Схемы управляемых источников напряжения

Схемы линейного преобразования сигналов

При построении линейных электрических схем кроме пассивных элементов используются идеализированные активные элементы в виде управляемых источников тока и напряжения. Кроме того, применяются идеализированные преобразующие схемы, например, преобразователь отрицательного сопротивления. Ниже рассмотрены основные принципы их реализации.

Источники напряжения, управляемые током

Для точных измерений слабых токов, в цифро-аналоговых преобразователях и в некоторых других устройствах требуется получение напряжения, пропорционального входному току. При этом во многих случаях необходимо, чтобы преобразователь ток-напряжение имел, по возможности, минимальные входное и выходное сопротивления (в идеале – нулевое). Схема источника напряжения, управляемого током, приведена на рис. 7.

Если усилитель идеальный, то i>U_д= 0 и U_вых= –RI_вх. Если коэффициент усиления ОУ K_U конечен, то

(5)

(6)

где R_и – сопротивление источника входного сигнала.

Рис. 7. Источник напряжения, управляемый током

Источник

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Источник тока управляемый напряжением своими руками

Схема источника тока, управляемого напряжением, с использованием операционного усилителя

В цепи источника тока с управлением по напряжению небольшое количество напряжения на входе будет пропорционально контролировать поток тока на выходных нагрузках. Этот тип схемы обычно используется в электронике для управления устройствами, управляемыми током, такими как биполярные транзисторы, симисторы и т.п.. Мы знаем, что в биполярном транзисторе ток, протекающий через базу транзистора, контролирует, насколько транзистор закрыт. Во многих типах схем одним из методов обеспечения такого управления является использование цепи источника тока, управляемого напряжением.

В этом проекте мы объясним, как можно спроектировать источник тока, управляемый напряжением, с использованием операционного усилителя, а также собрать его, чтобы продемонстрировать его работу. Схема очень проста и может быть собрана с минимальным количеством компонентов.

Чтобы понять работу этой схемы, важно знать, как работает операционный усилитель.

На изображении выше показан один операционный усилитель. Усилитель усиливает сигналы, но кроме усиления сигналов он также может выполнять математические операции. Операционный усилитель является основой аналоговой электроники и используется во многих приложениях, таких как суммирующий усилитель, дифференциальный усилитель, инструментальный усилитель, операционный усилитель и т. д.

Если мы внимательно посмотрим на изображение выше, то увидим, что у усилителя есть два входа и один выход. Эти два входа имеют знак + и -. Положительный вход называется неинвертирующим, а отрицательный – инвертирующим. Первое правило, используемое относительно усилителя, заключается в том, что разница между этими двумя входами всегда равна нулю. Для лучшего понимания давайте посмотрим на изображение ниже.

Вышеуказанная схема усилителя является схемой повторителя напряжения. Выход подключен к отрицательному выводу, что делает его усилителем с коэффициентом усиления 1x. Следовательно, напряжение, подаваемое на вход, доступно на выходе.

Как обсуждалось ранее, операционный усилитель производит дифференцирование обоих входов 0. Поскольку выход подключен к входной клемме, операционный усилитель будет генерировать то же напряжение, которое подается на другую входную клемму. Таким образом, если на вход подается 5 В, поскольку выход усилителя подключен к отрицательной клемме, он будет выдавать 5 В, что в конечном итоге подтверждает правило 5 В — 5 В = 0. Это справедливо для всех операций отрицательной обратной связи усилителей. Учитывая то же правило, давайте посмотрим на следующую схему.

Теперь вместо выхода операционного усилителя, подключенного непосредственно к отрицательному входу, отрицательный сигнал обратной связи выводится из шунтирующего резистора, подключенного через N-канальный полевой МОП-транзистор (MOSFET). Выход операционного усилителя подключен через затвор MOSFET. Давайте предположим, что на положительный вход операционного усилителя подается 1 В. Операционный усилитель обеспечит путь отрицательной обратной связи для напряжения 1 В любой ценой. Выход включит МОП-транзистор, чтобы подать 1 В через отрицательный вывод. Правило шунтирующего резистора – создавать падение напряжения по закону Ома, V = IR. Следовательно, падение напряжения 1 В будет происходить, если ток 1 А протекает через резистор 1 Ом. Операционный усилитель будет использовать это падение напряжения и получит желаемую обратную связь 1 В. Теперь, если мы подключим нагрузку, которая требует управления током для работы.

