуемого тока в нагрузке тем меньше, чем меньше входной ток ОУ DA1 и чем больше коэффициент усиления транзистора VT1. По этой причине на практике в качестве регулирующего элемента обычно применяются составные транзисторы.

Рис. 4. - Схема с использованием ОУ (II вариант):

2.3 Схемы с нагрузкой

Аналогичными свойствами обладает источник тока, схема которого показана на рис. 4.



Рис. 5. - Схема с плавающей нагрузкой:

Это устройство также описывается выражениями (2-4) и отличается лишь направлением тока. Основной недостаток здесь по сравнению с классической схемой заключается в дополнительном ограничении на минимальное и максимальное напряжения на нагрузке:

Где:

Un - напряжение источника питания;

UBbIx0y - максимальное выходное напряжение ОУ;

Un0y - напряжение питания ОУ.

Еще одним вариантом источника тока является схема с плавающей нагрузкой, приведенная на рис. 5. Сила тока в нагрузке здесь также определяется выражением (2).

Так как нагрузка RH включена последовательно с датчиком тока R1, то на ошибку устанавливаемого тока не влияет ток базы транзистора VT1 и она определяется лишь очень малым входным током ОУ DA1:



Недостатком этой схемы, подобно схеме рис, 4, является ограничение на величину максимального напряжения на нагрузке, определяемую неравенством:

Рис. 6. - Схема с заземленной нагрузкой:

Рис. 7. - Схема с полевым транзистором:

Кроме того, в ряде применений оказывается неудобным то обстоятельство, что оба вывода нагрузки оторваны и от земли и от шин питания.

На схему с плавающей нагрузкой очень похожа схема с заземленной нагрузкой (рис. 6). В этой схеме ток в нагрузке определяется выражением (2), а ошибка его установления - выражением (4).

Наличие возможности заземления нагрузки является существенным преимуществом данного устройства. Максимальное напряжение на нагрузке ограничено неравенством:

В качестве регулирующего элемента можно применить полевой транзистор. Это позволит уменьшить ошибку, связанную с входным током регулирующего элемента.

Такая схема приведена на рис. 7. Здесь также ток в нагрузке определяется выражением (2), а ошибка установления его значения, определяемая входным током ОУ - выражением (6).

Существенный недостаток данной схемы связан с тем, что крутизна полевого транзистора примерно на порядок ниже крутизны биполярного транзистора.

Это вынуждает значительно увеличивать управляющее напряжение на затворе регулирующего элемента VT1, которое, как было показано выше, ограничено выходным напряжением ОУ DA1.

Кроме того, применение полевого транзистора существенно уменьшает коэффициент передачи в цепи обратной связи и ухудшает в целом температурную стабильность источника тока, что приводит к увеличению ошибки устанавливаемой силы тока нагрузки.

Сравнив описанные выше схемы с применением ОУ и имея в виду применение ОУ с малыми входными токами, приходим к выводу, что наиболее точно силу тока в нагрузке можно получить в схеме рис. 5.

Рис. 8. - Схема с переменным током в нагрузке:

Во всех источниках тока, кроме схемы рис. 3, имеются жесткие ограничения, накладываемые на величину напряжения на нагрузке, связанные с максимальным выходным напряжением ОУ.

В схеме рис. 3 можно получить любое требуемое напряжение на нагрузке путем соответствующего выбора напряжения питания нагрузки Un. При этом нужно учитывать лишь одно ограничение - максимально допустимое коллекторное напряжение транзистора VT1.

Во всех схемах источников тока с ОУ для обеспечения нормальной работы ОУ и для повышения точности установки выходного тока необходимо в качестве регулирующего элемента использовать бета или составные транзисторы.

В ряде случаев требуется сформировать в нагрузке ток, переменный как по величине, так и по направлению. Для таких применений хорошо работает схема, приведенная на рис. 8.

Эта схема, как и все предыдущие, может быть получена из общей функциональной схемы рис. 1 при условии, что два одинаковых источника тока - один для тока положительной полярности.

А другой для отрицательной - работают на общий датчик тока (резистор R6) и общую нагрузку с комплексным сопротивлением ZH и имеют общую цепь обратной связи.

