Генератор тока на операционном усилителе: Источники тока на операционных усилителях, схемы и расчёты – 43 Генераторы стабильных токов на ОУ — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Источники тока на операционных усилителях, схемы и расчёты

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 I_н≈ U_вх/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 I_н≈ U_вх/R1.
На самом деле, коэффициент усиления биполярного транзистора имеет конечное значение, а полная формула тока нагрузки выглядит следующим образом I_н= U_вх×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: I_н≈ (Еп-U_вх)/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 I

н≈ U_вх/R1, а для повышения выходного сопротивления источника тока вместо простого биполярного выходного транзистора следует включить составной или полевой транзистор.

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 RF, как это

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

Рис. 1

Для схемы рис. 1а

Iн = -I1 = -U0 ¹ f (Rн ),

а для схемы рис. 1б

Iн = I1 = U0 ¹ f (Rн ). R1

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. 2а нагрузка включена между коллектором транзистора и источ-

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

усилителя в условиях глубокой обратной связи равно нулю

Iн = IR1 = U0 .

Для второй схемы по той же причине

Iн = IR1 = E+ −U0 . R1

Следует обязательно следить за тем, чтобы напряжения питания опера- ционого усилителя были достоточной велики для работы его в линейном ре- жиме. В частности при U0 ≈ 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

(рис. 3).

Рис. 3

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.

Стабилизатор тока на оу

Рис.1

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 I

н≈ U_вх/R1.
На самом деле, коэффициент усиления биполярного транзистора имеет конечное значение, а полная формула тока нагрузки выглядит следующим образом I_н= U_вх×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: I_н≈ (Еп-U_вх)/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

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассматривал RC генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний на ОУ. В данной статье я рассмотрю стабилизаторы напряжения, в основе которых лежат операционные усилители. Основное преимущество ОУ при использовании их в стабилизаторах напряжения является то, что ОУ обладает большим коэффициентом усиления (несколько десятков тысяч). Поэтому они позволяют получить нестабильность выходного напряжения порядка 0,001 %.

Основная схема компенсационного стабилизатора напряжения

Большинство современной силовой электроники представлено импульсными источниками питания, которые обладают высоким КПД и небольшими габаритными размерами. Однако линейные стабилизаторы напряжения также находят своё применение, прежде всего в устройствах небольшой мощности, а также в схемах, где не желательны импульсные помехи.

Как известно линейные источники питания разделяются на последовательные и параллельные в зависимости от схемы подсоединения регулирующего элемента относительно выхода. Наибольшее распространение получили последовательные стабилизаторы, так как могут обеспечить КПД и стабилизацию больше чем параллельные, из основных достоинств которых является возможность перегрузки по току и способность выдерживать короткое замыкание.

Кроме схемы подключения регулирующего элемента, стабилизаторы напряжения классифицируются по способу регулирования выходного напряжения: параметрические и компенсационные. Работа параметрических стабилизаторов основана на нелинейных свойствах регулирующих элементах, то есть при значительном изменении тока протекающего через него падение напряжения на регулирующем элементе мало изменяется. Такие стабилизаторы применяются в схемах небольшой мощности до нескольких ватт. Наибольшее распространение получили схемы последовательных стабилизаторов компенсационного типа, структурная схема, которого представлена ниже

Структурная схема компенсационного стабилизатора последовательного типа.

В одной из статей я рассказывал о компенсационных стабилизаторах напряжения, выполненных на транзисторах, поэтому напомню принцип его работы. Схема состоит из чётырёх основных частей: источник образцового напряжения И, элемента сравнения ЭС, усилительного элемента У и регулирующего элемента Р. Элемент сравнения сравнивает выходное напряжение U1 с напряжение вырабатываемым источником образцового напряжения и выдаёт ошибку сравнения на усилительный элемент, где происходит усиление ошибки сравнения и вырабатывается управляющий сигнал для регулирующего элемента.

Довольно часто в простых схемах происходит объединение элемента сравнения и усилителя (а иногда и регулирующего элемента в слаботочных схемах) в одно устройство. В современных схемах функции элемента сравнения и усилителя выполняют на ОУ.

Схема стабилизатора напряжения на ОУ

Для построения стабилизатора напряжения используется масштабирующий усилитель на ОУ в неивертирующем включении. Схема такого стабилизатора напряжения показана ниже

Схема стабилизатора напряжения на ОУ.

