Astro-nn.ru

Стройка и ремонт
3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Генератор тока на операционном усилителе

Источники тока на операционных усилителях.

Схемы генераторов тока, управляемых напряжением, на ОУ и выходными
каскадами на биполярных и полевых транзисторах.

Продолжаем наш тематический вечер, посвящённый схемотехническим исследованиям генераторов стабильного тока, источников тока и иже с ними — стабилизаторов тока.
В повестке дня сегодняшнего радиолюбительского заседания обозначены следующие мероприятия: викторина «Угадай радиодетальку», а также обсуждение схемы источника (генератора) тока, выполненного на интегральном операционном усилителе (ОУ в простонародье).

Базовые схемы генераторов тока на операционных усилителях мы бегло рассмотрели на предыдущей странице вместе с транзисторными источниками. Повторим пройденный материал.

Рис.1

Генераторы тока, изображённые на Рис.1, (инвертирующий слева, неинвертирующий справа) — вполне себе работоспособные устройства, которые являются близкими аналогами идеальных источников тока, и практически лишены недостатков, присущих транзисторным схемам.
Ток через нагрузку с достаточно высокой точностью описывается формулой Iн≈ Uвх/R1.
При включении в качестве Rн конденсатора, приведённые схемы широким фронтом эксплуатируются в формирователях треугольного и пилообразного напряжений.
В отдельных случаях существенным недостатком источников тока, изображённых на Рис.1, является «плавающая», т.е. не подключённая никаким боком к земле или питанию нагрузка. К тому же, по большей части, операционный усилитель не может обеспечить значительных величин токов, поступающих в нагрузку.

Рассмотрим схемы источников тока на ОУ, не имеющих этих недостатков.
Как правило, для получения устойчивого положительного результата, к операционному усилителю присовокупляется дополнительный выходной каскад на биполярном или полевом транзисторе.

Рис.2

На Рис.2 приведены схемы генераторов тока на ОУ с выходными каскадами на биполярном, либо полевом транзисторе и нагрузкой, подключаемой к шине питания.
Пренебрегая входным током ОУ и конечным коэффициентом усиления транзистора, выходной ток составит всё ту же величину Iн≈ Uвх/R1.
На самом деле, коэффициент усиления биполярного транзистора имеет конечное значение, а полная формула тока нагрузки выглядит следующим образом Iн= Uвх×β/[R1(1+β)] .
Это обуславливает некоторую нестабильность выходного тока при изменении сопротивления нагрузки за счёт проявления эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на величину коэффициента передачи тока транзистора).
Проявления этой нестабильности можно уменьшить, если в качестве биполярного транзистора использовать составной транзистор, либо применяя полевой транзистор.
Особенность схем источников тока, показанных на Рис.2, состоит в том, что нагрузка подключается к шине питания.

Рис.3

На Рис.3 приведены источники тока с заземлённой нагрузкой.
Выходной ток здесь описывается уже несколько другой формулой: Iн≈ (Еп-Uвх)/R1 .
Подобная зависимость выходного тока от управляющего напряжения не всегда удобна в практических разработках, поэтому для устранения этого недостатка к схеме можно присовокупить дополнительный преобразователь уровня.

Рис.4

Здесь первый операционник с транзистором n-p-n структуры служит для преобразования уровня входного управляющего напряжения Uвх в значение Eп-Uвх.
Rпр1 и Rпр2, как правило, выбираются одного номинала, величина которого рассчитывается, исходя из входного сопротивления второго ОУ, а также из соображений приемлемого быстродействия при работе источника тока в динамическом режиме (т.е. при подаче на вход импульсного сигнала управления).
Ну и ясен шпунтубель, что всё наше усердие было направлено на получение удобной зависимости Iн≈ Uвх/R1 , а для повышения выходного сопротивления источника тока вместо простого биполярного выходного транзистора следует включить составной или полевой транзистор.

схема все материалы / Лекционные материалы 2012 / 43 Генераторы стабильных токов на ОУ

Генераторы стабильных токов на операционных усилителях

На операционных усилителях , охваченных глубокой отрицательной об — ратной связью можно строить генераторы стабильных токов с высокими ка — чественными показателями .

Если сопротивление нагрузки включить вместо резистора R F , как это

показано на схемах рис . 1, то ток через нее не будет зависеть от сопротивле — ния нагрузки .

Для схемы рис . 1 а

I н = — I 1 = — U 0 ¹ f ( R н ) ,

а для схемы рис . 1 б

I н = I 1 = U 0 ¹ f ( R н ) . R 1

Внимание следует обратить на направления токов .

Общим недостатком этих схем является необходимость изолирования нагрузки от земли , что чаще всего недопустимо .

Для преодоления этого недостатка операционный усилитель использует — ся совместно с транзистором ( рис . 2).

Рис . 2 На рис . 2 а нагрузка включена между коллектором транзистора и источ —

ником питания , а на рис . 2 б – между коллектором транзистора и землей . Для первой схемы в силу того , что напряжение между входами операционного

усилителя в условиях глубокой обратной связи равно нулю

I н = I R 1 = U 0 .

