Источники тока, сделанные просто

Free energy. Генератор электричества из консервной банки. (June 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Конструктивные соображения для различных уровней выходного тока, кратковременных шумов и проблем соответствия напряжению

НИКОЛАЙС У. СМИТ
Интегрированная технология устройств
www.idt.com

Источник тока является критическим компонентом в большинстве интегрированных и дискретных цепей и может быть описан как электрическая схема, которая генерирует устойчивый поток электронов в течение определенного периода времени независимо от того, какое сопротивление нагрузки он ведет. Теперь роль, которая делает текущий источник интересной, заключается в том, что он подает ток с постоянным потоком в любую нагрузку, реактивную или резистивную, если существует полный путь прохождения тока.

Любой хороший учебник (1) скажет вам, что источник тока подает постоянный ток и может принимать любое падение напряжения, необходимое источнику для поддержания этого тока и рисуется как одно из изображений на рисунке 1a. Чисто теоретический способ думать о том, что на самом деле делает текущий источник, будет тем, что будет делать схема Теории на рис. 1b. Эта схема, если бы она существовала, контролировала бы напряжение на известном сопротивлении, сохраняя при этом падение напряжения на этом компоненте, как показано на рисунке 1b.

Рисунок 1: Схематические обозначения тока (a), генератор тока постоянного тока (b).

Символ схемы, показанный на рисунке 1b, должен работать, не выполняя никакой работы. Эта схема заставит напряжение в Z KNOWN, не подавая никакого тока в Z KNOWN или не вытягивая любой ток из других цепей, подключенных к Z KNOWN. Эта схема всегда будет поддерживать напряжение независимо от того, насколько быстро изменилась нагрузка; поэтому потребуется бесконечная пропускная способность, чтобы она могла быстро реагировать на изменение сигналов и скачков тока или напряжения.

Эта схема в коробке заставит элементы схемы, подключенные к Z KNOWN, подавать ток, необходимый для соответствия закону Ома и, таким образом, фиксировать ток, протекающий через Z KNOWN, чтобы сделать VZ падением напряжения.

Хотя этой схемы не существует, идея заставить известное напряжение упасть на известное сопротивление для создания постоянного тока будет основной теорией функционирования источников тока, обсуждаемых в этой статье. Концепция фиксации напряжения на известном импедансе для генерации известного тока может быть легко расширена с помощью программируемого резистора, чтобы разрешить в цепи изменения выходного тока схемы.

Конструктивные соображения

Источник тока показан на рис. 2, с использованием стабилитрон для генерации опорного напряжения может быть найдено в области электроники, П. Horrowitz и У. Хилл. (2) Если R 1 на фиг.2 является программируемым резистором, то Iout легко управляется с использованием шины I 2 C или USB. Схема, показанная на фиг. 2 представляет собой источник тока, который использует стабилитрон для генерирования опорного напряжения, V REF R 1 капли опорного напряжения для генерации тока, ОУ и Р-Ch FET канала стабилизации цикла.

Важным ключом к точности является ограничение источников ошибок, таких как шум и смещение напряжения. Эта схема дополнительно улучшена за счет использования нескольких конденсаторов для уменьшения шума и для статических нагрузок постоянного тока. Конденсатор C OUT имеет нижнюю сторону замедления времени отклика источника тока для быстро меняющихся нагрузок, таких как переходные нагрузки.

Рис. 2: Простой источник тока с использованием стабилитрона в качестве опорного напряжения 1.

Когда присутствует V DD, работа этой схемы определяется обратным смещением стабилитрона и понижением напряжения зенера (VZ) на его клеммах. Ток, протекающий от V DD через стабилитрон, ограничен R 2. Резистор R 2, ограничивает ток на различные уровни в зависимости от фактического напряжения V DD и этот компонент будет стабилизировать опорное напряжение, генерируемое напряжением стабилитрона.

Другой фактор, который может сместить опорное напряжение не зависит от температуры; поэтому важно не рассеивать большую мощность в зенере, чтобы заставить дизайнера сделать R 2 большим омическим значением. Поскольку R 2 обычно находится в диапазоне 100 кОм или более, C IN является ценным дополнением для уменьшения высокоскоростного шума на неинвертирующем входе путем шунтирования сигнала на землю. Это поможет, если операционный усилитель не реагирует на нежелательные источники высокочастотных шумов.

Полюс, созданный R 2 и C IN, изменяет отклик схемы и увеличивает время установления при запуске. Другой источник ошибок исходит из изменений в V DD, потому что изменения в подаче меняют ток через стабилизатор, тем самым изменяя значение напряжения. Это означает, что источник тока, как правило, имеет плохую подачу питания.

Эти ошибки можно избежать, отрегулировав R 1 или R 2 при изменении источника питания. Поскольку неинвертирующий вход операционного усилителя фиксирован на V DD - VZ, это будет напряжение, которое операционный усилитель попытается исправить, управляя затвором ПЧ-транзистора и открывая канал проводимости, чтобы позволить I OUT для потока.

Добавление C OUT будет способствовать стабильности, не позволяя напряжению мгновенно изменять резистор R 1. Зенера следует выбирать, сохраняя диапазон входного напряжения и диапазона выходного напряжения ОУ, чтобы предотвратить попадание ОУ в одну из направляющих. Также полезно сохранить это напряжение малым, поэтому мощность в R 1 остается низкой, чтобы у компонента не было проблемы с дрейфом сопротивления, вызванного нагревом. Узел I OUT может управлять любым импедансом, если I OUT * импеданс нагрузки не превышает V DD VZ.