Подробная принципиальная схема источника тока, управляемого напряжением с использованием операционного усилителя, приведена на следующем рисунке.

Чтобы собрать эту схему, нам нужен операционный усилитель. LM358 – это очень дешевый операционный усилитель, и он идеально подходит для этого проекта, однако он имеет два канала операционного усилителя в одном корпусе, но нам нужен только один. На следующем изображении представлен обзор схемы контактов LM358.

Далее нам нужен N-канальный MOSFET, для этого возьмем IRF540N, другие MOSFET также будут работать, но убедитесь, что корпус MOSFET предполагает подключение дополнительного радиатора, если это потребуется, и необходимо тщательно продумать выбор соответствующей спецификации МОП-транзистора по мере необходимости. Распиновка IRF540N показана на следующем изображении.

Третье требование – шунтирующий резистор. Давайте используем в резистор 1 Ом 2 Вт. Требуются дополнительные два резистора, один для резистора затвора MOSFET, а другой резистор обратной связи. Эти два резистора необходимы для уменьшения эффекта нагрузки. Однако падение между этими двумя резисторами незначительно.

Теперь нам нужен источник питания, поэтому возьмем настольный источник питания. В настольном блоке питания есть два канала. Один из них, первый канал используется для подачи питания на схему, а другой канал является вторым каналом, используемым для подачи переменного напряжения для управления источником тока схемы. Поскольку управляющее напряжение подается от внешнего источника, оба канала должны иметь одинаковый потенциал, поэтому клемма заземления второго канала подключается через клемму заземления первого канала. Однако это управляющее напряжение может подаваться от делителя переменного напряжения с использованием любого вида потенциометра. В таком случае достаточно одного источника питания.

Схема собрана на макетной плате для целей тестирования, как вы можете видеть на следующем изображении. Нагрузка не подключена к цепи, чтобы сделать ее почти идеальной 0 Ом (короткое замыкание) для тестирования операции управления током.

Входное напряжение изменяется от 0,1 В до 0,5 В, а изменения тока отражаются в другом канале. Как видно на изображении ниже, вход 0,4 В с нулевым током фактически превращается во второй канал, который потребляет 400 мА тока на выходе 9 В. Схема питается от источника питания 9 В.

Мы можем сказать, что ток через нагрузку (источник тока) равен току через полевой МОП-транзистор, который также равен току через шунтирующий резистор. Учтя это в математической форме, мы получим,что ток источника нагрузки = падение напряжения / сопротивление шунта. падение напряжения будет таким же, как и входное напряжение на операционном усилителе. Поэтому при изменении входного напряжения источник тока через нагрузку также изменится. Следовательно, ток на нагрузке = входное напряжение / сопротивление шунта.

Источник

Источники тока на операционных усилителях.

Схемы генераторов тока, управляемых напряжением, на ОУ и выходными
каскадами на биполярных и полевых транзисторах.

Продолжаем наш тематический вечер, посвящённый схемотехническим исследованиям генераторов стабильного тока, источников тока и иже с ними — стабилизаторов тока.
В повестке дня сегодняшнего радиолюбительского заседания обозначены следующие мероприятия: викторина «Угадай радиодетальку», а также обсуждение схемы источника (генератора) тока, выполненного на интегральном операционном усилителе (ОУ в простонародье).

Базовые схемы генераторов тока на операционных усилителях мы бегло рассмотрели на предыдущей странице вместе с транзисторными источниками. Повторим пройденный материал.