Для второй схемы по той же причине

I н = I R 1 = E + − U 0 . R 1

Следует обязательно следить за тем , чтобы напряжения питания опера — ционого усилителя были достоточной велики для работы его в линейном ре — жиме . В частности при U 0 ≈ 0 может потребоваться источник отрицательно — го питания .

Если необходимо в схеме с заземленной нагрузкой использовать n-p-n- транзистор , то сигнал обратной связи следует брать с коллектора транзистора

Особенностью данной схемы является подача сигнала обратной связи на неинвертирующий вход операционного усилителя , поскольку дополнитель — ная инверсия создается транзистором при передаче сигнала с базы на коллек — тор .

На практике во всех приведенных схемах необходимо следить , чтобы транзистор и операционный усилитель находились в линейном режиме рабо — ты .

Источники тока с заземленной нагрузкой

Принцип действия источника тока, схема которого приведена на рис. 9, состоит в том, что выходной ток измеряется по падению напряжения на резисторе R1. Выходное напряжение ОУ устанавливается таким, что падение напряжения на резисторе R1 оказывается равным величине входного напряжения.

Рис. 9. Источник тока, управляемый напряжением, для заземленной нагрузки

Для определения выходного тока источника запишем уравнения по первому закону Кирхгофа для n— и р-входов и выхода операционного усилителя:

Из этих уравнений с учетом того, что Un=Up, получим:

Приравняв нулю коэффициент при U2, найдем условие независимости выходного тока от напряжения на нагрузке –

R3 =(R2) 2 /(R1 + R2).(8)

Теперь выражение для выходного тока источника будет иметь вид:

Выполняя точную подстройку R3, можно добиться бесконечного выходного сопротивления источника тока на низких частотах при реальных характеристиках операционного усилителя. Недостаток схемы, однако, состоит в том, что внутреннее сопротивление Rи управляющего источника напряжения U1 входит в выражение (8) (оно добавляется к сопротивлению резистора, подключенного ко входу схемы). К тому же, ток управляющего источника напряжения зависит от сопротивления нагрузки. В результате полная балансировка источника невозможна, если Rи , как, например, у стабилитронов, зависит от тока.

Этого недостатка не имеет схема, приведенная на рис. 10. Здесь входной резистор присоединен к виртуальному нулю. Другое достоинство этой схемы состоит в отсутствии синфазного сигнала. Для расчета выходного тока в этой схеме используем следующее соотношение:

Запишем уравнение по первому закону Кирхгофа для выхода схемы.

Рис. 10. Источник тока на ОУ в инвертирующем включении

Исключив потенциал U4, получим выражение:

из которого следует, что выходной ток не будет зависеть от выходного напряжения, если выполняется условие

В заключение заметим, что рассмотренные выше источники тока с заземленной нагрузкой представляют собой системы с регулированием по возмущению (системы с компенсирующими связями). В отличие от систем с регулированием по отклонению (систем с отрицательными обратными связями), системы с регулированием по возмущению требуют точной настройки параметров связей, как это и следует из последнего выражения и выражения (8). Схемы источников тока с незаземленной нагрузкой – это системы с регулированием по отклонению. Они не требуют точной настройки связей, а лишь по возможности большего значения дифференциального коэффициента усиления ОУ.

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

  • Вычислительная техника
    • Микроконтроллеры микропроцессоры
    • ПЛИС
    • Мини-ПК
  • Силовая электроника
  • Датчики
  • Интерфейсы
  • Теория
    • Программирование
    • ТАУ и ЦОС
  • Перспективные технологии
    • 3D печать
    • Робототехника
    • Искусственный интеллект
    • Криптовалюты

Чтение RSS

Источник тока управляемый напряжением своими руками

Схема источника тока, управляемого напряжением, с использованием операционного усилителя

В цепи источника тока с управлением по напряжению небольшое количество напряжения на входе будет пропорционально контролировать поток тока на выходных нагрузках. Этот тип схемы обычно используется в электронике для управления устройствами, управляемыми током, такими как биполярные транзисторы, симисторы и т.п.. Мы знаем, что в биполярном транзисторе ток, протекающий через базу транзистора, контролирует, насколько транзистор закрыт. Во многих типах схем одним из методов обеспечения такого управления является использование цепи источника тока, управляемого напряжением.

В этом проекте мы объясним, как можно спроектировать источник тока, управляемый напряжением, с использованием операционного усилителя, а также собрать его, чтобы продемонстрировать его работу. Схема очень проста и может быть собрана с минимальным количеством компонентов.

Чтобы понять работу этой схемы, важно знать, как работает операционный усилитель.

На изображении выше показан один операционный усилитель. Усилитель усиливает сигналы, но кроме усиления сигналов он также может выполнять математические операции. Операционный усилитель является основой аналоговой электроники и используется во многих приложениях, таких как суммирующий усилитель, дифференциальный усилитель, инструментальный усилитель, операционный усилитель и т. д.

Если мы внимательно посмотрим на изображение выше, то увидим, что у усилителя есть два входа и один выход. Эти два входа имеют знак + и -. Положительный вход называется неинвертирующим, а отрицательный – инвертирующим. Первое правило, используемое относительно усилителя, заключается в том, что разница между этими двумя входами всегда равна нулю. Для лучшего понимания давайте посмотрим на изображение ниже.

