Разделы

В сети

Пользователей: 120
Из них просматривают:
Аналоги: 47. Даташиты: 15. Инструкции: 6. Магазин: 1. Новости: 20. Остальное: 7. Ошибки: 3. Партнёры: 1. Программы: 1. Производители: 2. Профиль пользователя: 2. Торрент: 2. Форум: 10. Чат: 3.
Участников: 5
Гостей: 115

KT315 , alex01981 , Google , wolf170571 , Яндекс , далее...
Рекорд 2375 человек онлайн установлен 26.12.2015.

Партнёры


Партнёры

Новые объявления

Источники питания

Мощные источники регулируемого тока на операционных усилителях

Написал MACTEP в 25.03.2012 23:00:00 (37536 прочтений)

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.



Схема источника тока с нагрузкой в цепи обратной связи ОУИсточники 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:

     I = (U1 – UД)/R,
     UД = –(UOUT/KU),

     U2 = UOUT – U1,

 

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

   

Источник тока с эмитерным повторителемТаким 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.

 

Логарифмические частотные характеристики для Примера 1

 
Логарифмические частотные характеристики для Примера 1Типичная 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
f-2


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.

 
Схема источника тока с ПИ-регуляторомДля 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
f3
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.

 

Модель схемы рис. 5 в среде VisSim

 

Логарифмические частотные характеристики для Примера 2Недостаток 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:

Ku (∆U1 – ∆IsR) = ∆UGS + ∆ISR,           (3)

 

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.

 

Схема источника тока с МОП,транзистором 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.

 
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/В2] - удельная крутизна - параметр, мало зависящий от тока стока.

 

Дифференциальная проводимость транзистора

 

 или, с учётом (6),

а крутизна

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.

 
Схема источника тока с каскодным включением транзисторовЕсли 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.

 

12
 
Комментарии принадлежат их авторам. Мы не несем ответственности за их содержание.
Отправитель Нити

Разное

Из старых спиц от велосипеда или зонта, вплавленных паяльником в цилиндрические куски пластмассы, получаются удобные регулировочные отвертки.

Интересно

Если, нет специального оборудования, типа паяльной станции и фенов, для отпайки микрочипа можно воспользоваться тонким фторопластовым проводом.

Похожие новости