Простой способ стабилизации больших токов с малыми потерями на измерительном элементе

В простых схемах стабилизаторов или ограничителей постоянного тока, выполненных полностью на транзисторах без применения операционных усилителей, обычно используются токовые шунты такого сопротивления, что бы при требуемом значении тока на них падало напряжение порядка 0,5 - 0,7 Вольт, достаточное для открывания кремниевого транзистора и начала стабилизации или ограничения протекающего тока. При таких условиях и требуемых токах большой величины на измерительном элементе выделяется довольно большое количество тепла, снижающее конечный КПД устройства и увеличивающее общий нагрев:

Всё это относится к источникам тока импульсного типа, так как на регулирующих элементах устройств, работающих в линейном режиме всегда выделяется значительно большее количество тепла, чем на их измерительных шунтах и погоня за меньшим сопротивлением шунта в таких устройствах не даст большого эффекта. А вот в источниках тока, работающих в ключевом, импульсном режиме, выделение тепла на измерительном элементе превосходит количество энергии, теряющееся на управляющем ключе и составляет основную долю тепловыделения всего устройства, и хотелось бы максимально минимизировать часть энергии, приходящуюся на выделение тепла на токовом шунте.

Единственным способом для этого является использование шунта меньшего сопротивления, но с таким шунтом приходится использовать высококачественные операционные усилители, усложняющие схемотехнику и удорожающие всю конструкцию в целом, ухудшающие температурную стабильность и устойчивость всего устройства, из-за чего часто возникает самовозбуждение и большая зависимость протекающего тока от изменения окружающей температуры:

Предлагается использовать низкоомные токовые шунты с транзисторами для стабилизации больших токов фиксированного значения с применением вольт-добавки определённого значения. Для этого на измерительном транзисторе нужно обеспечить начальное напряжение такого уровня, что бы транзистор оставался закрытым, и начинал открываться при достижении протекающего тока установленного значения. При этом величина начального напряжения вольт-добавки должна быть стабильной и не зависеть от изменения окружающей температуры.

Казалось бы нелёгкая задача обеспечить такие условия простым способом, но эта задача решается очень легко всего одним лишним биполярным транзистором, используя своеобразность вольт-амперной характеристики его p-n перехода БАЗА-ЭМИТТЕР. Нужно соблюсти только два обязательных условия. Этот транзистор должен быть точно таким же, как и измерительный и физически располагаться рядом с ним для максимального равенства температуры их корпусов.

Принципиальная схема предлагаемого узла измерителя протекающего тока на транзисторе с вольт-добавкой изображена на рисунке:

Транзистор T1 является измерительным и определяет превышение протекающего через низкоомный шунт R-shunt тока заданной величины. Цепь на резисторе R3 и переходе БАЗА-ЭМИТТЕР транзистора T2 создаёт стабильную вольт-добавку, включённую для транзистора T1 последовательно с сопротивлением измерительного шунта, и следовательно напряжение этой вольт-добавки суммируется с падением напряжения на шунте. Создаётся именно вольт-добавка, а не смещение, так как измерительный транзистор остаётся полностью закрытым, пока сила тока через шунт, а значит и падение напряжения на нём не достигнет определённого значения, достаточного для открывания транзистора T1. Хотя внешне схема и похожа на токовое зеркало, но здесь используется другой принцип, и не нужно путать и считать это токовым зеркалом.

Температурная стабильность достигается благодаря единству параметров и близостью расположения применённых транзисторов, которые будут находиться в одинаковом тепловом режиме и соответственно падение напряжения на их переходах будет меняться по одному закону и изменение окружающей температуры будет мало влиять на установленный порог измерения тока.

На резисторах R1 и R2 собран делитель суммарного напряжения, обеспечивающий надёжное закрывание транзистора T1 при низком значении протекающего тока через измерительный шунт. Изменением сопротивления резистора R2 в небольших пределах можно подбирать момент выхода измерительного транзистора в рабочую точку и соответственно порог начала ограничения тока нагрузки.

Расчёт элементов схемы следует начинать с сопротивления измерительного шунта, играющего ключевую роль. Задавшись необходимым током нагрузки, будь то светодиод или заряжаемый аккумулятор нужно рассчитать сопротивление шунта так, что бы на нём падало оптимальное напряжение порядка 100 мВ. Чем больше это значение, тем больше будет конечная точность измерения и стабилизации, но при этом увеличивается и выделение тепла:

R_shunt = U_shunt / I_load

• где R_shunt - расчётное сопротивление шунта в миллиомах;
• U_shunt - подставляемое значение падения напряжения на шунте 100 мВ;
• а I_load - требуемый ток нагрузки в Амперах.