Читать еще:  Генераторы переменного тока

Вышеуказанная схема усилителя является схемой повторителя напряжения. Выход подключен к отрицательному выводу, что делает его усилителем с коэффициентом усиления 1x. Следовательно, напряжение, подаваемое на вход, доступно на выходе.

Как обсуждалось ранее, операционный усилитель производит дифференцирование обоих входов 0. Поскольку выход подключен к входной клемме, операционный усилитель будет генерировать то же напряжение, которое подается на другую входную клемму. Таким образом, если на вход подается 5 В, поскольку выход усилителя подключен к отрицательной клемме, он будет выдавать 5 В, что в конечном итоге подтверждает правило 5 В — 5 В = 0. Это справедливо для всех операций отрицательной обратной связи усилителей. Учитывая то же правило, давайте посмотрим на следующую схему.

Теперь вместо выхода операционного усилителя, подключенного непосредственно к отрицательному входу, отрицательный сигнал обратной связи выводится из шунтирующего резистора, подключенного через N-канальный полевой МОП-транзистор (MOSFET). Выход операционного усилителя подключен через затвор MOSFET. Давайте предположим, что на положительный вход операционного усилителя подается 1 В. Операционный усилитель обеспечит путь отрицательной обратной связи для напряжения 1 В любой ценой. Выход включит МОП-транзистор, чтобы подать 1 В через отрицательный вывод. Правило шунтирующего резистора – создавать падение напряжения по закону Ома, V = IR. Следовательно, падение напряжения 1 В будет происходить, если ток 1 А протекает через резистор 1 Ом. Операционный усилитель будет использовать это падение напряжения и получит желаемую обратную связь 1 В. Теперь, если мы подключим нагрузку, которая требует управления током для работы.

Подробная принципиальная схема источника тока, управляемого напряжением с использованием операционного усилителя, приведена на следующем рисунке.

Чтобы собрать эту схему, нам нужен операционный усилитель. LM358 – это очень дешевый операционный усилитель, и он идеально подходит для этого проекта, однако он имеет два канала операционного усилителя в одном корпусе, но нам нужен только один. На следующем изображении представлен обзор схемы контактов LM358.

Далее нам нужен N-канальный MOSFET, для этого возьмем IRF540N, другие MOSFET также будут работать, но убедитесь, что корпус MOSFET предполагает подключение дополнительного радиатора, если это потребуется, и необходимо тщательно продумать выбор соответствующей спецификации МОП-транзистора по мере необходимости. Распиновка IRF540N показана на следующем изображении.

Третье требование – шунтирующий резистор. Давайте используем в резистор 1 Ом 2 Вт. Требуются дополнительные два резистора, один для резистора затвора MOSFET, а другой резистор обратной связи. Эти два резистора необходимы для уменьшения эффекта нагрузки. Однако падение между этими двумя резисторами незначительно.

Теперь нам нужен источник питания, поэтому возьмем настольный источник питания. В настольном блоке питания есть два канала. Один из них, первый канал используется для подачи питания на схему, а другой канал является вторым каналом, используемым для подачи переменного напряжения для управления источником тока схемы. Поскольку управляющее напряжение подается от внешнего источника, оба канала должны иметь одинаковый потенциал, поэтому клемма заземления второго канала подключается через клемму заземления первого канала. Однако это управляющее напряжение может подаваться от делителя переменного напряжения с использованием любого вида потенциометра. В таком случае достаточно одного источника питания.

Схема собрана на макетной плате для целей тестирования, как вы можете видеть на следующем изображении. Нагрузка не подключена к цепи, чтобы сделать ее почти идеальной 0 Ом (короткое замыкание) для тестирования операции управления током.

Входное напряжение изменяется от 0,1 В до 0,5 В, а изменения тока отражаются в другом канале. Как видно на изображении ниже, вход 0,4 В с нулевым током фактически превращается во второй канал, который потребляет 400 мА тока на выходе 9 В. Схема питается от источника питания 9 В.

Мы можем сказать, что ток через нагрузку (источник тока) равен току через полевой МОП-транзистор, который также равен току через шунтирующий резистор. Учтя это в математической форме, мы получим,что ток источника нагрузки = падение напряжения / сопротивление шунта. падение напряжения будет таким же, как и входное напряжение на операционном усилителе. Поэтому при изменении входного напряжения источник тока через нагрузку также изменится. Следовательно, ток на нагрузке = входное напряжение / сопротивление шунта.

Мощные источники регулируемого тока на операционных усилителях

Георгий Волович (Челябинск)

В статье рассмотрена схемотехника преобразователей напряжение-ток с большими выходными токами. Приведены основные соотношения, устанавливающие связь между входными и выходными сигналами, обсуждаются вопросы устойчивости при работе на активно-индуктивную нагрузку.

Источники тока, управляемые напряжением (ИТУН, или преобразователи напряжение — ток), предназначены для обеспечения нагрузки током, который не зависит от вых одного напряжения источника и регу лируется только входным напряжением схемы. Такие источники применяются в измерительных схемах, например, при измерении сопротивления, для управления моментными электродвигателями и соленоидами и т.п.

