Источники стабильного тока и их применение в радиоаппаратуре


Скачать 136.21 Kb.
НазваниеИсточники стабильного тока и их применение в радиоаппаратуре
Дата публикации30.04.2013
Размер136.21 Kb.
ТипДокументы
userdocs.ru > Математика > Документы
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

П. Иванов, С. Семушин



ИСТОЧНИКИ СТАБИЛЬНОГО ТОКА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В РАДИОАППАРАТУРЕ
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 [1 — 3].

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.



Рис. 1. Функциональная схема источника 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.

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

(1)

где IН — ток в нагрузке, UBX — входное напряжение, ибэ — 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) [1]. 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. 2,6, которое благодаря своей простоте и высокой повторяемости нахо­дит широчайшее применение в интегральной схемотехни-ке [2].



Рис. 2. Схема простых источни­ков тока Рис. 3. Схема с использованием ОУ
Наиболее широко используемой схемой источника тока с применением операционного усилителя (ОУ) является классическая схема, приведенная на рис. 3. В этой схеме регулирующий элемент — транзистор VT1 — управляется ОУ DA1, который стремится уравнять напряжения на своих выводах — инвертирующем и неинвертирующем. При этом сила тока в нагрузке RH определяется вы­ражением

^ Iн = Uвх/R1 (2)

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

Uн = Iн Rн < Uп — Uк max — I R1

I = Iн (3)

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:

АI= Iв— Iвx. (4)

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) Рис. 5. Схема с плаваю­щей нагрузкой
Аналогичными свойствами обладает источник тока, схема которого показана на рис. 4. 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:

^ UHmin> Uп - Uвых0у - Uбэ= Uп - Un0y;

UHmaxкэнас- IR1, (5)

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:

AI = Iвх. (6)

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

Uн mахвыхOУ- Uбэ - IR1 = Un- IR1. (7)



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

^ UHmax< Uвых0у- Uбэ= Un0y. (8)

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.



Рис. 8. Схема с переменным током в нагрузке
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. 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 супер-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 [4], 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

(9)
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

^ UBX+ UH< UвыхОУ = Un;

UBX + UH < IHR6 + IHRH < Un - UK9Hac = Un. (10)

При Uпоу= Un остается одно неравенство

UBX+ UH< Uп. (11)

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 30 В и то­ком коллектора 20...150 мА.



Рис. 9. Схема устройства для зарядки аккумуляторных батарей 7Д-0.115
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 [5, 6]. Извест­ны также способы заряда аккумуляторов асимметричным током [7, 8]. 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 [8]. Это связано с тем, что физико-химические процессы, происходящие в аккумуляторе при зарядке его постоянным и асимметричным токами, различны.

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

(12)

где Ui — напряжение на светодиоде VD2 при заряде батареи. В процессе зарядки напряжение U2 на неинвер­тирующем 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 неинвертирующем 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

(13)

Для батареи 7Д-0,115 напряжение срабатывания ком­паратора устанавливается равным 7Х 1,43 = 10 В. 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.



Рис. 10. 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. Таким образом, с выходов этого делителя можно снять десять опорных напряжений в диапазоне от 0 до U0. Для повышения точности задания нагрузоч­ные резисторы выбраны низкоомными с 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 ОУ DA2 с помощью переключателей SA1 — SA4 любое напряжение от 0 до 1,111 U0 в соответствии с выражением

(14)

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 нецнвертирующий 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.


Рис. 11. Печатная плата устройства по рис. 8



Рис. 12. Печатная плата устройства по рис. 9
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 R4 — R12, R17 — типа С2-1, С2-13 или другие с допуском 0,5...1,0%, а резисторы R13 — R16 — С2-29В, С2-31 с допуском 0,05...0,1%. Резистор R25 можно намо­тать нитрохромовым или константановым проводом диаметром 1,5...2,0 мм или использовать готовый типа С5-8, С5-16.



Рис. 13. Печатная плата устройства по рис. 10
Порядок настройки. Вначале нужно устано­вить все переключатели в нулевое положение, подстроеч-ные 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. 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. 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 16 000...22 000 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.
Литература
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.