Для примера будем производить расчёт для тока 5 А. Тогда понадобится шунт с сопротивлением:

R_shunt = 100mV / 5A = 20 mΩ

и на нём будет теряться мощность всего лишь:

P = 100mV * 5A / 1000 = 0,5W

Далее нужно рассчитать сопротивление резисторов R1 - R3 исходя из требуемой нагрузочной способности и минимального коэффициента усиления транзистора T1. Допустим в рабочем режиме активной стабилизации, для нормального функционирования всего устройства, от этого транзистора требуется ток 10 мА, а его коэффициент передачи тока базы равен 100, что типично для большинства транзисторов малой и средней мощности.

Для обеспечивания такого тока через базу транзистора должен протекать ток:

I_B = I_K / hfe = 10 mA / 100 = 0,1 mA

Из общеизвестных рекомендаций линейного режима работы транзистора, ток через делитель должен превышать необходимый ток базы в 5 - 8 раз, но так как в данном случае в линейной области транзистор работает не всё своё время, то с успехом вполне можно взять наименьшее из этого значения подставив коэффициент 5:

I_R-B = 5 * I_B = 5 * 0,1 mA = 0,5 mA

При использовании кремниевого транзистора на его переходе во время начала протекания тока будет падать напряжение 0,5 В. Следовательно сопротивление базового резистора делителя R1 должно быть:

R1 = U_B / I_R-B = 0,5 V / 0,5 mA = 1 kΩ

Полная формула для расчёта сопротивления данного резистора будет выглядеть следующим образом:

R1 = U_B / I_R-B = 0,5 / ( 5 * I_B ) = 0,5 / ( 5 * I_K / hfe )

R1 = 0,1 / ( I_K / hfe )

• R1 - сопротивление нижнего плеча делителя (кОм);
• I_K - необходимый ток коллектора (мА);
• hfe - коэффициент усиления транзистора.

Сопротивление резистора R2 зависит от нескольких параметров и его предварительный расчёт затруднён. Его нужно будет подобрать опытным путём в зависимости от применённых транзисторов, минимального и максимального напряжения питания и протекающего тока. Теоретически на нём должно падать такое напряжение, что бы транзистор T1 начинал открываться только при приближении протекающего тока к требуемому значению, и оставался закрытым при меньшем его значении. Экспериментально было установлено, что приблизительное сопротивление этого резистора должно быть в 10 раз меньше сопротивления резистора R1 и в данном случае составит 100 Ом:

R2 ≈ R1 / 10

Сопротивление резистора R3 зависит от значения минимального уровня напряжения источника питания, обеспечивающее силу тока через этот резистор в два раза большую силы тока, протекающей через делитель из резисторов R1-R2. Именно так будет обеспечиваться приемлемая стабильность напряжения на транзисторе T2.
В Нашем случае этот ток должен составлять 1 мА. Допустив изменение напряжения источника питания от 12 до 24 В при минимальном значении на этом резисторе будет падать напряжение:

12 - 0,5 = 11,5 В

и его сопротивление должно быть:

11,5В / 1 мА = 11,5 кОм.

Для обеспечивания заданных условий лучше взять резистор меньшего сопротивления из стандартного ряда, а именно 10 кОм.
Формула для расчёта сопротивления этого резистора выглядит следующим образом:

R3 = (U_P-min – 0,5) / (10 * I_K / hfe)

• U_P-min - минимальное напряжение питания (В);
• I_K - необходимый ток коллектора транзистора T1 (мА);
• hfe - коэффициент усиления транзистора T1.

Для демонстрации возможностей идеи в программе “Proteus 8 Professional” была собрана схема стабилизатора тока и произведена симуляция работы. Для возможности корректной симуляции была использована простейшая схема с регулирующим элементом линейного типа. В реальном устройстве с дополнительным усилителем и широтно-импульсной модуляцией параметры будут немного лучше:

Симуляция производилась с изменением питающего напряжения от 12 до 24 В и изменением подключённой нагрузки от 0 (минимальная нагрузка) до 100% (короткое замыкание на выходе). При этом максимальное отклонение тока нагрузки от номинального, наблюдаемое при пониженном напряжении питания, не превышало 26%. Для сравнения в дорогостоящих промышленных образцах высокой точности этот параметр составляет 5 - 7%.