Одна из распространённых схем источников тока на основе операционного усилителя (ОУ) приведена на рисунке 1, где RL – нагрузка источника. Полагая входной ток и смещение нуля ОУ незначительными, для определения выходного сопротивления этой схемы по отношению к нагрузке RL запишем:

где KU – коэффициент усиления ОУ . Отсюда получим следующее соотношение:

Таким образом, выходное сопротивление источника тока будет равно ROUT = –∂U2/∂I = KUR. Оно пропорционально дифференциальному коэффициенту усиления ОУ, причём посколькуку зависит от частоты входного сигнала, выходное сопротивление схемы будет убывать с частотой. Из формулы (1) также следует, что при КU → ∞
I=U1/R. (2)
При использовании мощного усилителя (например, LM12 или какого-либо из усилителей фирмы Apex) можно обеспечить ток через нагрузку до десятков ампер. Однако мощные ОУ довольно дороги, поэтому в случае, когда ток через нагрузку однонаправленный, для умощнения выхода обычного ОУ можно использовать эмиттерный либо истоковый повторитель.

Схема мощного преобразователя напряжение-ток на основе эмиттерного повторителя представлена на рисунке 2. При конструировании мощных источников тока необходимо обратить внимание на подключение резистора R, величина которого, как Следует из (1) и (2), определяет выходной ток. Этот резистор должен быть подключен по четырёхпроводной схеме.

Типичная нагрузка мощных источников тока (моментные электродвигатели, соленоиды) имеет активно-индуктивный характер и создаёт в передаточной функции (ПФ) контура регулирования схемы дополнительный полюс. Операционный усилитель также обладает ПФ с одним или двумя полюсами [1]. Поэтому схема, показанная на рисунке 2, может быть неустойчивой.

Для оценки устойчивости источника тока по схеме рис. 2 можно воспользоваться моделированием в пакете программ VisSim. Модель источника тока (см. рис. 3) включает модель ОУ (ПФ WОУ(s) и нелинейный блок-ограничитель (НБ)), а также модель активно-индуктивной нагрузки [2]. Частотные свойства транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, здесь не учитываются.

Пример 1. Пусть в схеме, приведённой на рис. 2, включен ОУ типа AD8675 с ПФ

Остальные параметры схемы: LL = 0,01Гн, RL=0,1Ом, R=0,05Ом. Используя функцию Frequency Response , построим логарифмические амплитудно-частотные характеристики ( ЛАЧХ ) разомкнутого контура регулирования схемы (см. рис. 4). Графики показывают, что при значительной полосе пропускания (частота среза ωср около 16 000 с -1 ) система обладает запасом устойчивости по фазе φЗ, близким к нулю. Даже малое дополнительное фазовое запаздывание, обусловленное, например, частотными свойствами эмиттерного повторителя, приведёт к самовозбуждению схемы.

Для повышения запасов устойчивости можно охватить ОУ местной обратной связью, которая превратит его в пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор (см. рис. 5). Модель в среде VisSim для такого включения приведена на рисунке 6, где Woc(s) — ПФ звена обратной связи

Пример 2. В схеме, приведённой на рисунке 5, ЩС =0,0001, Л2С=0,01. Остальные параметры те же, что и в схеме рис. 2. Логарифмическая АЧХ разомкнутого контура регулирования схемы рис. 5 представлена на рисунке 7. Видно, что полоса пропускания системы уменьшилась до 500 с -1 , но запас устойчивости по фазе составляет примерно 85 градусов, что гарантирует устойчивость системы без дополнительной настройки.

Недостаток схемы с эмиттерным повторителем состоит в том, что напряжение на нагрузке ограничено напряжением питания ОУ. Поэтому, если на нагрузке должно быть высокое напряжение, необходимо применять дорогие высоковольтные ОУ.
Другой путь построения высоковольтного источника тока — включение нагрузки в цепь коллектора (стока) выходного умощняющего транзистора (см. рис. 8). Использование МОП-транзистора предпочтительно, поскольку ток в управляющий электрод не ответвляется и, следовательно, ток через нагрузку равен току через измерительный резистор R.
Выходное напряжение ОУ устанавливается таким, чтобы напряжение на резисторе R было равно U. При этом ток через резистор R будет равен U /К. Выходной ток источника определяется соотношением /= U/R. Найдём выходное сопротивление преобразователя напряжение-ток на ОУ с полевым транзистором. Уравнение в приращениях цепи затвора МОП-транзистора в этой схеме имеет вид:

где Ku — коэффициент усиления ОУ .

Уравнение цепи стока
∆UDS + ∆ISR + ∆U2 = E. (4)

Поскольку ∆IS = ∆I = S∆VGS , а

где S — крутизна, а gD — стоковая проводимость МОП-транзистора, из уравнений (3) и (4) с достаточной точностью получается:

Отсюда

и, следовательно.

Последняя формула показывает, что выходное сопротивление источника тока сильно зависит от выяэдной проводимости МОП-транзистора. Если в результате, например, увеличения сопротивления нагрузки напряжение сток-исток уменьшается настолько, что транзистор начинает работать в веерной (начальной) части выходных характеристик, проводимость gD может возрасти в сотни тысяч или даже в миллионы раз. Это приведёт к резкому уменьшению выходного сопротивления источника.