Рис.1

Генераторы тока, изображённые на Рис.1, (инвертирующий слева, неинвертирующий справа) — вполне себе работоспособные устройства, которые являются близкими аналогами идеальных источников тока, и практически лишены недостатков, присущих транзисторным схемам.
Ток через нагрузку с достаточно высокой точностью описывается формулой I_н≈ U_вх/R1.
При включении в качестве Rн конденсатора, приведённые схемы широким фронтом эксплуатируются в формирователях треугольного и пилообразного напряжений.
В отдельных случаях существенным недостатком источников тока, изображённых на Рис.1, является «плавающая», т.е. не подключённая никаким боком к земле или питанию нагрузка. К тому же, по большей части, операционный усилитель не может обеспечить значительных величин токов, поступающих в нагрузку.

Рассмотрим схемы источников тока на ОУ, не имеющих этих недостатков.
Как правило, для получения устойчивого положительного результата, к операционному усилителю присовокупляется дополнительный выходной каскад на биполярном или полевом транзисторе.

Рис.2

На Рис.2 приведены схемы генераторов тока на ОУ с выходными каскадами на биполярном, либо полевом транзисторе и нагрузкой, подключаемой к шине питания.
Пренебрегая входным током ОУ и конечным коэффициентом усиления транзистора, выходной ток составит всё ту же величину I_н≈ U_вх/R1.
На самом деле, коэффициент усиления биполярного транзистора имеет конечное значение, а полная формула тока нагрузки выглядит следующим образом I_н= U_вх×β/[R1(1+β)] .
Это обуславливает некоторую нестабильность выходного тока при изменении сопротивления нагрузки за счёт проявления эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на величину коэффициента передачи тока транзистора).
Проявления этой нестабильности можно уменьшить, если в качестве биполярного транзистора использовать составной транзистор, либо применяя полевой транзистор.
Особенность схем источников тока, показанных на Рис.2, состоит в том, что нагрузка подключается к шине питания.

Рис.3

На Рис.3 приведены источники тока с заземлённой нагрузкой.
Выходной ток здесь описывается уже несколько другой формулой: I_н≈ (Еп-U_вх)/R1 .
Подобная зависимость выходного тока от управляющего напряжения не всегда удобна в практических разработках, поэтому для устранения этого недостатка к схеме можно присовокупить дополнительный преобразователь уровня.

Рис.4

Здесь первый операционник с транзистором n-p-n структуры служит для преобразования уровня входного управляющего напряжения Uвх в значение Eп-Uвх.
Rпр1 и Rпр2, как правило, выбираются одного номинала, величина которого рассчитывается, исходя из входного сопротивления второго ОУ, а также из соображений приемлемого быстродействия при работе источника тока в динамическом режиме (т.е. при подаче на вход импульсного сигнала управления).
Ну и ясен шпунтубель, что всё наше усердие было направлено на получение удобной зависимости I_н≈ U_вх/R1 , а для повышения выходного сопротивления источника тока вместо простого биполярного выходного транзистора следует включить составной или полевой транзистор.

Источник

Источник тока управляемый напряжением с изменением направления тока

Управляемый источник постоянного стабилизированного тока с хорошими динамическими характеристиками, позволяет изменять величину и полярность выходного тока под действием входного управляющего напряжения. Источник может входить в состав различных приборов и систем. Точность соответствия выходного тока входному управляющему напряжению позволяет использовать источник для ответственных применений. Работу источника тока можно пояснить на примере управления светодиодным индикатором.

Применение источника тока для управления светодиодами

Яркость свечения светодиодов удобнее изменять, регулируя ток, протекающий через светодиод, а не напряжение, приложенное к светодиоду. С помощью управляемого источника стабилизированного тока можно осуществить изменение и регулировку яркости свечения обычных или лазерных светодиодов. Сменой полярности можно выбирать группу работающих светодиодов. При одной полярности тока будут светиться светодиоды Н1-Н6, при противоположной полярности светодиоды Н7-Н12. Если светодиоды имеют различный цвет, например Н1-Н6 красные, а Н7-Н12 зеленые, можно осуществить индикацию нормального и критического значения контролируемой величины.