Так же с использованием таблицы "Microsoft Excel" был создан калькулятор, быстро рассчитывающий элементы схемы по исходным параметрам, применяя описанные в статье формулы и принципы. Все эти расчёты являются приблизительными, но их вполне можно использовать для точки отсчёта, и дальнейшим подбором номиналов радиокомпонентов довести работу всего устройства до возможного максимума желаемых параметров и технических характеристик.

По данным симуляции была сделана таблица значений отдаваемого тока при трёх разных сопротивлениях нагрузки и изменении питающего напряжения от 12 до 24В:

По этой таблице были построены графики зависимости I_load от U_P при разных значениях R_load :

Доработка схемы

Так же, учитывая отзывы читателей, был разработан второй вариант схемы, где резистор токового шунта R_shunt включён не до, а после делителя R1-R2:

Это позволило немного увеличить чувствительность, и соответственно общий коэффициент стабилизации конечного устройства при том же сопротивлении шунта. Но пришлось пересчитать значения всех протекающих токов и немного подправить формулы для вычисления элементов схемы.

Допустим в рабочем режиме активной стабилизации, для нормального функционирования всего устройства, от транзистора T1 требуется ток 1 мА, а его коэффициент передачи тока базы равен 100, что типично для большинства транзисторов малой и средней мощности.

Для обеспечивания такого тока через базу транзистора должен протекать ток:

I_B = I_K / hfe = 1 mA / 100 = 0,01 mA

Ток делителя в этот раз был выбран в 10 раз превышающий ток базы, и в данном случае составил:

I_R-B = 10 * I_B = 10 * 0,01 mA = 0,1 mA

При использовании кремниевого транзистора на его переходе во время начала протекания тока будет падать напряжение 0,5 В. Следовательно сопротивление базового резистора делителя R1 должно быть:

R1 = U_B / I_R-B = 0,5 V / 0,1 mA = 5 kΩ

Полная формула для расчёта сопротивления данного резистора будет выглядеть следующим образом:

R1 = U_B / I_R-B = 0,5 / ( 10 * I_B ) = 0,5 / ( 10 * I_K / hfe )

R1 = 0,1 / ( 2 * I_K / hfe )

• R1 - сопротивление нижнего плеча делителя (кОм);
• I_K - необходимый ток коллектора (мА);
• hfe - коэффициент усиления транзистора.

Так как чувствительность была повышена, то сопротивление второго резистора делителя было подобрано в 5 раз меньше первого резистора:

R2 ≈ R1 / 5

Для максимальной температурной стабильности токи баз обоих транзисторов должны быть одинаковыми или очень близки по значению. Так как ток базы транзистора зависит от тока его коллектора, то ток коллектора транзистора T2 должен быть равен току коллектора транзистора T1, что и учтено в формуле для расчёта токозадающего резистора R3:

R3 = (U_P-min – 0,7) / (I_K + (10 * I_K / hfe))

• U_P-min - минимальное напряжение питания (В);
• I_K - необходимый ток коллектора транзистора T1 (мА);
• hfe - коэффициент усиления транзистора T1.

Для демонстрации возможностей доработанной схемы в программе “Proteus 8 Professional” была собрана схема стабилизатора тока и произведена симуляция работы. На этот раз в качестве управляющего был выбран P-канальный полевой транзистор, а напряжение цепи питания измерительного узла было стабилизировано стабилитроном:

По новым данным симуляции была сделана таблица значений отдаваемого тока при изменении питающего напряжения от 12 до 24В. В новой схеме, из за большого коэффициента усиления, отдаваемый ток никак не зависит от изменения сопротивления нагрузки:

Был построен график зависимости, где видно что при изменении питающего напряжения, ток стабилизации меняется незначительно:

Любой желающий может скачать проекты Proteus-а и калькуляторы для обеих версий, и провести симуляцию самостоятельно, при своих условиях. Это было теоретическое представление идеи простого метода стабилизации или ограничения больших токов, где не нужна высокая точность. Данный метод не встречался и не применялся нигде ранее и его описание здесь можно считать уникальным. Самим автором метод долгое время успешно применяется в нескольких практических конструкциях и готовых устройствах, и описание некоторых из них планируется в дальнейших публикациях.

Проект будет дорабатываться и совершенствоваться, и каждый может внести в это дело свой вклад. Пишите свои предложения и замечания, подписывайтесь на статью и следите за новыми публикациями. Так же спасибо всем за уже оставленные отзывы и рекомендации.

Теги:

• Proteus
• Стабилизатор