Читать еще:  Подключение генератора с автозапуском к домашней сети

Выходное соиротиатение схемы, показанной на рисунке 8, существенно зависит от выходного тока. Действительно, ток стока мощного MOП-транзистора в о бласти больших напряжений сток-исток (UDS > UGS — Uth, где Uth — пороговое напряжение затвор-исток) с учётом модуляции длины канала определяется формулой [3]:

где UA = 20. 100 В — напряжение Эрли, K= ∂S/∂UGS [А/В 2 ] — удельная крутизна — параметр, мало зависящий от тока стока.

Дифференциальная проводимость транзистора

Подставив в (8) значение (UGS – Uth), найденное из (6), получим:

Подставляя (7) и (9) в (5), найдём окончательно

т.е. с ростом тока выходное сопротивление схемы уменьшается.

Если нагрузка в схеме рис. 8 активно-индуктивная, то в ПФ контура регулирования появляется полюс, ухудшающий устойчивость схемы. Этот полюс обусловлен емкостной связью между стоком и затвором (эффектом Миллера). Для уменьшения ёмкости Миллера необходимо стабилизировать потенциал стока транзистора. Сделать это можно, например, включив дополнительный транзистор по каскодной схеме (см. рис. 9). Э.д.с. источника смещения EOF выбирается такой, чтобы напряжение сток-исток транзистора VT1 составляло примерно 3 В. Анализ устойчивости этой схемы очень сложен, поэтому для компенсации фазового запаздывания, вносимого нагрузкой, полезно включить параллельно нагрузке цепочку RKCK. Если это окажется недостаточным, можно использовать ПИ-регулятор, как в схеме рис. 5.

ЛИТЕРАТУРА
1. Волович Г.И.Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. Додэка-XXI, 2007.
2. Волович Г.И. Моделирование однотактных DC/DC-преобразователей в пакете VISSIM. Современная электроника. 2005. № 3.
3. Титце У., Шенк К . Полупроводниковая схемотехника. Т. 1. Додэка-XXI, 2008.

Управляемый напряжением точный генератор втекающего тока для проверки источников питания

Texas Instruments OPA277 IRF530

Поиск причин возникновения потенциальных проблем источников питания производится с помощью динамических и статических тестов. Предлагаемый простой генератор втекающего тока предназначен для тестирования источников питания малой и средней мощности и источников напряжения. В таких приложениях генератор может отдавать ток от 0 до 1.5 А в диапазоне входных напряжений от 0 до 5 В при напряжении питания до 20 В. Основным элементом схемы является прецизионный операционный усилитель OPA277 (IC1) компании Texas Instruments [1], имеющий максимальное напряжение смещения всего 100 мкВ, входной ток 4 мкА и малый дрейф в диапазоне температур от –40 до +85 °C (Рисунок 1). Операционный усилитель IC1 сравнивает напряжение на своем неинвертирующем входе с падением напряжения на токоизмерительном резисторе RSENSE.

Рисунок 1.Этот простой генератор втекающего тока позволит вам проверять характеристики
источников питания, как в статическом, так и в динамическом режиме.

Выход микросхемы IC1 управляет мощным N-канальным MOSFET Q1 [2] таким образом, чтобы поддерживать падение напряжения на токоизмерительном резисторе равным напряжению на неинвертирующем входе. Напряжение на RSENSE пропорционально току нагрузки, текущему из исследуемого источника питания, и не зависит от его напряжения.

Транзистор Q1 имеет следующие основные предельные характеристики:

  • максимальный ток стока: 14 А при температуре корпуса 25 °C;
  • максимальное напряжение сток-исток: 100 В;
  • максимальное сопротивление открытого канала: 0.16 В при напряжении затвор-исток 10 В и токе стока 7 А;

MOSFET может рассеивать конечное количество тепла – до 30 Вт при использовании радиатора с тепловым сопротивлением 1 °C/Вт или менее при неподвижном воздухе и температуре окружающей среды не более 40 °C. Поскольку максимальная мощность зависит от теплового сопротивления радиатора и температуры воздуха, при увеличении напряжения питания следует соответственно уменьшать ток нагрузки. При импульсном характере входного напряжения напряжение питания можно повысить в десятки раз, поскольку средняя мощность рассеивания намного меньше и зависит от средней нагрузки.

Точный резистивный делитель R1, R2 позволяет вам привести диапазон напряжений 0 … 5 В на входе схемы к диапазону 0 … 0.495 В на неинвертирующем входе IC1, которому будет соответствовать диапазон выходных токов 0 … 1.5 А. При указанных на схеме сопротивлениях резисторов R1 и R2 входное сопротивление устройства равно 100 кОм. Этого вполне достаточно для использования большинства функциональных генераторов, имеющих выходной импеданс 50 или 75 Ом, и позволяет подключать генератор напрямую, без использования буферного операционного усилителя.

Из анализа схемы вытекает следующее соотношение:

G – проводимость,
α – коэффициент ослабления:

Коэффициент ослабления входного делителя напряжения можно изменить, чтобы, подняв верхнюю границу выходного тока до нескольких ампер, получить возможность тестирования низковольтных источников питания с большими выходными токами.

