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.

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

можно установить требуемый ток нагрузки. Обычно для задания входного напряжения

Рис. 1. Функциональная схема источника тока

Рис. 2. Схема простых источников тока

Рис. 3. Схема с использованием ОУ

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 схемотехнике.

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 R_н определяется выражением

не должно превышать значения, определяемого выражением

где U_n - напряжение источника питания, U _хэнас- напряжение насыщения транзистора VT1, R1 -сопротивление датчика тока R1. В этой схеме ток в нагрузке I_н отличается от тока I в датчике тока R1 на величину ошибки, определяемую силами токов в цепи обратной связи, а именно:I_вхОУ D А1тока базы I ₆ транзистора VT1 и входного тока

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:

Где U_н - напряжение источника питания, U_вых ОУ - максимальное выходное напряжение ОУ, U_n ОУ - 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 R„ 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.

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 О.. 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, 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 Z_н и имеют общую цепь обратной

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

остается одно неравенство

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.

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.

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

на неинвер-тирующем входе ОУ DA1 больше напряжения на инвертирующем входе. Выходное напряжение ОУ близко к напряжению питания, транзистор VT1 открыт и через свётодиод 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

. 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.

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 О 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.

Рис. 10. Схема универсального источника 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

где К1, К2, КЗ, К4 -0, 1, 2,... 9 - коэффициенты, устанавливаемые переключателями SA1 - SA4 соответственно. Таким образом, прецизионный задающий узел позволяет дискретно установить задающее напряжение с шагом U₀/9000 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 неинвертирующий 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.

Рис. 11. Печатная плата устройства по рис. 8

Рис. 12. Печатная плата устройства по рис. 9

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.

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.

Порядок настройки . Вначале нужно установить все переключатели в нулевое положение, подстроечные 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.

Рис. 13. Печатная плата устройства по рис. 10

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. И, 1 2 и 13.