В этой схеме выходной ток IН в точности повторяет форму входного напряжения UBX и определяется выражением:

При указанных на схеме номиналах источник тока преобразует входное напряжение от -10 до +10 В в ток от -10 до +10 мА. Для достижения высокой точности преобразования нужно использовать резисторы Rl - R6 с допуском не более 1%. Недостатком приведенной схемы являются жесткие ограничения на величину выходного напряжения, связанные с максимальным выходным напряжением ОУ и определяемые неравенствами:

В этой схеме можно использовать практически любые ОУ с соответствующими цепями коррекции.

Следует только учитывать, что более высокая точность преобразования напряжения в ток получается при использовании ОУ с малыми входными токами и малыми напряжениями смещения.

В качестве регулирующих транзисторов VT1 и VT2 можно взять любые маломощные транзисторы с максимальным коллекторным напряжением более 30В и током коллектора 20-150 мА.

2.4 Схема устройства для зарядки аккумуляторных батарей

Одним из применений источников тока является заряд аккумуляторных батарей. Такой источник должен обеспечивать ток, равный 0,1 от емкости заряжаемой батареи, и продолжительность зарядки 14-15 ч.

Известны также способы заряда аккумуляторов асимметричным током. Однако, несмотря на ажиотаж, поднятый вокруг них в литературе, они пока не получили широкого распространения, так как там требуется индивидуальная зарядка каждого из аккумуляторов батареи и сложные методы контроля их степени заряженности по температуре, напряжению, давлению или другим признакам. Это связано с тем, что физико-химические процессы, происходящие в аккумуляторе при зарядке его постоянным и асимметричным токами, различны.

Рис. 9. - Схема устройства для зарядки аккумуляторных батарей 7Д-0.115:

Рассмотрим устройство для зарядки аккумуляторных батарей типа 7Д-0,115 (рис. 9). Схема позволяет заряжать батарею постоянным током 11,5 мА, а по окончании зарядки автоматически отключается. Кроме того, есть защита от короткого замыкания в нагрузке.

Устройство представляет собой простейший источник тока (см. рис. 2, а) и включает дополнительно ИОН на светодиоде HL1 и автоматическую схему отключения тока по окончании зарядки, которая выполнена на стабилитроне VD1, компараторе напряжения на ОУ DA1 и ключе на транзисторе VT1. Сила зарядного тока (11,5 мА) устанавливается резистором R7 в соответствии с выражением:

Где:

Ui - напряжение на светодиоде VD2 при заряде батареи.

В процессе зарядки напряжение U2 на не инвертирующем входе ОУ DA1 больше напряжения на инвертирующем входе. Выходное напряжение ОУ близко к напряжению питания, транзистор VT1 открыт и через светодиод течет ток около 10 мА. При зарядке батареи напряжение на ней растет, соответственно растет напряжение на инвертирующем входе ОУ DA1. Как только оно превысит напряжение на не инвертирующем входе, компаратор переключится в другое состояние, закроются транзисторы VT1, VT2, VT3, погаснет светодиод VD2 и прекратится зарядка аккумулятора. Предельное напряжение, при котором прекращается зарядка батареи, устанавливается резистором R2 согласно выражению:



Для батареи 7Д-0,115 напряжение срабатывания компаратора устанавливается равным 7Х1,43 = 10В.

Во избежание неустойчивой работы компаратора в зоне нечувствительности можно установить резистор, показанный штриховой линией, сопротивлением 100 кОм. Схема пригодна и для других типов аккумуляторов. В соответствии с необходимым током нужно лишь подобрать сопротивление резистора R7 согласно выражению (12) и, возможно, более мощный транзистор VT3. Для целого ряда применений может оказаться полезным универсальный источник постоянного тока, изготовленный авторами. Его схема приведена на рис. 10. Устройство позволяет получать токи в нагрузке от 1 мА до 6 А, а при незначительном изменении параметров схемы, как будет показано далее, и до 9,999 А.

Устройство содержит следующие основные узлы: ИОН, мощный генератор выходного тока, прецизионный задающий узел, а также блок питания и контрольно-измерительные приборы. Мощный генератор выходного тока, формирующий ток в нагрузке, построен на базе высокоточного ОУ по классической схеме. Регулирующий элемент выполнен на транзисторах VT2 и VT3, включенных по схеме Дарлингтона.