Конденсаторы C3, C4 и резисторы R3, R4 обеспечивают устойчивость петли обратной связи, устанавливая время нарастания равным 1.4 мкс при скачке входного напряжения от 0 до 5 В. Таким образом, вы можете проверять источники питания либо в статических условиях, подавая на вход постоянное напряжение, либо в динамике, подключив к входу, например, источник импульсов для имитации быстрых изменений нагрузки. Низкие сопротивления открытого канала транзистора Q1 и токоизмерительного резистора RSENSE позволяют вам испытывать источники питания или источники напряжения с минимальным выходным напряжением вплоть до 1 В. Нижний предел выходного напряжения тестируемого источника равен

где RDS(ON) – сопротивление открытого канала Q1.

Вы может тестировать также и многоканальные источники питания, имеющие, например, выходы напряжения –5 или –12 В. В этом случае необходимо соединить «землю» источника питания с выходом генератора тока, то есть, с выводом стока, а отрицательный вывод генератора подключить к «земле» схемы. Для повышения точности результатов динамических тестов, таких как проверка нестабильности выходного напряжения по нагрузке, времени восстановления или переходных характеристик, подключать тестируемый источник к схеме надо очень внимательно, следя за тем, чтобы площадь петли тока, образуемой соединительными проводами, была минимальной. Импульсный ток нагрузки является источником электромагнитных излучений, интенсивность которых пропорциональна этой площади, величине тока и квадрату частоты тока. Эти излучения могут нарушать работу, как самой схемы, так и измерительного оборудования.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Бурыкин Валерий

Жизнь в динамике

Генератор тока (источник тока). Различия и сходства стабилизаторов тока и напряжения.

Стабилизатор напряжения.

Генератор тока.

Что нужно для расчёта источника тока.

Пример расчета простого генератора тока на биполярном транзисторе

Пример расчета:

10 response to «Генератор тока (источник тока). Различия и сходства стабилизаторов тока и напряжения.»

By: Александр Posted: 03.05.2020

Здравствуйте. Скажите,как посчитали: При Rбал. = 2 кОм и дельта Uпит. = 18 В, дельта Uоп. составит 0,53 В.

Динамическое сопротивление стабилитрона:
rст = 60 Ом (См. таблицу выше)

dI = dU/2кОм = 9мА
dUоп. = dI * rст. = 0.009 * 60 = 0.54 В
Простите на 0,01V ошибся. Но я считал навскидку.

By: АЛЕКС Posted: 16.01.2020

А во! — Вразумте дядько разницу между генератором тока и напряжения или как там ЭДС, а также, что подразумить глядя на батарейку — это источник тока и источник ЭДС, а где там вооще то есть напряжение и что мы в первую очередь можем определить и измерить.
Может это курица и яйцо ;))

То есть дядько Вам сейчас в своём ответе должен пересказать всю статью?
Там есть объяснение в чём разница.
А к чему Вы приплели здесь ЭДС. Это вообще овощ с другого огорода и к созданию электронных схем никакого отношения не имеет.
Если Вам это точно интересно то вот Вам ссылка: https://samelectrik.ru/chto-takoe-eds-obyasnenie-prostymi-slovami.html

By: triak Posted: 01.08.2020

нас в институте учили так — если внутреннее сопротивление источника близко к нулю, — это источник напряжения.
Если внутреннее сопротивление источника близко к бесконечности, — это источник тока.
Любая реальная батарейка, аккум или выход выпрямителя — где-то между.
Пока при снижении сопротивления нагрузки (т.е. увеличении нагрузки) напряжение на ней не падает (а только растёт ток через неё) — это она питается от хорошего источника напряжения.
Если при изменении величины нагрузки остаётся стабильным ток через неё (по при этом меняется напряжение, и ИСТОЧНИК НЕ ПЕРЕГРЕВАЕТСЯ и не сгорает) — она питается от хорошего источника тока

Ну так в статье как раз об этом и рассказано. Только вот в статье дано математическое обоснование всему этому и примеры расчетов.
Что касается батарейки, аккумуляторов, солнечных элементов, различных электрогенераторов без схем управления и т.д. и т.п., то они действительно находятся между генератором напряжения и генератором тока. Называются такие источники источниками ЭДС.

By: Алекс Posted: 15.01.2020

Упс:)
<>
— Из тогот, что Uстаб=Uбэ+Uэ и постоянном напряжением Uiсточ. МОЖНО сделать вывод:, — что повышая Rнагр ток проходящий через Rэ будет падать и ни о какой стабилизации тока нет и речи касательно самых первых примитивных схем. Источнику негде взять повышение напряжения соразмерно повышения Rнагр.

УПС:)
А Вы статью вообще читали в каком состоянии?
Ведь в ней об этом говорится и в расчётах это учитывается.
Да, есть граничные условия для напряжения питания и максимальной величины Rнагр.
При определённом Uпит. есть некоторый диапазон 0

By: Юрий Posted: 28.04.2019

Идеального генератор тока и напряжения в природе не существует.Все зависит он нагрузки, когда мы можем говорить об одном или о другом.Точнее об соотношении нагрузки и внутреннего сопротивления источника.То,что вы приводите в конце статьи- это перевод .Возможно даже машинный.Что же к этому придираться?

Читать еще:  Автомобильный генератор: назначение и принцип работы

Я придираюсь к тем кто публикует такие переводы.
Или их также публикуют машины?

