Стабилизаторы тока

 

       Существует  два основных типа стабилизаторов тока. Один из них допускает произвольное изменение тока до пороговой величины, выше которой прирост потребляемого тока невозможен. Это ограничители тока, полезные в качестве схем защиты. Другой тип стабилизаторов тока поддерживает ток постоянным независимо от больших изменений в сопротивлении нагрузки. Они называются источниками постоянного тока (ИПТ).

       Стабилизация  тока - автоматическое поддержание определенного (заданного) значения тока (преимущественно постоянного) в электрической цепи при изменениях в заданных пределах величины нагрузки. Осуществляют с помощью электронных приборов с резко выраженной нелинейностью вольт-амперной характеристики (бареттеров, диодов и др.) или электронных усилителей с отрицательной обратной связью по току.

       Ограничители  тока обычно основаны на использовании  операционного усилителя или усилителя на транзисторе, воспринимающего напряжение на резисторе, включенном последовательно в цепь выхода. Резистор должен иметь очень малое сопротивление (несколько миллиом при больших токах), в противном случае из-за увеличения последовательного сопротивления стабилизация напряжения будет сильно ухудшаться. Если напряжение на последовательном резисторе превышает   порог, установленный конструктором, то включается усилитель тока.

       Ограничители  тока применяются в основном для  схем защиты. Если вы используете такой ограничитель в источнике питания, то короткие замыкания на выходе не выведут источник из-строя. Это становится особенно важным тогда, когда возможно неправильное обращение с источником питания или он используется для питания электронных схем,    находящихся в стадии разработки (что по существу одно и то же). Еще одно применение — это использование ограничителя тока для защиты электронного оборудования от повреждений. В ряде настольных источников питания, используемых разработчиками и специалистами по эксплуатации, имеется регулируемый ограничитель тока. При этом используется следующий неплохой метод. Уровень ограничения тока устанавливается таким образом, чтобы обеспечить схеме достаточный рабочий ток, но не допустить увеличения потребляемого тока до таких значений, при которых схема будет повреждена. Такая защита особенно желательна тогда, когда в состав оборудования входят дорогие интегральные схемы.

             Существует несколько  подходов к созданию источников постоянного тока. При последовательном соединении источника постоянного напряжения и резистора с сопротивлением, на два порядка превышающим любое возможное изменение сопротивления нагрузки, можно получить псевдо-ИПТ. Ток будет равен: 

                               I_ипт=E/(R_н-R_ипт).    (1) 

       Для примера предположим, что сопротивление  нагрузки изменяется от 1 до 10 кОм (изменение 10:1). Сопротивление ИПТ равно 1 МОм. Полное изменение тока связано с полным изменением сопротивления, которое меньше 1 % :

                                   (2)

       Трудности, связанные с таким подходом, состоят  в том, что при большом токе требуется очень высокое входное  напряжение, причем «большой ток» в данном случае до смешного мал. Например, если требуется ток 1 мкА, а R по-прежнему равно 1 000 000 Ом, то напряжение составляет всего 1 В. А что, если потребуется ток 1 мА?

       Е=IR (закон Ома),   (3)

       Е=0,001××1000000,   (4)

       Е=1000 В.     (5) 

       Использовать такое напряжение в низковольтных схемах, может быть, несколько затруднительно. Кроме того, это, может быть, очень опасно! К счастью, существуют более безопасные и легкие способы создания источников постоянного тока, превосходящие певдо-ИПТ по качеству работы.

                   

            Рис. 1. Схемы источников постоянного тока:

                     а - полевой транзистор с p-n-переходом;

                     б - с резистором;

                     в - диод ИПТ. 

       В качестве источников постоянного тока можно использовать полевые транзисторы с р-n-переходом, если установить величину тока вблизи насыщения. На рис. 1(а и б) показаны два обычных способа создания ИПТ на полевом транзисторе с р-n-переходом.

       На  рис. 1(а) мы видим простейший ИПТ   на транзисторе. Он вырабатывает выходной ток, примерно равный I_dss (I_dss — это обычный параметр полевого транзистора с р-n-переходом).

       Фирма Siliconix и другие фирмы производят диоды ИПТ, условное обозначение которых показано на рис. 1(в), их номиналы лежат в пределах от нескольких микроампер до нескольких миллиампер.

Рис. 2. Активный источник постоянного тока:

        ,  . 

       В некоторых приложениях использование  ИПТ таких типов, жак показанные на рис. 1, оказывается разумным, так как они позволяют добиться максимально возможной простоты конструкции. Как уже упоминалось, один из основных принципов проектирования электронной аппаратуры гласит: «Чем проще - тем лучше».

       Несмотря  на то что эта мысль весьма привлекательна, реализовать ее на практике удается не всегда, так как в некоторых случаях элегантная простота уступает приоритет требованиям точности. В этом случае требуется и большая сложность. К несчастью, простота и точность не всегда совместимы.

