Стабилизаторы тока схемы электрические

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 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).

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

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

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

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 A_V = 1 и R1 = 100 Ом, и это именно то, что мы наблюдаем:

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 I_вых, 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.

Стабилизатор тока.

Стабилизатор тока — это полупроводниковый прибор предназначенный для стабилизации тока на необходимом уровне, который обладает достаточно не высокой стоимостью и предоставляет возможность упростить разработку схем для многих электронных приборов.

Идеальный источник тока обладает бесконечно большим внутренним сопротивлением и бесконечно большим ЭДС, что позволяет получить независящий от сопротивления нагрузки требуемый ток в цепи.

Графическое изображение источника тока условно выглядит следующим образом:

Определение идеального источника тока помогает понять рассмотрение теоретических допущений о параметрах источника тока. Ток, который создается идеальным источником тока при изменении сопротивления нагрузки от короткого замыкания до бесконечности, остается постоянным. Значение ЭДС изменяется от величины не равной нулю до бесконечности для поддержания величины тока неизменной. Получить стабильное значение тока позволяет следующее свойство источника тока: ЭДС источника тока при изменении сопротивления нагрузки меняется таким образом, что остается постоянным значение тока.

На необходимом уровне (в ограниченном диапазоне напряжения) реальные источники тока поддерживают ток, который создается с помощью нагрузки и ограниченном сопротивлении нагрузки. Рассматривается идеальный источник, а реальный источник тока может функционировать, когда сопротивление нагрузки нулевое. Сложно реализуемой функцией источника тока или исключением, не является режим замыкания выхода источника тока, это лишь один из тех режимов работы, в который при случайном замыкании выхода может безболезненно перейти прибор, а также он имеет возможность перейти на режим работы с сопротивлением нагрузки больше нуля.

Вместе с источником напряжения применяется реальный источник тока. Поставляющие потребителю электроэнергию источники напряжения – это сеть 220 вольт 50 Гц, бензиновый генератор, лабораторный блок питания, солнечная батарея, аккумулятор. Стабилизатор тока включается последовательно с одним из этих источников. Как источник тока принято рассматривать выход такого прибора.

Представляет собой самый простой стабилизатор тока двухвыводной компонент, который ограничивает протекающий через него электрический ток точностью и величиной соответствующей данным фирмы производителя. В большинстве случаев корпус данного прибора напоминает диод малой мощности. Компоненты этого класса благодаря тому, что у них в наличии всего два вывода и они имеют внешнее сходство, часто в литературе упоминаются как диодные стабилизаторы тока. Однако диоды в их внутренней схеме отсутствуют, только лишь благодаря внешнему сходству закрепилось такое название.

Диодные стабилизаторы тока и их примеры.

Многими изготовителями полупроводников выпускаются и диодные стабилизаторы тока.

Линейный стабилизатор напряжения или тока LM317

• Цена: $1.81 за 10 шт.

• Перейти в магазин

Здравствуйте. Предлагаю вниманию обзор интегрального линейного регулируемого стабилизатора напряжения (или тока) LM317 по цене 18 центов за штуку. В местном магазине такой стабилизатор стоит на порядок больше, поэтому меня и заинтересовал этот лот. Решил проверить, что продаётся по такой цене и оказалось, что стабилизатор вполне качественный, но об этом ниже.
В обзоре тестирование в режиме стабилизатора напряжения и тока, а также проверка защиты от перегрева.
Заинтересовавшихся прошу…

Немного теории:

Стабилизаторы бывают линейные и импульсные.
Линейный стабилизатор представляет собой делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах. При большом отношении величин входного/выходного напряжений линейный стабилизатор имеет низкий КПД, так как большая часть мощности Pрасс = (Uin — Uout) * It рассеивается в виде тепла на регулирующем элементе. Поэтому регулирующий элемент должен иметь возможность рассеивать достаточную мощность, то есть должен быть установлен на радиатор нужной площади.
Преимущество линейного стабилизатора — простота, отсутствие помех и небольшое количество используемых деталей.
Недостаток — низкий КПД, большое тепловыделение.
Импульсный стабилизатор напряжения — это стабилизатор напряжения, в котором регулирующий элемент работает в ключевом режиме, то есть бо́льшую часть времени он находится либо в режиме отсечки, когда его сопротивление максимально, либо в режиме насыщения — с минимальным сопротивлением, а значит, может рассматриваться как ключ. Плавное изменение напряжения происходит благодаря наличию интегрирующего элемента: напряжение повышается по мере накопления им энергии и снижается по мере отдачи её в нагрузку. Такой режим работы позволяет значительно снизить потери энергии, а также улучшить массогабаритные показатели, однако имеет свои особенности.
Преимущество импульсного стабилизатора — высокий КПД, низкое тепловыделение.
Недостаток — бОльшее количество элементов, наличие помех.

Герой обзора:

Лот состоит из 10 микросхем в корпусе ТО-220. Стабилизаторы пришли в полиэтиленовом пакете, обмотанным вспененным полиэтиленом.
Сравнение с наверно самым известным линейным стабилизатором 7805 на 5 вольт в таком же корпусе.

Тестирование:
Подобные стабилизаторы выпускаются многими производителями, вот ссылка на руководство от Texas Instruments.
Расположение ножек следующее:1 — регулировка;
2 — выход;
3 — вход.
Собираем простейший стабилизатор напряжения по схеме из руководства:Вот что удалось получить при 3 положениях переменного резистора:Результаты, прямо скажем так, не очень. Стабилизатором это назвать язык не поворачивается.
Далее я нагрузил стабилизатор 25 Омным резистором и картина полностью преобразилась:
Далее я решил проверить зависимость выходного напряжения от тока нагрузки, для чего задал входное напряжения 15В, подстроечным резистором выставил выходное напряжение около 5В, и выход нагрузил переменным 100 Омным проволочным резистором. Вот что получилось:Ток более 0,8А получить не удалось, т.к. начало падать входное напряжение (БП слабый). В результате этого тестирования, стабилизатор с радиатором нагрелся до 65 градусов:
Для проверки работы стабилизатора тока, была собрана следующая схема:Вместо переменного резистора я использовал постоянный, вот результаты тестирования:Стабилизация по току тоже хорошая.
Ну и как обзор может быть без сжигания героя? Для этого я собрал снова стабилизатор напряжения, на вход подал 15В, выход настроил на 5В, т.е. на стабилизаторе упало 10В, и нагрузил на 0,8А, т.е. на стабилизаторе выделялось 8Вт мощности. Радиатор убрал.
Результат продемонстрировал на следующем видео:

Да, защита от перегрева тоже работает, сжечь стабилизатор не удалось.

Стабилизатор вполне работоспособен и может быть использован как стабилизатор напряжения (при условии наличия нагрузки), так и стабилизатор тока. Также есть множество различных схем применения для увеличения выходной мощности, использования в качестве зарядного устройства для аккумуляторов и др. Стоимость сабжа вполне приемлемая, учитывая, что в оффлайне я могу купить такой минимум за 30 рублей, а в известном российском интернет магазине за 19 рублей, что существенно дороже обозреваемого.

На сём разрешите откланяться, удачи!

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

Схемы подключения стабилизатора напряжения — подробно

Установка стабилизатора напряжения может проводиться как силами Заказчика, так и специалистами компании поставщика, на гарантийные обязательства это не влияет. Поэтому, если вы уверены в своих силах, можете производить подключение купленного стабилизатора напряжения самостоятельно, это не так сложно, как может показаться на первый взгляд.

Существует несколько вариантов включения стабилизатора в электрическую схему, где стабилизированное напряжения будет поступать ко всем потребителям или отдельным группам. Если у вас уже готовая электропроводка, где отсутствует распределительный щит, в таком случае стабилизатор необходимо устанавливать на вводе после электрического счетчика. В случае, когда идет планирование электрической проводки или есть распределительный щит, есть возможность установки стабилизатора для определенных групп потребителей, что позволит значительно сэкономить, отбросив ненужное оборудование. Рассмотрим подробнее варианты подключения стабилизатора и несложные схемы:

1. Схема подключения стабилизатора напряжения # 1

Классическая схема, когда уже существует однофазная проводка, где необходимо поставить нормализатор. Для этого необходимо подобрать место для установки устройства, закрепить его на стене (можно установить на пол или полку). Подключение происходит путем разрыва фазы, концы которой подключаются к соответствующим клеммам устройства. Более детально процесс подключения отображен на рисунке 1.

Схема подключения однофазного стабилизатора (Рис. 1)

NORMIC	SHTEEL	CALMER
220В±4%	220В±2.5%	220В±1%
Лучший выбор для частных домов, квартир, офисов, магазинов и т.д.

2. Схема подключения стабилизатора напряжения # 2

Когда возникает необходимость установить стабилизатор напряжения на отдельные группы потребителей, целесообразно применить схему, изображенную на рисунке 2, где часть потребителей получает напряжения напрямую от распределительно щита, а другая часть – через стабилизатор напряжения.При такой схеме появляется возможность существенно снизить мощность стабилизатора. Отбросив мощные потребители, появляется возможность купить стабилизатор со сниженной номинальной мощностью, благодаря чему произойдет существенная экономия. Но стоит помнить, что защита и стабилизированное напряжения будет распространяться только на те электроприборы, которые подключены к стабилизатору.

Схема подключения однофазного стабилизатора (Рис. 2)

3. Подключение трехфазного стабилизатора напряжения

Подсоединение трехфазных стабилизаторов напряжения практически ни чем не отличается от однофазного варианта, исключением станет лишь то, что в трехфазной сети будет четыре провода (3 — фазы, 1 — ноль). Желательно, чтобы мощность была равномерно распределена между фазами, это существенно снизит нагрузку на стабилизатор при перекосе фаз.

Схема подключения трехфазного стабилизатора (Рис. 3)

4. Общие рекомендации по подключению

Место установки стабилизатора. Для правильной и безопасной работы необходимо выбрать место установки, соответствующее техническим требованиям. Старайтесь избегать установки в пыльных помещениях, а также в тех помещениях, где температура часто выше 40 °С. Помещение должно иметь достаточный объем, чтобы воздух успевал остывать.

Запрещается устанавливать стабилизатор в закрытые ниши и полости, а также в электрические шкафы, где нет вентиляционных отверстий.

Электрический счетчик. Все без исключения стабилизаторы напряжения устанавливаются исключительно после счетчика электроэнергии. Собственная мощность устройства не превышает 20 – 30 Ватт, что является эквивалентом одной энергосберегающий лампы.

Клеммный соединитель. Подключение проводов к стабилизатору происходит путем клеммного соединителя, который является долговечным и надежным проводником. Тщательно производите зачистку концов провода и с усилием зажимайте контакт отверткой. Нелишним будет произвести лужение провода оловом, это сделает контакт надежнее и долговечнее, а также снизит потери.

Перед установкой. Обязательно произведите отключение электрической энергии во избежание поражения электрическим током.

После установки. Когда стабилизатор будет подключен, сначала включите автоматические выключатели на счетчике или в распределительном щите, а только после этого включите стабилизатор. Практически все современные стабилизаторы имеют 2 – 5 секундную задержку при включении.

Схема источника тока на 7805 и других 78xx стабилизаторах

Ни для кого не секрет, как собрать блок питания на стабилизаторах 7805, 7809, 7812 и тд. Но не все знают, что на этих же стабилизаторах можно собрать приличный источник тока. Схема источника тока и стала героем этой статьи.

Так выглядит стандартная схема стабилизатора напряжения на микросхемах серии 78xx. Эти микросхемы настолько популярны, что их выпускает каждая, уважающая себя контора. Обычно в разговоре или на схеме даже опускают первые буквы, характеризующие производителя, указывая просто 7815. Ибо нефиг захламлять схему и сразу ясно, что речь о стабилизаторе напряжения.

Для тех, кто мало знаком с подобными стабилизаторми небольшое видео по сборке «на коленках»:

1. Качество компонентов
2. Схема источника тока на 78xx
3. Выходной ток источника тока на L78
4. Точность тока и выходное напряжение
5. Сопротивление нагрузки
6. Заключение

Качество компонентов

В реальности производитель очень важен. Всегда старайтесь покупать стабилизаторы, да и любые детали от крупных производителей и у проверенных поставщиков. Я лично предпочитаю STMicroelectronics. Их отличает эмблема ST в углу.

Ноунейм стабилизаторы или производства дедушки чаньханьбздюня очень часто имеют значительный разброс значений выходного напряжения от изделия к изделию. На практике встречалось, что стабилизатор 7805, который должен давать 5 вольт выдавал 4.63, либо же некоторые образцы давали до 5.2 вольта.

Ладно бы это, напряжение то он держит постоянным, но проблема еще и в том, что в несколько раз сильнее выбросы, фон и больше потребление самого стабилизатора. Думаю вы поняли.

Схема источника тока на 78xx

Величина тока задается резистором R*, который является нагрузкой для стабилизатора. При этом стабилизатор не заземлен. Заземление происходит только через нагрузку Rн. Такая схема включения вынуждает микросхему пытаться обеспечить в нагрузку заданный ток, путем регулировки напряжения на выходе.

Выходной ток источника тока на L78

Небольшой неприятностью представляется ток покоя Id, который складывается с выходным током. Величина тока покоя указывается в даташите. Для большинства стабилизаторов Эта цифра показывает наименьшее значение выходного тока. Т.е. Получить источник тока с величиной тока менее 8 млА не выйдет.

В идеале из стабилизатора можно выжать токи от 8 мА до 1 А. Однако при токах больше 200-300 мА крайне желателен радиатор. Гнать токи более 700-800 мА в принципе не желательно. Указанный в даташите 1А — это пиковое значение, в реальности стабилизатор скорее всего перегреется. На основании сказанного можно заключить, что диапазон выходных токов составляет 10-700 мА.

Точность тока и выходное напряжение

При этом нестабильность тока покоя составляет Δ I d = 0.5мА. Эта величина определяет точность установки выходного тока. Так же точность задания величины выходного тока определяется точностью сопротивления R*. Лучше использовать резистор, точностью не хуже 1%.

Определенное удобство тут представляет тот факт, что схемы не может выдать напряжение выше заложенного напряжения стабилизации. Например при использовании стабилизатора 7805, напряжение на выходе не сможет превысить 5 вольт. Это бывает критично.

Сопротивление нагрузки

В то же время стоит учитывать сопротивление нагрузки. Например если требуется обеспечить 100 мА через нагрузку сопротивлением 100 Ом, то по закону ома получаем напряжение

V= I*R = 0.1 * 100 = 10 Вольт

Такими нехитрыми подсчетами мы получили величину напряжения, которую требуется приложить к нагрузке в 100 Ом, чтобы обеспечить в ней ток в 100мА. Это означает, что для данной задачи рационально поставить стабилизатор 7812 или 7815 на 12вольт и 15 вольт соответственно, дабы иметь запас.

А вот обеспечить такой же ток, через резистор в 10кОм уже не выйдет. Для этого необходимо напряжение в 100 вольт, что данные микросхемы уже не умеют.

Заключение

Конечно такой источник тока имеет свои ограничения, однако он может пригодиться для подавляющего числа задач, где не требуется особая точность. Простота схемы и доступность компонентов, позволяет на коленке собрать источник тока.

Привет! В этом окошке авторы блогов любят мериться крутостью биографий. Мне же будет гораздо приятнее услышать критику статей и блога в комментариях. Обычный человек, который любит музыку, копание в железе, электронике и софте, особенно когда эти вещи пересекаются и составляют целое, отсюда и название — АудиоГик. Материалы этого сайта — личный опыт, который, надеюсь, пригодится и Вам. Приятно, что прочитали 🙂