Но на самом деле если Вы наберёте в поиске запрос «генератор тока»
То таких, как Вы говорите «переводов» найдёте море, да практически
все результаты поиска будут из них состоять.

Генератор тока на операционном усилителе

ОУ широко применяется в аналоговых устройствах электроники. Функции, реализуемые ОУ с ООС, удобно рассматривать, если представить ОУ в виде идеальной модели, у которой:

  1. Входное сопротивление операционного усилителя равно бесконечности, токи входных электродов равны нулю (R вх > ∞, i + = i — = 0).
  2. Выходное сопротивление операционного усилителя равно нулю, т.е. операционный усилитель со стороны входа является идеальным источником напряжения (R вых = 0).
  3. Коэффициент усиления по напряжению (коэффициент напряжения дифференциального сигнала) равен бесконечности, а дифференциальный сигнал в режиме усиления равен нулю (при этом не допускается закорачивания выводов операционного усилителя).
  4. В режиме насыщения напряжение на выходе равно по модулю напряжению питания, а знак определяется полярностью входного напряжения. Полезно обратить внимание на тот факт, что в режиме насыщения дифференциальный сигнал нельзя всегда считать равным нулю.
  5. Синфазный сигнал не действует на операционный усилитель.
  6. Напряжение смещения нуля равно нулю.

Инвертирующий усилитель на ОУ

Схема инвертирующего усилителя, охваченного параллельной ООС по напряжению показана на рисунках:

ООС реализуется за счет соединения выхода усилителя со входом резистором R2.

На инвертирующем входе ОУ происходит суммирование токов. Поскольку входной ток ОУ i — = 0, то i 1 = i 2 . Так как i 1 = U вх /R1, а i 2 = -U вых /R2, то . K u = = -R2/R1. Знак «-» говорит о том, что происходит инверсия знака входного напряжения.

На рисунке (б) в цепь неинвертирующего входа включен резистор R3 для уменьшения влияния входных токов ОУ, сопротивление которого определяется из выражения:

Входное сопротивление усилителя на низких частотах приблизительно равно R вх.ос = ≈ R1

Выходное сопротивление R вых.ос = существенно меньше R вых собственно ОУ.

Неинвертирующий усилитель на ОУ

Схема неинвертирующего усилителя, охваченного последовательной ООС по напряжению, показана на рисунке:

ООС реализуется при помощи резисторов R1, R2.

Используя принятые ранее допущения для идеальной модели получим

Входное сопротивление: R вх.ос → ∞

Выходное сопротивление: R вых.ос = → 0

Недостатком усиления является наличие на входах синфазного сигнала, равного U вх .

Повторитель напряжения на ОУ

Схема повторителя, полученная из схемы неивертирующего усилителя, при R1 → ∞, R2 → 0, показана на рисунке:

Коэффициент β = 1, K u.ос = K/1+K ≈ 1, т.е. напряжение на входе и выходе ОУ равны: U вх = U вых .

Сумматор напряжений на ОУ (инвертирующий сумматор)

Схема инвертирующего усилителя с дополнительными входными цепями показана на рисунке:

Учитывая, что i + = i — = 0, i oc = — U вых /R ос = U вх1 /R1 + U вх2 /R2 + . + U вхn /Rn, получим: U вых = -R ос (U вх1 /R1 + U вх2 /R2 + . + U вхn /Rn)

Если R ос = R1 = R2 = . = Rn, то U вых = — (U вх1 + U вх2 + . + U вхn ).

ОУ работает в линейном режиме.

Для уменьшения влияния входных токов ОУ в цепь неинвертирующего входа включают резистор R э (на рисунке показан пунктиром) с сопротивлением: R э = R1//R2//…//Rn//R oc .

Вычитающий усилитель на ОУ

Схема усилителя с дифференциальным входом показана на рисунке:

Усилитель является сочетанием инвертирующего и неинвертирующего усилителей. В рассматриваемом случае напряжение на выходе определяется из выражения:

U вых = U вх2 · R3/(R3+R4) · (1+R2/R1) — U вх1 · R2/R1

При R1 = R2 = R3 = R4: U вых = U вх2 — U вх1 – т.е. зависит от разности входных сигналов.

Интегрирующий усилитель на ОУ

Схема интегратора, в которой в цепи ООС установлен конденсатор, показана на рисунке:

Пусть на вход подается прямоугольный импульс U вх . На интервале t1. t2 амплитуда U вх равна U. Так как входной ток ОУ равен нулю, то |i вх | = |-i c |, i вх = U вх /R1, i c = C · dU вых /dt.

U вх /R1 = C · dU вых /dt или

где U вых (0) – напряжение на выходе (конденсаторе С) к моменту начала интегрирования (к моменту t1).

τ = R1 · C – постоянная времени интегрирования, т.е. время, в течение которого U вых изменится на величину ΔU вых = U.

Таким образом выходное напряжение на интервале t1. t2 изменяется по линейному закону и представляет интеграл от входного напряжения. Постоянная времени должна быть такой, чтобы до конца интегрирования U вых пит .

Дифференцирующий усилитель

Поменяв местами R1 и C1 в интеграле, получим схему дифференцирующего усилителя:

По аналогии с интегрирующим усилителем запишем:

I c = C·dU вх /dt, I R2 = -U вых /R

Т.к. |I c | = |-I R2 |, то U вых = — CR · dU вх /dt

τ = CR – постоянная дифференцирования.