2.5 Схема универсального источника тока

ИОН выполнен на высокоточном ОУ DA1 и транзисторе VT1. Он представляет собой повторитель напряжения, выход которого нагружен на ряд одинаковых, последовательно соединенных прецизионных резисторов R4-R12. На вход повторителя приходит постоянное напряжение Uo, поступающее с выхода двухступенчатого параметрического стабилизатора напряжения на опорных диодах VD1 и VD3 серии Д818Е и КС515А через делитель на резисторах Rl-R3. На каждом из 9 нагрузочных резисторов R4-R12 падает одинаковое напряжение, равное U0/9.

Рис. 10. - Схема универсального источника тока:

Таким образом, с выходов этого делителя можно снять десять опорных напряжений в диапазоне от 0 до U0. Для повышения точности задания нагрузочные резисторы выбраны с низким допуском 0,5-1,0%.

Выходные сигналы ИОН формируют в задающем узле напряжения управления мощным генератором выходного тока.

Прецизионный задающий узел представляет собой сумматор, выполненный на высокоточном ОУ серии К140УД14А. Он обеспечивает суммирование опорных напряжений, снимаемых с делителя R4-R12 с весами 1/1, 1/10, 1/100, 1/1000. Это позволяет установить на выходе ОУDA2 с помощью переключателей SA1 - SA4 любое напряжение от 0 до 1,111U0 в соответствии с выражением:

Где:

К1, К2, КЗ, К4-О, 1, 2, 9 - коэффициенты, устанавливаемые переключателями SA1 - SA4 соответственно.

Таким образом, прецизионный задающий узел позволяет дискретно установить задающее напряжение с шагом Uo/9000. Для высокой точности суммирования резисторы сумматора должны иметь допуск 0,05-0,1% и сопротивление значительно большее, чем у резисторов ИОН. Такое построение задающего узла обеспечивает простоту и высокую точность установки при минимальном количестве деталей. При подаче задающего напряжения на вход мощного генератора выходного тока ток в нагрузке устанавливается в соответствии с выражением (2).

Генератор выходного тока является классическим источником тока с усилителем мощности, выполненным на транзисторах VT2, VT3. Резистор R25 выполняет функции датчика тока ОУ DA3 и сравнивает задающее напряжение, поступающее на не инвертирующий вход, с напряжением обратной связи, приходящим на инвертирующий вход, стремясь их выровнять. Выравнивание осуществляется за счет воздействия на базу составного транзистора, который работает в линейном режиме. Изменения базового тока вызывают соответствующие изменения тока эмиттера и коллектора до тех пор, пока напряжение обратной связи, выделенное на R25 и строго пропорциональное току в силовой цепи, не сравняется с задающим напряжением.

Блок питания должен обеспечивать два напряжения: 17-20 В при токе 0,3-0,5 А и 27-30 В при токе до 6 или 10 А.

Для контроля тока и напряжения на нагрузке используются стрелочные приборы РА1 и PV1. Ток полного отклонения вольтметра не должен превышать 100 мкА во избежание ошибки установления тока нагрузки, особенно на нижней границе диапазона.



3. Печатные платы устройств

В предложенной схеме желательно использовать высококачественную элементную базу, которая является залогом высокой точности и надежности устройства. Если же отказаться от задачи создания широкодиапазонного прибора, можно применить любые имеющиеся ОУ и резисторы. Транзисторы желательно использовать кремниевые, особенно если устройство будет эксплуатироваться преимущественно с большими токами или при повышенных температурах. Транзистор VT3 необходимо установить на радиаторе с площадью поверхности не менее 1000 см².

Резисторы R4R12, R17 - типа С2-1, С2-13 или другие с допуском 0,5-1,0%, а резисторы R13R16, С2-29В, С2-31 с допуском 0,05-0,1%. Резистор R25 можно намотать хромовым или константановым проводом диаметром 1,5-2,0 мм или использовать готовый типа С5-8, С5-16.

Рис. 11. - Печатная плата устройства по рис. 8:

Порядок настройки. Вначале нужно установить все переключатели в нулевое положение, подстрочные резисторы R2, R19 - в среднее положение. Подключить резистор нагрузки сопротивлением 100-300 Ом.

Включить питание и установить резистором R2 напряжение на эмиттере VT1 около 4,5 В.



Рис. 12. - Печатная плата устройства по рис. 9:

Резистором R19 сбалансировать ОУ DA3, установив на его выводе 6 напряжение, равное нулю. Затем подключить нагрузочный резистор известного сопротивления около 10 Ом. Установить переключатели в положение «1 А» и выставить этот ток в нагрузке резистором R2, контролируя ток и напряжение по приборам. Затем установить переключателями ток 1 мА, подключить нагрузочный резистор 1 кОм и уточнить силу тока в нагрузке резистором R19.



Рис. 13. - Печатная плата устройства по рис. 10:

После этого проверяется изменение тока по диапазону и в случае необходимости уточняется резисторами R2 и R18. Если нет ошибок в монтаже, настройка на этом заканчивается.

При работе с токами свыше 6 А для повышения надежности и улучшения эксплуатационных характеристик необходимо провести следующие изменения.

Уменьшить сопротивление резистора R25 до 0,1-0,2 Ом, чтобы уменьшить падение напряжения на нем и, следовательно, рассеиваемую мощность. Его желательно изготовить из отрезка константанового провода, имеющего малый температурный коэффициент сопротивления. Подключить параллельно транзистору VT3 второй такой же, увеличив площадь радиатора до 2000 см². При этом следует учесть все общие рекомендации по параллельному включению транзисторов.

Суммарную емкость конденсаторов желательно увеличить до 16000-22000 мкФ. Кроме этого, необходимо установить резистор R1 сопротивлением 10 кОм и R3 сопротивлением 820 Ом, чтобы выставить напряжение на эмиттере VT1 равным 0,8-2,0 В.

Чертежи печатных плат источников тока, показанных на рис. 8, 9 и 10, приведены соответственно на рис. 11. 12 и 13.



4. Применение источников стабильного тока

Источники стабильного тока применяются, когда нужно обеспечить заданный ток вне зависимости от напряжения и сопротивления нагрузки. Источник (генератор) тока обладает большим дифференциальным сопротивлением. Это означает, что сила тока через генератор тока в рабочем режиме мало зависит от напряжения на нем. В идеале дифференциальное сопротивление источника тока должно быть равно бесконечности, то есть ток не должен зависеть от напряжения. Реальные источники тока обладают дифференциальным сопротивлением от 1 МОм.

Для смещения и стабилизации режимов ИС широко используют генераторы стабильного тока (ГСТ):

- для стабилизации режимов и в качестве активной нагрузки усилительных каскадов; ток транзистор аккумуляторный

- в качестве ИП эмиттеров Т дифференциальных усилителей;

- в интеграторах, генераторах пилообразного напряжения и т. д.

Под ГСТ понимают двухполюсник, ток через который практически не зависит от приложенного напряжения.



Заключение

В современной схемотехнике, особенно в интегральном исполнении, в качестве нагрузок широко используют источники тока или, как их ещё называют, генераторы стабильного тока (ГСТ). Для получения активных источников тока в качестве динамической нагрузки чаще всего используют отражатели тока (ОТ) - токовое зеркало.

Токовое зеркало используется для смещения токов и питания активных нагрузок в цепях. Токовые зеркала на транзисторах чрезвычайно широко используются в аналоговых интегральных схемах благодаря своей простоте (требуются всего два согласованных транзистора) и эффективности. Токовые зеркала обычно используются для того, чтобы «скопировать» один управляющий ток на множество каскадов, и тем самым задать их ток покоя.



Список использованных источников

1. Xоровиц П., Xилл У. Искусство схемотехники. - М.: Мир, 1983, т. 1, 598 с.

2. Шило В.Л. Линейные интегральные схемы. - М: Сов. радио, 1979, 366 с.

3. Сему шин С.Г. Источники тока и их применение. - Радио, 1978, №1, №2.

4. Кельвин Ших. Биполярный преобразователь напряжения з ток. - Электроника, 1979, №10, с. 66-67.

5. Electronics & Wireless World, July, 1985, p. 60-63.

6. Кромпгон Т. Вторичные источники тока. - М.: Мир, 1985, 304 с.

7. Electronics & Wireless World, July, 1985, p. 36-39.

8. Теньковцев В.В., Центер Б.И. Основы теории и эксплуатации герметичных кадмий никелевых аккумуляторов. - Л.: Энергоатомиздат, 1985.

9. Xун Трунг Xунг. Автоматическое зарядное устройство для Ni-Cd аккумуляторов. - Электроника, 1982, №14, с. 62-63.

Размещено на Allbest.ru