Источник постоянного стабилизированного тока необходим для регулирования величины постоянного магнитного поля. Управляющее напряжение может поступать от цифроаналогового преобразователя специализированного контроллера или другого прибора.

Применение источника тока для управления электродвигателями

С помощью источника постоянного тока, обладающего возможностью менять направление тока, достаточно просто осуществить регулирование скорости вращения и смену направления вращения ротора электродвигателя. Для передачи команды, устанавливающей параметры вращения достаточно одной двухпроводной линии. Вращение в прямом направлении происходит при положительной полярности тока на контакте 1 и отрицательной полярности на контакте 2 выходного разъема источника тока U1.

Реверс двигателя происходит при смене полярности управляющего напряжения и вызванного этим изменением полярности выходного тока. С помощью одного источника меняющего направление тока можно управлять двумя электродвигателями. При положительной полярности выходного тока на контакте 1 протекает ток через диод VD2 и работает электродвигатель М2, при отрицательной полярности тока на контакте 1 протекает ток через диод VD1 и работает электродвигатель М1. Реверс двигателей при такой схеме подключения отсутствует.

Источник тока управляемый напряжением находит применение при передаче аналоговых сигналов. При таком способе организации связи величина тока пропорциональна аналоговой величине. Искажение электромагнитными помехами сигнала, передаваемого током значительно меньше по сравнению с обычным способом передачи сигнала напряжением.

Использование токового сигнала требует установки в передающей и приемной аппаратуре специальных модулей передачи и приема тока. При этом можно исключить цифровое кодирование передаваемых данных. Источник тока управляемый напряжением применяется для плавного управления электромагнитными регуляторами на основе соленоидов в гидравлических системах. На базе управляемого источника тока легко построить универсальный прибор зарядки аккумуляторов разных типов.

Работа источника тока

Ток, генерируемый идеальным источником, стабилен при изменении сопротивления подключенной нагрузки. Для поддержания величины тока постоянной изменяется значение ЭДС источника. Изменение сопротивления нагрузки вызывает изменение ЭДС источника тока таким образом, что значение тока остается неизменным.

Реальные источники тока поддерживают ток на требуемом уровне в ограниченном диапазоне напряжения, создаваемого на изменяющемся сопротивлении нагрузки. Этот диапазон ограничен мощностью электропитания источника тока. Если необходимо поддерживать ток величиной 1 ампер на нагрузке 20 ом, это означает, что на нагрузке будет напряжение 20 вольт. При снижении сопротивления нагрузки или коротком замыкании выходное напряжение будет снижаться, а при увеличении сопротивления нагрузки электропитание должно обеспечить возможность работы при напряжениях выше 20 вольт.

Работа источника тока требует источника электропитания. Последовательно с источником электропитания включается стабилизатор тока. Выход такого прибора рассматривается как источник тока. Параметры электропитания источника тока конечны, это ограничивает максимальное сопротивление нагрузки, которую можно подключить к источнику тока. Для обеспечения надежной работы электропитание должно иметь запас по перегрузке. Ограниченная мощность электропитания ограничивает максимальный ток, который может отдать в нагрузку источник тока.

Источник тока может работать при сопротивлении нагрузки близком к нулю. Замыкание выхода источника тока не приводит к аварии устройства или срабатывании защиты. Если произошло замыкание выхода источника тока вызванное повышенной влажностью, неаккуратным обращением с оборудованием обслуживающего персонала после ликвидации причин замыкания прибор мгновенно возвращается к нормальному режиму работы.

Схема управляемого источника тока

• Напряжение питания………….100…260 В, 47…440 Гц
• Входное напряжение………….±10 В
• Выходной ток………………….± 100 мА
• Сопротивление нагрузки……..0,1…120 Ом
• Температурный диапазон……-50…+75 ±С
• Точность преобразования……0,5 %

Упрощенная схема источника тока

В основе работы схемы находится свойство операционного усилителя изменять выходное напряжение операционного усилителя так чтобы сравнять напряжение на входах благодаря цепям обратной связи. Управляющее напряжение через резистор R1 поступает на инвертирующий вход операционного усилителя и вызывает изменение напряжение на его выходе.

Изменение напряжения на выходе усилителя вызывает протекание тока через резистор R5 и нагрузку. Выходное напряжение через цепи обратной связи поступает на входы операционного усилителя. Сопротивления резисторов имеют величины, обеспечивающие нужную пропорциональность между влиянием на управляющее напряжение и током через нагрузку.

При положительном управляющем напряжении, поступающем на инвертирующий вход операционного усилителя, на его выходе формируется отрицательное напряжение. Через резистор и нагрузку течет ток создающий напряжение на резисторе R5. Потенциал в точке соединения резисторов R3 и R5 ниже, чем в точке соединения резисторов R4, R5 и нагрузки.

Благодаря тому, что суммарное сопротивление резисторов R4 и R5 равняется сопротивлению R3, на выходе усилителя присутствует потенциал, компенсирующий управляющее напряжение на входах операционного усилителя через резисторы обратной связи. Потенциал на выходе усилителя снизится настолько, насколько это необходимо для компенсации действия положительного управляющего напряжения на инвертирующий вход операционного усилителя.

Компенсация действия управляющего напряжения на входы операционного усилителя происходит в зависимости от напряжения на резисторе R5, вызванного протекающим током. Если управляющее напряжение фиксировано, то влияние обратной связи на входы операционного усилителя происходит в зависимости от напряжения на резисторе R5.

Изменение сопротивления нагрузки приводит к изменению потенциала на неинвертирующем входе операционного усилителя через резистор R4. При снижении сопротивления нагрузки снижается потенциал на неинвертирующем входе операционного усилителя и увеличивается напряжение между входами операционного усилителя, что вызывает снижение потенциала на выходе усилителя. При этом на уменьшившемся сопротивлении нагрузки уменьшается приложенное напряжение, не позволяя возрасти току.

Пропорциональность между управляющим напряжением и выходным током устанавливается сопротивлениями резисторов. Сопротивление резистора R5 должно быть малым, через него течет выходной ток, вызывающий нагрев. Уменьшение сопротивления R5, расширяет диапазон сопротивления подключаемых нагрузок. Сопротивления резисторов R1 и R2 равны, значения их выбраны таковыми, что исключают перегрузку источника управляющего напряжения. Сопротивления резисторов вычисляются по следующим формулам:

• U — управляющее напряжение
• I — выходной ток

Одним из важных параметров любого источника тока, а в нашем случае преобразователя напряжение-ток, является диапазон сопротивления подключаемых нагрузок. Идеализированная модель устройства обеспечивает требуемый ток в диапазоне изменения сопротивления нагрузки от 0 до бесконечности.

В реальных устройствах это невозможно и ненужно, так как к сопротивлению нагрузки прибавляется сопротивление проводов, контактов разъемов, и элементов других цепей. Свойство источника тока обеспечить работу системы независимо от сопротивления нагрузки является очень полезным. Благодаря этому свойству повышает надежность системы, в которой участвует источник тока.

Недостатком источника тока является мощность, выделяемая на выходном усилителе. В каждом случае потребуется выбрать компромисс между запасом по сопротивлению нагрузки и выделяемым теплом на выходном усилителе. Для обеспечения широкого диапазона сопротивлений нагрузки приходится использовать электропитание устройства с достаточным запасом по величине напряжения.

Электрическая принципиальная схема источника тока управляемого напряжением
с изменением направления тока

Практическая реализация источника изображена на электрической принципиальной схеме. Для точного соответствия схемы расчетам сопротивления собраны из резисторов, включенных последовательно или параллельно. Выходной усилитель состоит из транзисторов VT1 и VT2. При выходном токе сто миллиампер на нагрузке двадцать ом напряжение составит два вольта, на регулирующем транзисторе падение напряжение примерно 0,6 вольт, на резисторе R5 падение напряжения 0,1 вольт. При питании 15 вольт напряжение на одном из двух транзисторов усилителя составит 15В-2,7В=12,3В, а мощность около 12,3В*100мА=1,23 Вт выделится в виде тепла.

Конденсатор С4 необходим для подавления наводок наведенных на линию, подключенную к управляющему входу устройства, конденсатор С5 предотвращает возбуждение схемы. Конденсатор С1 уменьшает помехи устройства в сеть питания. Питание осуществляется от сети 220 вольт, 50 гц.

Благодаря импульсному преобразователю напряжения DA1 к питанию не предъявляется требований по стабильности напряжения. Автоматический выключатель Q1 выполняет функции тумблера питания и защищает от перегрузки сеть 220 вольт при аварии устройства. Н1 – индикатор наличия питания. Трансил-диод VD1 защищает источник питания от превышения сетевого напряжения выше критического значения. Преобразователь напряжения обеспечивает схему устройства двухполярным питанием, необходимым для работы операционного усилителя и формирования выходного тока двух полярностей.

Компоненты схемы

Позиционное обозначение	Наименование
Конденсаторы
C1	K73-16 0,01 мкФ ± 20%, 630 В
C2, C3	0,47 мкФ-К-1Н-Н5 50 Вольт, ф. Hitano
C4	100 пФ-J-1H-H5 50 Вольт, ф. Hitano
C5	0,47 мкФ-К-1Н-Н5 50 Вольт, ф. Hitano
Резисторы
R1, R2	C2-29B-0,125-101 Ом ± 0.05 %
R3	C2-23-0,25-33 Ом ± 5 %
R4	C2-29B-0,125-101 Ом ± 0.05 %
R5	1 Ом ± 0.01 % Astro 2000 axial ф. Megatron Electronic
R6, R7	C2-29B-0,125-200 Ом ± 0.05 %
R8, R9	C2-29B-0,125-10 кОм ± 0.05 %
Транзисторы и диоды
VT1	TIP3055 ф. Motorola
VT2	TIP2955 ф. Motorola
VD1	Трансил-диод двунаправленный 1.5KE350CA ф. STMicroelectronics
Схемы и модули
H1	Светодиодная коммутаторная лампа СКЛ-14БЛ-220П “Протон”
DA1	Преобразователь напряжения TML40215 ф. TRACO POWER
DA2	Микросхема операционного усилителя OP2177AR
Q1	Автоматический выключатель УкрЕМ ВА-2010-S 2p 4А “Аско”

Конденсатор C1 может быть любого типа. Важное требование, предъявляемое к этому компоненту это уровень рабочего напряжения не ниже 630 вольт. Конденсаторы С2…С5 можно использовать керамические или многослойные. Все резисторы кроме R3 должны иметь максимально возможную точность. Резистор R5 лучше сделать составным из четырех резисторов сопротивлением 1 ом.

Две цепи, состоящие из двух последовательно включенных резисторов по 1 ом, соединяются параллельно. В результате общее сопротивление составляет 1 ом, а рассеиваемая мощность увеличивается в четыре раза. Резистор R5 проволочного типа применять нельзя. Импульсный преобразователь напряжения DA1 можно заменить двухполярным блоком питания, обеспечивающим выходной ток в каждом плече 500 миллиампер и уровень пульсаций не более 50 милливольт.

Для достижения высокой точности преобразования управляющего напряжения в выходной ток операционный усилитель, должен иметь малое напряжение смещение нуля. Особенно это важно для снижения выходного тока до нуля под действием управляющего напряжения. При некотором снижении точности в качестве замены DA1 подойдут микросхемы OP213 или OP177. Применение на выходе схемы мощных транзисторов увеличивает надежность устройства. Транзисторы обязательно устанавливаются на радиаторы.

Схему можно использовать для других выходных токов и управляющих напряжений. Для этого потребуется произвести расчеты по приведенным формулам ранее в статье. При выполнении расчетов следует учитывать возможность применения резисторов из стандартного ряда сопротивлений.

При проверке работы схемы необходимо во всем диапазоне напряжений, токов и сопротивления нагрузки проверить осциллографом отсутствие колебаний на выходе схемы. В случае наличия колебаний увеличить емкость C4 или С5.

Источник