Применение ОУ далеко не исчерпывается приведенными выше схемами.

Активные фильтры

В электронике широко применяются устройство для выделения полезного сигнала из ряда входных сигналов с одного одновремённым ослаблением мешающих сигналов за счёт использования фильтров.

Фильтры подразделяются не пассивные, выполненные на основе конденсаторов, индуктивностей и резисторов, и активные на базе транзисторов и операционных усилителей.

В информационной электронике обычно используются активные фильтры. Термин «активный» объясняется включением в схему RLC — фильтра активного элемента (с транзистора или ОУ) для компенсации потерь на пассивных элементах.

Фильтром называют устройство, которое пропускает сигналы в полосе пропускания и задерживает их в остальном диапазоне частот.

По виду АЧХ фильтры подразделяются на фильтры нижних частот (ФНЧ), и на фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры и режекторные фильтры.

Схема простейшего ФНЧ и его АЧХ приведены на рисунке:

В полосе пропускания 0 — f c полезный сигнал проходит через ФНЧ без искажений.

f с – f з – переходная полоса,
f з — ∞ – полоса задерживания,
f с – частота среза,
f з – частота задерживания.

ФВЧ пропускает сигналы верхних частот и задерживает сигналы нижних частот.

Полосовой фильтр пропускает сигналы одной полосы частот, расположенной в некоторой внутренней части оси частот.

Схема фильтра получила название моста Вина. На частоте f 0 =

Мост Вина имеет коэффициент передачи β = 1/3. При R1 = R2 = R и C1 = C2 = C

Режекторный фильтр не пропускает сигналы, лежащие в некоторой полосе частот, и пропускает сигналы с другими частотами.

Схема фильтра называется несимметричным двойным Т-образным мостом.

, где R1 = R2 = R3 = R, C1 = C2 = C3 = C.

В качестве примера рассмотрим двухполюсный (по числу конденсаторов) активный ФНЧ.

ОУ работает в линейном режиме. При расчёте задаются f с . Коэффициент усиления в полосе пропускания должен удовлетворять условию: К 0 ≤ 3.

Если принять С1 = С2 = С, R1 = R2 = R, то C = 10/f c , где f с – в Гц, С – в мкФ,

Для получения более быстрого изменения коэффициента усиления на удаление от полосы пропускания последовательно включают подобные схемы.

Поменяв местами резисторы R1, R2 и конденсаторы С1, С2, получим ФВЧ.

Избирательные усилители

Избирательные усилители позволяют усиливать сигналы в ограниченном диапазоне частот, выделяя полезные сигналы и ослабляя все остальные. Это достигается применением специальных фильтров в цепи обратной связи усилителя. Схема избирательного усилителя с двойным Т-образным мостом в цепи отрицательной обратной связи показана на рисунке:

Коэффициент передачи фильтра (кривая 3) уменьшается от 0 до 1. АЧХ усилителя иллюстрируется кривой 1. На квазирезонансной частоте коэффициент передачи фильтра в цепи отрицательной обратной связи равен нулю, U вых максимально. При частотах слева и справа от f 0 коэффициент передачи фильтра стремится единице и U вых = U вх . Таким образом фильтр выделяет полосу пропускания Δf, а усилитель осуществляет операцию аналогового усиления.

Генераторы гармонических колебаний

В системах управления используются генераторы сигналов различного вида. Генератором гармонических колебаний называют устройство, создающее переменное синусоидальное напряжение.

Структурная схема такого генератора показана на рисунке:

Входной сигнал отсутствует. U вых = К · U ос .

Для возникновения синусоидальных колебаний должно выполняться условие самовозбуждения только для одной частоты:
К · γ = 1 – баланс амплитуд,
φ + ψ = 2πn – баланс фаз,
где К – коэффициент усиления усилителя,
γ – коэффициент передачи звена положительной обратной связи,
φ – сдвиг по фазе для усилителя,
ψ – сдвиг по фазе для цепи обратной связи,
n = 0, 1, .

Основной генераторов синусоидальных сигналов являются фильтры, например мост Вина. Генератор на основе ОУ, содержащий мост Вина, представлен на рисунке:

Генератор вырабатывает синусоидальный сигнал частотой .

На частоте f 0 коэффициент передачи фильтра β = 1/3. Усилитель должен иметь коэффициент усиления К ≥ 3, который задаётся резисторами R1 и R2. Важной проблемой является стабилизация амплитуды U вых , которая обеспечивается в ведением резистора R3 и стабилитронов VD1 и VD2. При малых U вых напряжение на VD1 и VD2 меньше напряжения стабилизации и R3 не зашунтировано стабилитронами. При этом К > 3 и U вых возрастает. При достижении напряжения на стабилитронах, равного напряжения стабилизации, тот или иной стабилитрон открывается и пара стабилитронов шунтирует сопротивление R3. Коэффициент усиления становится равным и напряжение U вых начинает уменьшатся, коэффициент усиления снова становится больше 3 и U вых снова будет уменьшатся, но уже и в противоположном направлении. Таким образом стабилитроны предотвращают насыщение.

При использовании данного генератора нагрузку желательно подключать через буферный каскад.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector