Главная » Питание
Призовой фонд
на декабрь 2019 г.
1. 1000 руб
Паяльник
2. 100 руб.
От пользователей

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:

Пример классической схемы

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:

Схема с операционным усилителем

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:

Узел измерителя протекающего тока на транзисторе с вольт-добавкой

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:

Rshunt = Ushunt / Iload

  • где Rshunt - расчётное сопротивление шунта в миллиомах;
  • Ushunt - подставляемое значение падения напряжения на шунте 100 мВ;
  • а Iload - требуемый ток нагрузки в Амперах.

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

Rshunt = 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:

IB = IK / 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:

IR-B = 5 * IB = 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 = UB / IR-B = 0,5 V / 0,5 mA = 1 kΩ

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

R1 = UB / IR-B = 0,5 / ( 5 * IB ) = 0,5 / ( 5 * IK / hfe )

R1 = 0,1 / ( IK / hfe )

  • R1 - сопротивление нижнего плеча делителя (кОм);
  • IK - 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 = (UP-min – 0,5) / (10 * IK / hfe)

  • UP-min - минимальное напряжение питания (В);
  • IK - 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:

Схема в программе “Proteus 8 Professional”

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:

Таблица значений отдаваемого тока

 

По этой таблице были построены графики зависимости Iload от UP при разных значениях Rload :

Графики зависимости Iload от UP

 

Доработка схемы

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

Доработанная схема измерительного узла

 

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:

IB = IK / 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:

IR-B = 10 * IB = 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 = UB / IR-B = 0,5 V / 0,1 mA = 5 kΩ

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

R1 = UB / IR-B = 0,5 / ( 10 * IB ) = 0,5 / ( 10 * IK / hfe )

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

  • R1 - сопротивление нижнего плеча делителя (кОм);
  • IK - 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 = (UP-min – 0,7) / (IK + (10 * IK / hfe))

  • UP-min - минимальное напряжение питания (В);
  • IK - 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:

Вариант доработанной полной схемы устройства

 

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:

Таблица значений отдаваемого тока

 

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

Графики зависимости Iload от UP

 

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.

 

Прикрепленные файлы:

Теги:

Опубликована: Изменена: 24.10.2019 0 3
Я собрал 0 Участие в конкурсе 1
x

Оценить статью

  • Техническая грамотность
  • Актуальность материала
  • Изложение материала
  • Полезность устройства
  • Повторяемость устройства
  • Орфография
0

Средний балл статьи: 4.7 Проголосовало: 1 чел.

Комментарии (28) | Я собрал (0) | Подписаться

0
Публикатор #
На форуме автоматически создана тема для обсуждения статьи.
Ответить
0
mva #
Данный метод не встречался и не применялся нигде ранее и его описание здесь можно считать уникальным
- Я этим методом четверть века назад пользовался. А описан он был еще раньше. Не помню точно, но скорее всего в журнале "Радио"
Ответить
0

[Автор]
andro #
А что же не поделились с другими?
Ответить
0
Критик #
Теория в норме, но 5-выводной Ор-амр меньше места занимает, да и при автоматической сборке дешевле встанет.
И еще, общее тепловыделение такая схема не изменит, тут нужен импульсный источьник тока.
Ответить
0

[Автор]
andro #
Импульсный источник - это обязательное условие.
Ответить
+1
diogen_b #
Автор и указывает основную область применения импульсные ИТ. Насчет ОУ тоже не так все очевидно - есть сборки из двух транзисторов в одном корпусе (термостабильность будет лучше), а без нескольких резисторов обвязки не обойдется и ОУ. Так что, думаю, схема вполне актуальна.
Ответить
+2
diogen_b #
Стабильность по входному напряжению, думаю, можно значительно увеличить "рабив" R3 на два по 5.1 кОм и соединив среднюю точку с землей стабилитроном в 5 В, то есть стабилизировав питание цепей смещения.
Добавлю, что для обеспечения высокой стабильности тока от температуры среды, желательно обеспечить примерно равный ток баз Q1 и Q2, что будет довольно сложно.
Ответить
+1

[Автор]
andro #
Спасибо за рекомендации. Да согласен, обеспечение равенства токов баз транзисторов было бы идеальным условием, но они не сильно отличаются друг от друга в рабочем режиме, благодаря соединению коллектора и базы транзистора Q2 вместе. Если произвести симуляцию и посмотреть на токи, то основной ток проходит через коллектор второго транзистора. Дело бы обстояло по другому, пропустив Мы весь ток только через его базу, Вы меня поймёте.
Ответить
0
Владимир #
Аналогичный принцип заложен в схему защиты от перегрузок в УМЗЧ. Смотри журнал "Радио" 1979, №12, с.40-42. Он, так же, позволил применить резистор-датчик тока с низким сопротивлением.
Ответить
0

