Регулируемый стабилизатор постоянного тока

Прибор относится к вторичным источникам электропитания. Такие приборы делятся на две группы: источники тока и источники напряжения. Идеальный источник напряжения имеет бесконечно малое внутреннее сопротивление, а идеальный источник тока бесконечно большое. К источникам напряжения относятся аккумуляторы, батареи, лабораторные блоки питания и обычная розетка 220 В, в данной статье эти приборы рассматриваться не будут. Источники тока применяются для зарядки аккумуляторов, питания электродвигателей, в системах гальванического нанесения покрытий на металлах, создания постоянных магнитных полей, питания сверхярких и лазерных светодиодов. Реальный источник тока поддерживает заданный ток в нагрузке при изменении сопротивления нагрузки от нуля до максимума, изменяя выходное напряжение.

Параметры прибора:

Работу электрической схемы поможет понять математическая модель i.ewb, содержащаяся в приложении файлах проекта. Файл создан в программе Electronics Workbench 5.12. Напряжение на неинвертирующем входе DA3 регулируется в пределах от 0 до 1 В. Ток с выхода операционного усилителя (в дальнейшем ОУ) течёт по цепи: амперметр, нагрузка, резистор R8…R11, моделирующий резисторы в приборе. Его сопротивление 1 Ом, таким образом, величина напряжения на инвертирующем входе ОУ равна величине тока. ОУ стремится свести к нулю разницу на входах между установленным напряжением резистором R5 и напряжением на резисторе R8…R11. При уменьшении сопротивления нагрузки увеличивается напряжение на R8…R11, ОУ реагирует, воспринимая увеличение напряжения на неинвертирующем входе. Уменьшается выходной ток и напряжение на R8…R11 до величины равной установленной на неинвертирующем входе ОУ резистором R5.

После загрузки файла из приложения к статье в программу Electronics Workbench 5.12 установить резистором R5, используя ввод символа "R" и сочетание клавиш "R" и "Ctrl" напряжение в пределах 0…1 В контролируя вольтметром схемы. Амперметр должен показывать ток 0…1 А. Можно убедится, что изменение сопротивления переменного резистора, имитирующего нагрузку не влияет на выходной ток схемы используя ввод символа "L" и сочетание клавиш "L" и "Ctrl".
Работа схемы описывается формулой: I_вых=U_вх/R
где I_вых – выходной стабилизированный ток,
U_вх – напряжение на не инвертирующем входе ОУ,
R – резистор R8…R11.

Схема стабилизатора постоянного тока содержит источники питания, формирующие напряжение ± 30 В, переменные резисторы установки выходного тока R5 и R6, резисторы R8…R11 описаны выше. ОУ DA3 имеет вход R, который при соединении с –30 В устанавливает порог срабатывания ОУ равный 5 А. Резисторы R1-R4 обеспечивают стабильность работы источников питания. Конденсаторы С1 и С2 предотвращают возбуждение схемы.

Соответствие разъёмов: MINI-FIT MF 8-M-R вилка на плату, MINI-FIT MF 8-F розетка на жгут проводов.

Для настройки прибора или изменения параметров подбирается резистор R7 в пределах 30…27 кОм определяющий максимальный выходной ток.
Одним из важных параметров любого источника тока, а в нашем случае стабилизатора постоянного тока, является диапазон сопротивления нагрузки. Идеальный прибор обеспечивает ток в диапазоне сопротивления нагрузки от 0 до бесконечности. В реальности это невозможно, также не следует забывать, что к сопротивлению нагрузки прибавляется сопротивление контактов разъёмов, проводов и других элементов. Свойство источника тока обеспечить работу независимо от сопротивления нагрузки является весьма ценным, т. к. существенно повышает надёжность системы. Платой за это является мощность, выделяемая на выходном элементе. В каждом случае требуется выбрать компромисс между запасом по сопротивлению нагрузки и выделяемым теплом на выходном элементе. Для обеспечения широкого диапазона сопротивлений нагрузки нужно использовать источник питания с возможно большим напряжением. При токе в 100 мА: на нагрузке в 20 Ом напряжение составит 2В, падение напряжения на элементах прибора 28 В при питании 30 В. Мощность 28В*100мА=2,8 Вт выделится на ОУ и R8…R11. При выборе радиатора следует не забывать о простом правиле: "Кашу маслом не испортишь". Уменьшение максимально возможного сопротивления нагрузки позволит уменьшить напряжение питания, что снизит нагрев устройства, снизит размеры радиатора и увеличит КПД. Для получения приведённых параметров схемы ОУ необходимо установить на радиатор не менее 650 см2 .

Прибор не боится короткого замыкания, при этом выходной ток не меняется.
Схема прибора смонтирована на двухсторонней печатной плате, устанавливаемой на металлические стойки. На плате предусмотрены отверстия для крепления радиатора.

Источники питания можно заменить на любые обеспечивающие пульсации не более 50 мВ. Конденсаторы можно использовать керамические или многослойные отечественного или зарубежного производства на напряжение не менее 50 Вольт.

Прибор может обеспечить выходной ток до 5 А при использовании ОУ DA3 типа OPA548T. Указанные в перечне элементов источники питания прибора имеют максимальный выходной ток 1,3 Ампера. Для увеличения выходного тока питание стабилизатора придётся усилить. Для установки нового верхнего предела изменения тока подобрать R7.

Литература:
П. Хоровиц, У. Хилл Искусство схемотехники
http://www.ti.com/
http://www.tracopower.com

Теги:

• Стабилизатор
• Altium Designer
• Electronics Workbench