Источники стабильного тока.

Стабилизаторы тока

Как видно из схемы (см. рис.4а), схема стабилизатора тока практически не изменилась: по-другому включён стабилитрон и появился новый резистор R₁. Сравним эту схему со схемой (см. рис.2). Регулирующий элемент и усилитель это, как и в схеме, рис. 3, транзистор VT1, источник эталонного напряжения - стабилитрон VD1, датчик регулируемой величины (датчик тока) – R₁. Роль компаратора играет электрическая цепь:база VT1 - стабилитрон VD1 – резистор R₁ – эмиттер VT1.

Принцип работы.

При увеличении тока I_к потребляемого нагрузкой тока на резисторе увеличится падение напряжения. Так как I_э=I_б+I_к, I_к = β · I_б = (10÷1000) · I_б, то можно считать, что I_э= I_к. Согласно второму закону Кирхгофа Δ U_бэ = U_ст-U_бэ0 - U_н напряжение уменьшится, транзистор призакроется и ток в нагрузке уменьшится до номинального. При уменьшении тока в нагрузке процесс протекает аналогично.

а) б) в)

Рис. 4. Стабилизаторы и источники тока.

Часто в электронных схемах используют источники стабильного тока.

Источником тока (в теории электрических цепей) называется двухполюсник, сила тока через которого не зависит от величины нагрузки.

Рассмотри схему рис.4б. Здесь в качестве источника тока используется транзистор VT1. Как известно, динамическое сопротивление (сопротивление переменному току) коллекторной цепи транзистора во много раз выше его статического сопротивления (сопротивление постоянному току). Поэтому достаточно задать положение рабочей точки покоя (режим) транзистора VT1 и источник тока готов. Режим задаётся резистором R₁ и диодом VD1. Диод VD1 необходим для температурной стабилизации точки покоя. Если транзистор кремниевый, то диод тоже должен быть кремниевым VD1.

В схеме (см. рис.4в) для лучшей термостабильности диод VD1 заменён транзистором VT1 той же марки, как и VT2. Такая схема называется «токовым зеркалом».

Мы рассмотрели несколько схем параметрических и компенсационных стабилизаторов напряжения. Все они обладают не высоким КПД.

Встаёт вопрос, как увеличить КПД стабилизатора и уменьшить рассеиваемую регулирующим транзистором мощность.

А если заставить транзистор открываться лишь на время необходимое для зарядки конденсатора сглаживающего фильтра. Уменьшилось напряжение на конденсаторе, открылся транзистор на большее время, увеличилось напряжение на конденсаторе, открылся транзистор на меньшее время. Таким образом, тепло будет рассеиваться не всё время, как у линейного стабилизатора.

В этом случае напряжение на нагрузке будет равно U_ср.н = U_ип ·t_и/T.

Для построения такого стабилизатора необходимо устройство, которое будет преобразовывать напряжение ошибки, поступающее с компаратора, в импульсы переменной длительности (ширины). Такое устройство называют широтно-импульсным модулятором или просто ШИМ.

а) б)

Рис. 5 Упрощённый ШИМ.

Упрощённая схема ШИМ представлена на рис.5. Основой схемы является RC цепочка, которая питается входным напряжением (напряжение на нагрузке). Конденсатор C периодически должен бы заряжаться до U_вх, но он через строго определённое время T разряжается с помощью транзисторного ключа VT1. Транзисторный ключ управляется генератором прямоугольных импульсов ГПИ. В результате на конденсаторе C образуются трапецеидальные импульсы переменной длительности (электронный ключ) t_и. Эти импульсы управляют триггером Шмитта, который преобразует трапецеидальные импульсы в прямоугольные без изменения их длительности. Теперь эти импульсы можно подавать на управляющий транзистор (электронный ключ).

Рис. 6. Импульсный стабилизатор напряжения.

Упрощённа схема импульсного стабилизатора напряжения с использованием ШИМ приведена на рис.6. В этой схеме регулируемым элементом является электронный ключ на транзисторе VT1. Этот ключ управляется модулятором ШИМ. На вход «датчик» подаётся напряжение на R_н. Со входа стабилизатора берётся питание для ШИМ.

Так как транзистор VT1 работает в ключевом режиме (открыт/закрыт), то на его выходе будут присутствовать прямоугольные импульсы, которые сглаживаются LC фильтром. Может возникнуть вопрос - «А зачем все эти сложности, если мы опять вернулись к LC фильтру?»

Дело в том, что частота импульсов ГПИ берётся высокой 5÷100 кГц и величины индуктивности и ёмкости для фильтра получаются малыми, а следовательно и габариты и вес фильтра незначительные.

Следующим шагом явилась мысль – а нельзя ли совместить регулирующий элемент и диоды выпрямителя. Результат управляемые выпрямители.

В управляемых выпрямителях вместо выпрямительных диодов ставятся тринисторы, схема ШИМ подключается к их управляющим выводам и тринисторы открываются не как диоды с начала полупериода, а в строго определённое время, определяемое ШИМ. В результате на нагрузку проходит не вся энергия полупериода, а только её необходимая часть. Получается выпрямитель и стабилизатор в одном блоке.

У такой схемы есть один недостаток, который портит всю картину. Это частота сети 50 Гц. Поэтому дроссель и конденсатор фильтра опять становятся большими и тяжёлыми.

Поэтому в настоящее время применяется следующая схема. Выпрямитель делается на напряжение 220 В, то есть без трансформатора, затем идёт конденсатор фильтра и за ним преобразователь напряжения из постоянного в переменное с использованием ШИМ.

Рис. 7. Импульсный блок питания.

Схема такого блока питания представлена на рис.7. Принцип работы схемы следующий.

После выпрямления мостом на диодах VD1÷VD4 сетевого напряжения на конденсаторе C₁ выделяется напряжение величиной около 300 В. Схема ШИМ начинает генерировать последовательность прямоугольных импульсов, которыми управляется ключ на транзисторе VT1. Проходящие по первичной I обмотке трансформатора импульсы коллекторного тока возбуждают в ферритовом сердечнике трансформатора переменное магнитное поле, которое в свою очередь в обмотке II обратной связи и во вторичной обмотке III возбуждают ЭДС. ЭДС во обмотке используется модулятором ШИМ в качестве напряжения датчика. Это напряжение в блоке ШИМ сравнивается с эталоном и в результате преобразований на выход «управление» поступают прямоугольные импульсы, длительность которых управляет временем открытого состояния ключа на транзисторе VT1. Так поддерживается независимо от колебания напряжения сети или изменения нагрузки постоянное напряжение на сопротивлении нагрузки R_н. Ток вторичной обмотки III трансформатора TV1 выпрямляется диодом VD5 и после LC фильтра поступает на в нагрузку R_н.

Такой блок питания обладает следующими достоинствами: Малые габариты, малый вес, при значительной мощности, отдаваемой в нагрузку. Недостаток: широкополосная помеха, излучаемая в сеть и в окружающее пространство (эфир), трудности экранирования.