[Автор]
andro #
Может у вас сохранилась копия статьи?
Ответить
+1
Владимир #
На Яндексе в поисковике забейте " quad-405 схема ". На сате radiostorage.net Найдите схему О. Решетникова. Если в вашей схеме нижний по схеме конец резистора R1 подключить к правому по схеме концу шунта- получится то же самое. Даже повысится чувствительность.
Ответить
0

[Автор]
andro #
Но там эта идея не описывается как отдельное схемное решение и нет методики расчёта.
Ответить
0
Andrey_B #
На форуме конкурентов (любителей домашних животных) еще в 2016 эту тему обсосали. Только там решение еще изящнее. Ищется в поисковике по строке "Схемный узел-Усилитель напряжения шунта для оптрона" .
Прикрепленный файл: 00.jpg
Ответить
0

[Автор]
andro #
Этот случай хотя и похож, но здесь наоборот, при увеличении тока происходит закрывание измерительного транзистора. Там формируется не вольт-добавка, а именно начальное смещение.
Ответить
0
hector #
Вот ты скажи, открыл Америку..
Неуж-то ничего не слыхал ранее про токовое зеркало и схемы защиты на нем?
Расписано в старых учебниках все уже лет 30 назад.
Ответить
0

[Автор]
andro #
А какая связь здесь с токовым зеркалом?
Ответить
0
hector #
Ты не знаешь, что такое токовое зеркало? Читай, просвещайся - Радио №6 за 1987 год, стр.45. - устройство защиты с грамотным описанием принципа работы.
Прикрепленный файл: Power.zip
Ответить
+1
Turist #
Так здесь же всё на другом принципе с точностю до наоборот.
Ответить
+1

[Автор]
andro #
Уважаемый, в данной статье схемотехника похожа на токовое зеркало, но в отличии от него, где применяется одно и то же смещение для нескольких транзисторов, у меня просто использована стабильная вольт-добавка, на что и указано в статье.
Ответить
0
Евгений #
А я вот тоже долго думал, как сместить напряжение. А если просто резистор и стабилизатор тока?
В вашей схеме убрать r1,r2-закоротить, вместо q2 - резистор, а вместо r3 - источник тока? Тогда регулируя ток в резисторе, можно менять смещение q1
Ответить
0

[Автор]
andro #
Ваша задумка не совсем ясна, поясните пожалуйста.
Ответить
0
Pauk #
В симуляторе всё выглядит красиво, интересно как это проявляется в реальной схеме.
Ответить
+1

[Автор]
andro #
В реальной схеме всё зависит от точности подбора элементов, как впрочем в некоторой степени и в симуляторе. Подписывайтесь на статью, что бы не пропустить дальнейшие выпуски про реальное использование.
Ответить
0
Олег #
Вариант с биполярными транзисторами тоже можно немного улучшить использовав в качестве силового транзистор прямой проводимости.
Ответить
0

[Автор]
andro #
Да, согласен, но такие транзисторы редковаты.
Ответить
+1
Владимир #
Давно на этом принципе работает блок питания https://cxem.net/pitanie/5-194.php
За долго до этого использовал этот принцип в других блоках питания. При желании можно использовать сборку MAT12 или нашу 129НТ1-1,159НТ1, Б1129НТ1-1,
1129НТ1
Ответить
0

[Автор]
andro #
Со сборкой параметры должны быть лучше.
Ответить
0
Владимир #
Для бытовых устройств того времени хорошо было и на транзисторах, достаточно стабильно если подобрать транзисторы и склеить их для равенства температуры их корпусов. До сих пор работает блок питания- зарядное с регулировкой напряжения и тока на 18 вольт, 15 ампер. Хоть он и устарел морально, но вполне выполняет свои функции. Способ предложенный вами хорош. Узнал я о таком включении транзисторов из журнала Радио. Dr. West выложил эту статью в вашу тему.
Ответить
Добавить комментарий
Имя:
E-mail:
не публикуется
Текст:
Защита от спама:
В чем измеряется электрическая мощность?
Файлы:
 
Для выбора нескольких файлов использйте CTRL

DC-DC регулируемый преобразователь 1.5-37В 2А с индикатором
DC-DC регулируемый преобразователь 1.5-37В 2А с индикатором
Модуль измерения тока на ACS712 (30А) Макетная плата для пайки (10 шт)
вверх