ББК 32.884.19 В80


Составитель В. А. Никитин

Рецензенты: А. С. Долгий, Ю. И. Крылов

Редактор М. Е. Орехова Xудожник В. А. Клочков
В помощь радиолюбителю: Сборник. Вып. 104/ В80 Сост. В. А. Никитин. — М.: ДОСААФ, 1989. — 79 с., ил. 30 к.
Приведены описании конструкций, принципиальные схемы и методика расчета их некоторых узлов. Учтены интересы начинающих и квалифицирован­ных радиолюбителей.

Для широкого круга радиолюбителей.
2302020500-036

072(02) — 89 - 6Ф2.9
© Издательство ДОСААФ СССР, 1989
^ Издание для досуга

В помощь радиолюбителю

Выпуск 104

Составитель Вильяме Адольфович Никитин

Художественный редактор Т. А. Хитрова

Технический редактор 3. И. Сарвина

Корректор И. Н. Киргизова

ИБ 3055
Сдано в набор 22.06.88. Подписано в печать 01.03.89. Г-27161. Формат 84Х108 1/32. Бумага книжн.-журн. Гарнитура литературная. Печать офсетная. Усл. п. л. 4,2. Усл. кр.-отт. 4,51. Уч.-изд. л. 3,77. Тираж 800000 экз. (3-й завод: 600001-800000 экз.). Заказ 3335 Цена 30 к. Изд. № 2/Г-516.

Ордена «Знак Почета» издательство ДОСААФ СССР. 129110, Москва, Олимпийский просп., 22. Ордена Трудового Красного Знамени типография издательства Куйбышевского обкома КПСС, г. Куйбышев, просп. К. Маркса, 201.
OCR Pirat

Похожие:

Источники стабильного тока и их применение в радиоаппаратуре iconИмпульсные источники вторичного электропитания в бытовой радиоаппаратуре
Микропроцессорные системы уп­равления внедряются и в электромеханическую бытовую аппара­туру — стиральные машины, холодильники, кондиционеры,...
Источники стабильного тока и их применение в радиоаппаратуре iconЭкзаменационные вопросы по дисциплине «Основы автоматики»
Электромагнитное реле постоянного тока. Устройство, принцип работы и применение в автоматике
Источники стабильного тока и их применение в радиоаппаратуре iconОтличительные черты катализаторов
Химические источники тока. Первичные гальванические элементы, аккумуляторы, топливные элементы
Источники стабильного тока и их применение в радиоаппаратуре iconИсточники оперативного тока на подстанциях
Применяются два вида оперативного гока: переменный на подстанциях с упрощенными схемами и постоянный на подстанциях, имеющих стационарные...
Источники стабильного тока и их применение в радиоаппаратуре icon1. Понятие электрической цепи, электрической схемы, схемы замещения,...
Электрическая цепь  — совокупность устройств, элементов, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы...
Источники стабильного тока и их применение в радиоаппаратуре iconИсследование нелинейных электрических цепей постоянного тока цель работы
...
Источники стабильного тока и их применение в радиоаппаратуре iconПрактическая работа №1 Тема : исследование ципей постоянного тока
Цель: Научится собирать последовательные,параллельные и смешанные цепи постоянного тока правельно подключать приборы для измерения...
Источники стабильного тока и их применение в радиоаппаратуре iconТок, напряжение, мощность и энергия в электрических цепях
Под электрической цепью понимается совокупность электротехнических устройств, предназначенных для прохождения электрического тока,...
Источники стабильного тока и их применение в радиоаппаратуре iconСделай-самовская смесь
Предлагаю читателям журнала повто­рить конструкцию регулятора постоянно­го тока для проведения сварочных работ как обычным электродом,...
Источники стабильного тока и их применение в радиоаппаратуре icon2. Номинальный-это режим на который расчитан источник или приёмник...
Номинальный-это режим на который расчитан источник или приёмник эл-ой энергии хар-ся 3-мя пар-ами номинальные напряж, сила тока,...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2020
контакты
userdocs.ru
Главная страница