Наконец, как следует из уравнения на фиг.2, I OUT вычисляется просто путем деления VZ на R 1. Это хороший источник тока, но подавление электропитания плохое, и нагрузки должны быть привязаны к земле, или должны быть сделаны особые соображения для негативных нагрузок. Большое улучшение может быть сделано путем изменения топологии и использования дополнительного операционного усилителя и дискретного опорного напряжения IC. Эта архитектура показана на рисунке 3 с отображенным простым примером с низким током.

Рис. 3: Изменение топологии и использование дополнительного операционного усилителя и дискретный источник опорного напряжения IC.

В схеме, показанной на рисунке 3, ток постоянного тока будет поступать из узла I OUT в узел Com. Напряжение Com может быть любым напряжением в рельсах питания усилителей U 1 и U 2, если учитывать устойчивость усилителя вблизи их рельсов питания. Эта конструкция использует LDO в качестве опорного напряжения 1, 2 В постоянного тока.

Величина импеданса нагрузки ограничена умножением I OUT х RL и гарантии того, напряжение узла I OUT меньше положительная шина питания из U 1 минус опорного напряжения. Предполагая, что схема работает в стационарном режиме, падение напряжения на RL рассчитывается путем умножения импеданса нагрузки на запрограммированный ток (I OUT).

Ток I OUT определяется путем взятия опорного напряжения и деления на величину резистора R 1. В этом примере R1 представляет собой 1, 2 кОм, поэтому принимать опорное напряжение, разделенное на R 1, I OUT оказывается 1 мА. Теперь, начиная с напряжения на узле Com и добавляя I OUT x RL, определяется напряжение на узле I OUT. Поскольку U 2 находится в конфигурации буфера, узел A является почти таким же напряжением, как и I OUT. LDO принимает это напряжение и добавляет 1.2 V к этому значению, которое напряжение на узле B. Далее, U 1, другой буфер заставляет напряжение на узел B появляться на узел C. Теперь узел C фиксируется и удерживается на опорном напряжении выше напряжения узла I OUT, независимо от значения RL или напряжения на опорной точке «Com.» пример был проиллюстрирован с Com выдерживают при 0 в, а напряжение на каждом узле было отмечено при условии, показанные значения компонентов. В приложениях с низким током, например, показанном, U 1 можно обойти, чтобы удалить ошибку смещения U 1 вводится в систему до тех пор, пока LDO, выбранный для ссылки, имеет достаточную возможность доставки тока.

Особые соображения

При выборе компонентов этой схемы следует учитывать некоторые особые соображения. U 1 является основным усилителем драйвера и, следовательно, должен обеспечивать большее количество тока, чем максимальная требуемая настройка выходного тока. Ток, выходящий из узла I OUT, всегда будет I OUT = V REF / R 1, когда присутствует нагрузка, которая завершает схему, и ни вход, ни выход усилителя не должны подниматься над рельсами питания.

В идеальном случае оба усилителя будут работать с напряжением на входе и выходе рельса на рельсы, чтобы обеспечить максимальное соответствие напряжения источника тока. Возможно закрепление выходного напряжения на I OUT путем размещения дополнительных стабилитронов на узле B на землю. Это закрепит напряжение на I OUT на «зажимное» напряжение стабилитрона.

Другим способом повышения производительности является выбор высокоскоростных усилителей, чем выше производительность полосы пропускания, тем быстрее контур реагирует на изменения нагрузки. Как обсуждалось с источником источника, связанным с генератором zener, шум может быть уменьшен с добавлением конденсатора параллельно с R 1, этот конденсатор снова не позволит мгновенному изменению напряжения на R 1, создавая тем самым более постоянное напряжение на резисторе который фиксирует ток, который выводится источником. Некоторыми хорошими приложениями для этого типа схем являются нагрузки для устройств, которые испытывают, заряжают или разряжают батареи при правильном использовании зажима (может быть опасно перезарядить батарею Li +) или управлять светодиодной подсветкой с постоянным током.

В духе постоянного улучшения и создания схем, более идеальных и гибких, некоторые идеи улучшения источника на рисунке 3 были добавлены к источнику на рисунке 4. Здесь добавлены несколько стабилитронов, каждая из которых будет иметь разные стабилизирующего напряжения и, таким образом, путем соединения катодов один раз с программистом, создается зажим напряжения, который ограничивает напряжение I OUT до безопасного программируемого уровня напряжения, ограничивая напряжение на узле B. Кроме того, R 1 стал программируемым резистором, выходные токи, которые должны быть достигнуты посредством программирования или регулировки потенциометра. Конденсатор также добавляется параллельно с R 1 для замедления изменения напряжения на резисторе и снижения плотности шума выходного тока. К сожалению, этот конденсатор уменьшает пропускную способность и время отклика переходных процессов, поэтому следует тщательно следить за выбором, чтобы получить наилучший компромисс между шумом и скоростью. Последнее замечание касается источника тока для текущего источника. Независимо от того, какая нагрузка или какая она привязана, в конечном итоге весь ток, входящий в нагрузку, должен вернуться к одной из подающих рельсов, питающих U 1, как показано; поэтому узел Ком должен иметь наименьший возможный путь полного сопротивления обратно к источнику питания, обеспечивающему мощность усилителя U 1.

Рисунок 4: Источник тока улучшен.

Это все отличные источники тока, которые следует исследовать и использовать для их простоты и гибкости. Источник на рисунке 4 специально настраивается, и приложения бесконечны, имеют удовольствие, тонко настраивая источник, чтобы полностью удовлетворить потребности вашего груза. ■

Рекомендации-

1. Нильссон, Джеймс и Ридель, Сьюзан. Электрические цепи, восьмое издание. Prentice Hall. Май 2007. Печать.

2. Горовиц, Пол и Хилл, Уинфилд. Искусство электроники. Кембриджский университет. Июль 1989. Печать.