Доданий джерело струму
Платон Костянтинович Денисов, г. Симферополь
Ідеальний джерело струму дозволяє отримати струм, що не залежить від опору навантаження. Параметри діодного джерела струму, що обумовлюють область застосування приладу, розглядаються в цій статті.
Для спрощення електричних схем зручно використовувати діодні джерела струму, що представляють собою двохвивідною компонент з низькою вартістю, що встановлюється в ланцюзі схем послідовно з різними компонентами. Таке схемне рішення проблеми стабілізованого струму привертає простотою і підвищенням стійкості роботи розроблюваних схем приладів. Один напівпровідник цього класу, в залежності від типу, забезпечує стабілізацію струму на рівні від 0.1 до 30 міліампер. Терміна і схемного позначення для найменування цих напівпровідникових приладів відповідно до ГОСТ знайти не вдалося. В ілюстраціях до статті довелося застосувати схемне позначення звичайного діода.
Один із прикладів використання - харчування світлодіода. Доданий джерело струму, включений послідовно світлодіоду, забезпечує стабільну і надійну роботу світлодіода. Одна з особливостей діодного джерела струму - робота в діапазоні напруг від 1.8 до 100 В, що дозволяє захистити світлодіод від виходу з ладу при імпульсних зміни напруги підвищує надійність світлодіодного індикатора і розширює діапазон допустимих відхилень харчування. Яскравість і відтінок світіння світлодіода залежать від струму, що протікає. Стабілізація струму харчування світлодіода дозволяє задати необхідний режим роботи з непоганою точністю. За допомогою діодних джерел струму можна побудувати індикатор або освітлювальну лампу, призначену для харчування від мережі змінного струму 220 В. Такий прилад буде мати постійну яскравість світіння при значному падінні напруги живлення. Низька споживана потужність і тривалий термін служби є незаперечними перевагами світлодіодних ламп в порівнянні з лампами розжарювання і газонаповненими освітлювальними приладами.
Застосування резистора в ланцюзі харчування світлодіода для індикації живлення двигуна постійного струму мікродрелі призводило до швидкого виходу індикатора з ладу. Використання діодного джерела струму дозволило отримати надійну роботу індикатора і постійну яскравістю світіння. Необхідний режим можна отримати, змінюючи тип діодного джерела струму, або включаючи 2 - 3 штуки паралельно. Перевищення доданими джерелом струму вартості резистора на кілька центів виправдовує збільшення надійності роботи індикатора.
Проста схема зарядного пристрою акумулятора виходить при паралельному включенні діодних джерел струму.
При харчуванні вхідного світлодіода оптрона через резистор пульсації напруги харчування схеми призводять до коливань яскравості, які накладаються на фронт вхідного прямокутного імпульсу. Напруга живлення схеми завжди містить пульсації. Якщо пульсації напруги живлення 5 В мають рівень 50 мВ, то пульсації напруги на світлодіоді будуть близько 13 мВ.
При великому швидкодії оптрона пульсації напруги харчування приведуть до спотворення інформації, переданої через оптрон.
Застосування діодного джерела струму для харчування світлодіода, що входить до складу оптрона, дозволяє знизити спотворення цифрового сигналу, що передається через оптрон.
Для створення джерела опорного напруги використовуються діодний джерела струму і резистор. Застосування джерела стабільного струму покращує параметри джерела опорного напруги і дає можливість включати джерело опорного напруги в схеми з великими коливаннями напруги живлення. Схема з низьким рівнем шумів і можливістю точно встановити необхідне значення опорного напруги за допомогою змінного опору показана на малюнку.
Вольтамперная характеристика допомагає зрозуміти роботу діодного джерела струму. Режим стабілізації починається при перевищенні напруги 1.8 В на висновках приладу. При напрузі понад 100 В відбувається пробій приладу. Відхилення струму стабілізації від номінального, в залежності від екземпляра приладу, складає ± 10 відсотків. При зміні напруги від 1.8 до 100 В струм стабілізації змінюється на 5 відсотків. Діодні джерела струму, що випускаються деякими виробниками, змінюють струм стабілізації при зміні напруги до 20 відсотків. Чим вище струм стабілізації, тим більше відхилення при зміні напруги. Паралельне включення п'яти приладів, розрахованих на струм 2 мА, дозволяє отримати більш високі параметри, ніж у одного на 10 мА.
Дешеві діодні джерела струму є відібрані по току польові транзистори, у яких затвор з'єднаний з витоком. Узагальнена залежність прямого і зворотного потоку від прямого і зворотного напруги зображена на малюнку. Доданий джерело струму перетворюється в звичайний діод при зміні полярності напруги, прикладеної до його висновків. Ця властивість обумовлена тим, що p-n перехід польового транзистора виявляється зміщеним в прямому напрямку, і струм тече по ланцюгу затвор-стік. Максимальний зворотний струм діодного стабілізатора струму може досягати 50 мА, а у деяких типів і 100 мА. Це властивість дозволяє розробити нескладний перетворювач синусоїдального сигналу в прямокутний.
Амплітуда вихідного сигналу, форма якого близька до прямокутної, задається напругою стабілізації стабілітрона. Доданий джерело повинен забезпечити номінальний струм, необхідний для роботи стабілітрона. У файлі математичної моделі Electronics Workbench 5.12, доданому до статті, показана робота перетворювача. Перетворення синусоїдального сигналу в трикутний сигнал здійснює схема, в якій стабілітрони замінені конденсатором.