       Возможны  несколько подходов к созданию более сложных ИПТ. Одна из схем — простой биполярный ИПТ, показанный на рис. 2. Эта схема отличается от других тем, что она используется скорее для потребления тока, чем для того, чтобы быть источником тока, как другие схемы ИПТ. Показанные на рисунке транзисторы — это дискретные устройства, однако если вместо них использовать двойной транзистор на одном кристалле, то качество стабилизации можно повысить. Хорошим примером таких устройств служит серия МАТ-01 фирмы Precision Monolithics, рассмотренная в главе, посвященной датчикам.

       Транзистор  Q₁ потребляет ток и управляется транзистором Q₂. Постоянный ток — это ток I₁ его значение примерно равно. 0,61/R₁ Ток I₂ — эталонный, он устанавливается примерно равным I₁/10. Для больших токов мы можем использовать трехвыводный стабилизатор напряжения (рис. 3). Эта схема дает выходной ток, примерно равный

        ,    (6)

       где Е_вых — номинальное выходное напряжение, установленное для данного стабилизатора, используемого в качестве устройства U₁. Поскольку такие устройства стабильны, но, как правило, не точны, может возникнуть необходимость подстраивать значение R₁ до тех пор, пока не будет вырабатываться ток требуемой величины. Для этого целесообразно использовать подстроечный потенциометр.

Рис. 3. Использование  трехвыводного стабилизатора  напряжения в качестве источника тока. I₁=E_вых/R₁. 

       Схема рис.3 хорошо работает в диапазоне токов от 5 до 50% номинального значения тока. Вне этих пределов стабильность несколько ухудшается. Кроме того, необходимо иметь в виду, что при работе полупроводниковых устройств в диапазоне от 50 до 100% максимальной мощности может заметно ухудшиться надежность, если не предусмотреть достаточного теплоотвода. Например, трехвыводные стабилизаторы в корпусе ТО-220 могут работать при токе 1 А только при хорошем теплоотводе. Если же такой корпус работает при естественной вентиляции или он установлен на печатной плате без радиатора, то ток должен быть уменьшен до 750 мА.

       Помимо  выходного сопротивления к основным параметрам стабилизаторов тока также является коэффициент стабилизации выходного тока, равный отношению относительного приращения входного тока к относительному приращению тока нагрузки. 

      Основным  параметром стабилизаторов тока, кроме  выходного сопротивления, является коэффициент стабилизации выходного тока, равный отношению относительного приращения входного тока к относительному приращению тока нагрузки, т. е. 

                         .    (7)  

      В маломощных параметрических стабилизаторах тока используются элементы с большим сопротивлением по переменному току, вольт-амперная характеристика которых содержит участок, где ток через элемент не зависит от напряжения на нем. Такую характеристику имеют биполярные транзисторы, включенные с общей базой (см. рис. 4), сопротивление которых переменному току составляет несколько мегаом.

Рис. 4. ВАХ биполярного  транзистора, включенного  с общей базой. 
 

В качестве стабилизатора  тока можно использовать также схему  на полевом транзисторе (рис. 5), в которой стабилизация тока осуществляется за счет действия глубокой отрицательной обратной связи по току, создаваемой Резистором в цепи истока R_и. Падение напряжения на резисторе R_и от протекания тока I_н=I_с равно по абсолютной величине напряжению затвор — исток, т. е.

.  (8) 

Записав R_H= | U_an|/I_c и учитывая, что стоко-затворная характеристика     полевого транзистора описывается выражением 
 

,  (9) 

где — ток стока при ; 
 

Рис. 5. Стабилизатор тока на

полевом транзисторе 

 — напряжение затвор —  исток при отсечке тока ( ) будем иметь 

                               .   (10) 

      Для обеспечения хорошей стабилизации тока сопротивление R_И должно быть по возможности большим, так как при увеличении R_н возрастает внутреннее сопротивление транзистора, определяемое формулой 

                               ,   (11) 

где (при U_зи = const) — дифференциальное сопротивление сток — исток, значение которого лежит в диапазоне 80 — 100 кОм.

Схема стабилизатора тока (рис. 5) является двухполюсником и может быть включена вместо любого омического сопротивления. Эта особенность схемы используется для повышения коэффициента стабилизации параметрического стабилизатора напряжения (см. рис. 6), заменив в нем балластный резистор R_б стабилизатором тока (рис. 5). В этом случае коэффициент стабилизации напряжения может достигать 10⁴. 
 

Литература 

1. Дж. Кар "Проектирование и изготовление электронной аппаратуры", Москва, "Мир", 1986 г. 

       2. В.Т. Белинский, В.П. Гондюл и  др. Практическое пособие по                                                                 учебному конструированию РЭА. – М.: Высшая школа, 1992. – 493с 

3. Г. В. Королев "Электронные устройства автоматики", Москва, "Высшая школа", 1991 г. 

4. Мазель К. Б. «Стабилизаторы напряжения и тока», Ленинград, 1955 г.