Подвоєна амплітуда (різниця потенціалів між максимумом і мінімумом) дорівнює
I - струм стабілізації діодних джерел струму,
t - час зміни напруги між мінімумом і максимумом,
С - ємність конденсатора.
У файлі математичної моделі Electronics Workbench 5.12, доданому до статті, показана робота перетворювача.
Для стабілізації струмів порядку ампера застосовується схема, силовий елемент якої потужний транзистор. Доданий джерело струму стабілізує напругу на резисторі 200 Ом і на виведення бази транзистора 2Т819. Зміна опору резистора R1 від 0.2 до 10 Ом змінює струм, що надходить в навантаження. За допомогою цієї схеми можна отримати струм, обмежений максимальним струмом транзистора або максимальним струмом джерела живлення. Вибір діодного джерела струму з максимальною номінальним струмом стабілізації покращує стабільність вихідного струму схеми. Зміна резистора R1 на 1-2 Ом сильно змінює значення струму. Цей резистор повинен бути великої потужності, зміна опору через нагрівання призведе до відхилення вихідного струму від заданого значення. Резистор 200 Ом можна замінити змінним для точної настройки вихідного струму або для побудови регульованого джерела стабільного струму. Для поліпшення стабільності струму транзистор 2Т819 посилюється другим транзистором меншої потужності. Транзистори з'єднуються за схемою складеного транзистора Дарлінгтона. При використанні складеного транзистора мінімальна напруга стабілізації збільшується. У файлі математичної моделі Electronics Workbench 5.12, доданому до статті, показана робота потужного джерела струму.
Поліпшеним варіантом діодного джерела струму є схема на польовому транзисторі з автоматичним зміщенням, де резистор забезпечує зворотний зв'язок по току і збільшує зворотне зміщення затвора, що призводить до роботи транзистора на більш кращому ділянці характеристики, розташованому нижче характеристики початкового струму стоку. За графіком вихідний характеристики польового транзистора КП312А видно як можна управляти струмом насичення, змінюючи напругу між затвором і витоком. Струм, що протікає через схему стабілізації, створює на резисторі напруга затвор-витік. Змінюючи опір резистора можна задати стабілізується струм. Включення в ланцюг витоку резистора знижує відхилення стабилизируемого струму до двох відсотків.
Схема, що володіє більш високими характеристиками, складається з двох польових транзисторів. Транзистор VT1 забезпечує зменшення коливань напруги на стоці VT2. Транзистор VT1 повинен мати більш високий початковий струм стоку, так як в Істоковий ланцюг входить резистор і опір каналу VT2. Також великий початковий струм стоку необхідний для роботи транзистора на лінійній ділянці вихідної характеристики, що знаходиться між вертикальною віссю струму і пунктирною лінією напруги насичення. Транзистор VT2 стабілізує струм через стік-витік транзистора VT1, що не дозволяє транзистору VT2 перейти в режим насичення. Таким чином, транзистори задають режими роботи один одного. При збільшенні напруги на полюсах схеми опір каналу VT1 зростає. При збільшенні напруги, прикладеного до висновків схеми, опір стік-витік транзистора VT2 зростає і негативна напруга затвор-витік транзистора VT1 збільшується по модулю. Опір стік-витік транзистора VT1 зростає, велика частина напруги падає на транзисторі VT1. У файлі математичної моделі Electronics Workbench 5.12, доданому до статті, показана робота схеми. Змінюючи в програмі Electronics Workbench 5.12 напруга джерела живлення цікаво поспостерігати значення струму і напруги на транзисторах VT1 і VT2.
Діодні джерела струму випускаються багатьма виробниками напівпровідників. Параметри деяких типів приведені в таблиці.
Використовуючи дані таблиці, легко переконається, що з'єднані паралельно 5 компонентів 1N5305 дозволять стабілізувати струм на рівні 10 мА, як і компонент СDLL257, але мінімальна напруга роботи в разі п'яти 1N5305 складе 1.85 В, що важливо для схем з напругою живлення 3.3 або 5 вольт. Компонент 1N5305 доступніший, включення паралельно групи стабілізаторів струму дозволяє знизити нагрів розробляється приладу і, як наслідок, відсунути верхню межу температурного діапазону.
При використанні діодних джерел струму при напрузі більш напруги пробою для збільшення робочої напруги застосовується послідовне включення спільно з паралельно включеними вирівнюючими резисторами. Відхилення струму стабілізації від номінального в цій схемі не перевищує 2%. Мінімальна і максимальна напруга роботи збільшується в кількість разів, яка дорівнює кількості включених послідовно діодних джерел струму.
Звичайний діодний джерело струму при змінах напруги може давати відхилення стабилизируемого струму на 5-20%, більш високими характеристиками володіють джерела струму на операційних підсилювачах, що дозволяють отримати точність стабілізації 0.5% і точніше, але це вже тема зовсім іншої статті.
Прототип JLCPCB: Всього $ 2 за 10 плат розміром 10 × 10 см. Виготовлення за 24 години, доставка службою DHL протягом 3 днів
Хочете отримувати повідомлення про вихід нових матеріалів на сайті?
Підпишіться на розсилку!