Схема состоит из ОУ DA1, резисторов обратной связи R1 и R2 и источника опорного напряжения U_ОП. Выходное напряжение будет определяться известной формулой для неинвертирующего усилителя

Таким образом, качество стабилизатора напряжения будет определяться качеством источника опорного напряжения, так как ОУ даже с очень хорошими параметрами и высоким коэффициентом усиления не может обеспечить стабильность выходного напряжения.

Существует несколько видов источников опорного напряжения: стабилитрон, источник опорного напряжения со стабилизатором тока и интегральные стабилизаторы напряжения. Рассмотрим их по отдельности.

Использование стабилитрона в качестве источника опорного напряжения

Стабилитрон широко используется практически во всех стабилизаторах напряжения, так как имеет нелинейную вольт-амперную характеристику, что позволяет при широком изменении тока нагрузки практически оставаться стабильным выходному напряжению. Схема стабилизатора напряжения с использованием стабилитрона в качестве источника опорного напряжения показана ниже

Схема, иллюстрирующая использование стабилитрона в качестве источника опорного напряжения.

На данной схеме опорное напряжение задаётся параметрическим стабилизатором напряжения R1VD1, что даёт удовлетворительные результаты в большинстве практических случаях. При этом величина опорного напряжения соответствует величине напряжения стабилизации стабилитрона VD1, а разность между входным напряжением стабилизатора и опорным рассеивается на резисторе R1. Номиналы элементов параметрического стабилизатора выбираются из следующих соотношений

где U_CT – напряжение стабилизации стабилитрона,

I_СТ – номинальный ток стабилизации стабилитрона.

Схема с использование стабилитрона в качестве источника опорного напряжения обеспечивает умеренный уровень стабилизации, составляющий доли процента (обычно 0,1…0,05%), значительно лучшие показатели обеспечиваются, если вместо гасящего резистора R1 применить стабилизатор тока.

Использование стабилизатора тока в источнике опорного напряжения

Достаточно часто стабилизаторы напряжения используются в схемах, где входящие нестабилизированное напряжение может изменяться в пределах нескольких вольт, а иногда и выше. Данное условие приводит к тому, что в схеме параметрического стабилизатора R1VD1, показанного на рисунке выше, приводит к изменению тока проходящего через стабилитрон, тем самым изменяя его напряжение стабилизации в пределах долей вольта. Для недопущения таких изменений в схему источника опорного напряжения вводят стабилизатор тока. Схема стабилизатора напряжения на ОУ со стабилизатором тока в цепи опорного напряжения приведена ниже

Стабилизатор напряжения на ОУ со стабилизатором тока в цепи опорного напряжения.

В данной схеме вместо гасящего резистора параметрического стабилизатора введён стабилизатор тока R1VD1VT1R2, что позволяет свести колебания тока стабилизации стабилитрона VD2 к нескольким процентам, при колебании входящего нестабилизированного напряжения в пределах десятков процентов. В итоге коэффициент стабилизации источника опорного напряжения достигнет нескольких сотен, в то время как стабилизации обычного параметрического стабилизатора напряжения едва достигает нескольких десятков.

Ещё одним применение данной схемы является регулируемый источник опорного напряжения. Для этого достаточно заменить стабилитрон VD2 переменным резистором, что позволяет при постоянном токе, задаваемым стабилизатором тока, изменяя сопротивление переменного резистора в широких пределах регулировать опорное напряжение, тем самым регулирую выходное напряжение стабилизатора тока.

Регулируемый стабилизатор напряжения на ОУ.

Однако данная схема не может обеспечить такой же стабильности, как схемы на стабилитронах описанные выше, поэтому она применяется крайне редко.

Наибольшую стабильность позволяют получить схемы, где в качестве источников опорного напряжения применяются интегральные стабилизаторы напряжения.

Использование интегральных стабилизаторов напряжения в качестве источников опорного напряжения

Интегральные стабилизаторы напряжения, выпускаемые промышленностью в настоящее время, имеет широкую номенклатуру изделий, и характеризуются высокими техническими параметрами. Так, например, широко применяемая микросхема стабилизатора напряжений серии КР142ЕН выпускаются на различные стабилизируемые напряжения от 5 до 30 В, имеют коэффициент нестабильности по напряжения не менее 0,1 %/В, а коэффициент сглаживания пульсаций не менее 30 дБ. Поэтому они наилучшим образом подходят в качестве источников опорного напряжения в мощных линейных стабилизаторах напряжения. Схема использования их в качестве опорных источников напряжения показана ниже

Использование интегральных стабилизаторов напряжения в качестве источника опорного напряжения.

Согласно технической документации микросхемы типа КР142ЕНхх на вход и выход необходимо включить конденсаторы: С1 ≥ 2,2 мкФ, С2 ≥ 1 мкФ.

При использовании интегральных стабилизаторов достаточно просто реализовать регулируемый стабилизатор напряжения, для этого достаточно поставить на выходе источника опорного напряжения переменный резистор, со среднего отвода которого снимать напряжение на операционный усилитель

Регулируемый стабилизатор напряжения с интегральным стабилизатором в качестве опорного напряжения.

Вышеописанные схемы стабилизаторов напряжения на ОУ позволяют получить очень хорошие показатели стабильности выходного напряжения. Однако ОУ не могут обеспечить достаточно большой выходной ток (обычно несколько десятков мА), поэтому выходная мощность ограничена долями ваттами, в зависимости от выходного напряжения.

Для того чтобы такие стабилизаторы отдавали больше мощности необходимо на его выходе включить каскад усилителя мощности в виде транзистора.

Увеличение выходной мощности стабилизатора напряжения

Для того чтобы такие стабилизаторы отдавали больше мощности необходимо на его выходе включить каскад усилителя мощности в виде транзистора или нескольких параллельно-последовательных транзисторов, который иногда называют бустером выходного тока. Простейшая схема стабилизатора напряжения на ОУ с бустерным каскадом показана ниже

Стабилизатор напряжения на ОУ с выходным бустерным каскадом.

В схеме стабилизатора напряжения для увеличения выходной мощности включён бустерный каскад на транзисторе VT1. Для ограничения максимального выходного тока ОУ введён резистор R2, который может быть определён по следующему выражению

где U_КЭнас – напряжение насыщения коллектор-эмиттер бустерного транзистора,

I_{ВЫХ.МАХ} – предельный выходной ток ОУ.

Иногда возникает ситуация когда усиления одного транзистора не хватает для требуемой выходной мощности, поэтому применяют составные транзисторы по схеме Дарлингтона или Шиклаи для увеличения коэффициента усиления по току.

Схемы с одним бустерным транзистором или транзистором Дарлингтона обычно используют для получения выходных токов стабилизатора до нескольких ампер. При необходимости выходного тока большего значения выходной транзистор составляют из нескольких параллельных для увеличения отдаваемой мощности.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Стабилизаторы тока

Бывают случаи, когда необходимо пропускать стабильный ток через светодиоды, ограничить ток зарядки аккумуляторов или испытать источник питания, а реостата под рукой нет. В этом, и не только, случае помогут специальные схемотехнические решения ограничивающие, регулирующие и стабилизирующие ток. Далее подробно рассмотрены схемы стабилизаторов и регуляторов тока

Источники тока, в отличие от источников напряжения, стабилизируют выходной ток, изменяя выходное напряжение так, чтобы ток через нагрузку всегда оставался одинаковым.
Таким образом, источник тока отличается от источника напряжения, как вода отличается от суши. Типичное применение источников тока – питание светодиодов, зарядка аккумуляторов и т.п.
Внимание! Не путайте стабилизатор тока со стабилизатором напряжения! Это может плохо кончиться =)

Простой стабилизатор тока на КРЕНке

Для этого стабилизатора тока достаточно применить КР142ЕН12 или LM317. Это регулируемые стабилизаторы напряжения способные работать с токами до 1,5А, входными напряжениями до 40В и рассеивают мощность до 10Вт (при соблюдении теплового режима).
Схема и применение показаны на рисунках ниже

Стабилизатор тока на КР142ЕН12 (LM317)

Стабилизатор тока на КРЕН в качестве зярядного устройства

Собственное потребление данных микросхем относительно невелико – около 8мА и это потребление практически не меняется при изменении тока протекающего через крен или изменения входного напряжения. Как видим, в вышеприведенных схемах, стабилизатор LM317 работает как стабилизатор напряжения, удерживая на резисторе R3 постоянное напряжение, которое можно регулировать в некоторых пределах построечным резистором R2. В данном случае R3 называется токозадающим резистором. Поскольку сопротивление R3 неизменно, то ток через него будет стабильным. Ток на входе крен будет примерно на 8мА больше.

Таким образом, мы получили простой как веник стабилизатор тока, который может применяться как электронная нагрузка, источник тока для заряда аккумуляторов и т.п.

Интегральные стабилизаторы достаточно шустро реагируют на изменение входного напряжения. Недостаток же такого регулятора тока – весьма большое сопротивление токозадающего резистора R3 и как следствие необходимость применять более мощные и более дорогие резисторы.

Простой стабилизатор тока на двух транзисторах

Достаточно широкое распространение получили простенькие стабилизаторы тока на двух транзисторах. Основной минус данной схемы – не очень хорошая стабильность тока в нагрузке при изменении питающего напряжения. Впрочем, для многих применений сгодятся и такие характеристики.

Далее показана схема стабилизатора тока на транзисторе. В данной схеме токозадающим резистором является R2. При увеличении тока через VT2, увеличится напряжение на токозадающем резисторе R2, которое при величине примерно 0,5…0,6В начинает открывать транзистор VT1. Транзистор VT1 открываясь начинает закрывать транзистор VT2 и ток через VT2 уменьшается.

Стабилизатор тока на транзисторах

Вместо биполярного транзистора VT2, можно применить MOSFET – полевой транзистор.

Стабилитрон VD1 выбирается на напряжение 8…15В и необходим в случаях, когда напряжение источника питания достаточно велико и может пробить затвор полевого транзистора. Для мощных MOSFET это напряжение составляет порядка 20В. Далее показана схема стабилизатора тока с использованием MOSFET.

Стабилизатор тока на полевом транзисторе

Нужно учитывать, что MOSFET открываются при напряжении на затворе не менее 2В, соответственно увеличивается и напряжение, необходимое для нормальной работы схемы стабилизатора тока. При зарядке аккумуляторов и некоторых других задачах вполне достаточно будет включить транзистор VT1 с резистором R1 непосредственно к источнику питания так, как это показано на рисунке:

Стабилизатор тока на полевом транзисторе

В схемах стабилизатора тока на транзисторах необходимое значение токозадающего резистора для заданного значения тока примерно в два раза меньше, чем в схемах со стабилизатором на КР142ЕН12 или LM317. Это позволяет применить токозадающий резистор меньшей мощности.

Стабилизатор тока на операционном усилителе (на ОУ)

Если необходимо собрать регулируемый в широких пределах стабилизатор тока или стабилизатор тока с токозадающим резистором на порядок или даже два ниже, чем на схемах, показанных ранее, можно применить схему с усилителем ошибки на ОУ (операционном усилителе). Схема такого стабилизатора тока показана на рис:

Стабилизатор тока на операционном усилителе

В данной схеме токозадающим является резистор R7. ОУ DA2.2 усиливает напряжение токозадающего резистора R7 – это усиленное напряжение ошибки. ОУ DA2.1 сравнивает опорное напряжение и напряжение ошибки и регулирует состояние полевого транзистора VT1.

Обратите внимание, что схема требует отдельного питания, подаваемого на разъем XP2. Напряжение питания должно быть достаточным для работы компонентов схемы и не превышать значения напряжения пробоя затвора MOSFET VT1.

В качестве генератора опорного напряжения в схеме на рис. 7 применена микросхема DA1 REF198 с выходным напряжением 4,096В. Это достаточно дорогая микросхема, поэтому ее можно заменить обычной кренкой, а если напряжение питания схемы (+U) является стабильным, то и вовсе обойтись без стабилизатора напряжения в данной схеме. В этом случае переменный резистор R подсоединяется не к REF, а к +U. В случае электронного управления схемой вывод 3 DA2.1 можно подключить непосредственно к выходу ЦАП.

Для настройки схемы необходимо выставить ползунок переменного резистора R1 в верхнее по схеме положение, подстроечным резистором R3 установить необходимое значение тока – это значение будет максимальным. Теперь резистором R1 можно регулировать ток через VT1 от 0 до установленного при настройке максимального тока. Элементы R2, C2, R4 необходимы для предотвращения возбуждения схемы. Из-за этих элементов временные характеристики не являются идеальными, что видно по осциллограмме

Осциллограмма стабилизатора тока на ОУ

На осциллограмме луч 1 ( желтый ) показывает напряжение нагружаемого ИП (источника питания), луч 2 ( голубой ) показывает напряжение на токозадающем резисторе R7. Как видно, в течение 80 мкс через схему протекает ток в несколько раз больше установленного.

Стабилизатор тока на микросхеме импульсного стабилизатора напряжения

Иногда от стабилизатора тока требуется не только работать в широком диапазоне питающих напряжений и нагрузок, но и иметь высокий КПД. В этих случаях компенсационные стабилизаторы не годятся и на смену им приходят стабилизаторы импульсные (ключевые). Кроме того, импульсные стабилизаторы могут при небольшом входном напряжении получать высокое напряжение на нагрузке.

Далее предлагается к рассмотрению широко распространенная микросхема MAX771. Основные характеристики MAX771:

Напряжение питяния 2…16,5В
Собственное потребление 110uA
Выходная мощность до 15W
КПД при токе нагрузки 10mA…1A достигает 90%
Опорное напряжение 1,5V

На рисунке показан один из вариантов включения микросхемы, именно его мы и возьмем за основу нашей схемы.

MAX771 включен как повышающий стабилизатор напряжения

Упрощенно процесс стабилизации выглядит следующим образом. Резисторы R1 и R2 являются делителями выходного напряжения микросхемы, как только делимое напряжение, поступающее на вывод FB микросхемы MAX771, больше опорного напряжения (1,5V) микросхема уменьшает выходное напряжение и наоборот — если напряжение на выводе FB меньше 1,5V, микросхема увеличивает входное напряжение.

Очевидно, что если контрольные цепи изменить так, чтобы MAX771 реагировала (и соответственно регулировала) выходной ток, то мы полчим стабилизированный источник тока.
Ниже показаны модифицированная схема с ограничением выходного напряжения и вариант нагрузки.

При небольшой нагрузке, пока падение напряжения на токоизмерительном резисторе R3 меньше 1,5V, схема на Рис.10a работает как стабилизатор напряжения, стабилизируя напряжение на уровне стабилитрона VD2 + 1,5V. Как только ток нагрузки становится достаточно большим, на R3 падение напряжения увеличивается и схема переходит в режим стабилизации тока.

Резистор R8 устанавливается в том случае, если напряжение стабилизации может быть большим — больше 16,5V. Резистор R3 является токозадающим и рассчитывается по формуле: R3 = 1,5/Iст.
Недостатком схемы является достаточно большое падение напряжения на токоизмерительном резисторе R3. Данный недостаток устраняется применением операционного усилителя (ОУ) для усиления сигнала с резистора R3. Например, если резистор требуется уменьшить в 10 раз при заданном токе, то усилитель на ОУ должен усилить напряжение падающее на R3 тоже в 10 раз.

Заключение

Итак, было рассмотрено несколько схем выполняющих функцию стабилизации тока. Конечно же, эти схемы можно улучшать, увеличивая быстродействие, точность и т.д. Можно применять в качестве датчика тока специализированные микросхемы и делать сверхмощные регулирующие элементы, но эти схемы идеально подходят в тех случаях, когда требуется быстро создать инструмент для облегчения своей работы или решения определенного круга задач.

Источник стабильного тока от 5 мкА до 20 мА / Habr

Источник стабильного тока понадобился автору для отладки схем на биполярных транзисторах, которые, как известно, управляются током. Важное требование к нему — изоляция общего провода прибора от общего провода отлаживаемого устройства, поэтому источник питания пришлось взять автономный. Встроенный четырёхразрядный микроамперметр с автоматическим переключением пределов позволяет немного уменьшить количество аппаратуры, одновременно размещаемой на столе экспериментатора.

Идея схемы взята отсюда. Собственно источник стабильного тока устроен так:

Сопротивление резистора R1 некритично, нужно только, чтобы ток базы транзистора Т1 полностью открывал его. Коэффициент передачи тока транзистора BC559C — около 500, верхний предел регулировки тока у источника — 20 мА, значит, 200 мкА через базу — более чем достаточно. Резистор в 10 кОм обеспечит около 1 мА при 10 В, в принципе, можно увеличить его даже до 50 кОм.

Транзисторы Т1 и Т2 должны быть одинаковыми, но при больших токах параметры Т1 всё равно будут немного «уплывать» из-за небольшого нагрева.

Ток, подаваемый устройством во внешнюю цепь, определяется суммарным сопротивлением резисторов R3 — R5. Их функции: R3 — ограничение тока в случае, если оба переменных резистора вывернуты «в нуль», R4 — точная регулировка тока, R5 — грубая. Ток рассчитывается по формуле I=0.7/(R3+R4+R5), поэтому, например, если резистор R3 взять сопротивлением в 27 Ом, верхний предел регулировки тока составит 0.7/27=25,9мА. На практике получилось 21,6 мА, поскольку падение напряжения на транзисторе Т2 оказалось меньше — около 0,6 В.

Полная схема устройства:

«Крона» питает источник стабильного тока, два элемента ААА — четырёхразрядный микроамперметр. Поэтому выключатель питания взят с двумя нормально разомкнутыми группами контактов. Переключатель S1 позволяет отключить верхнюю клемму и замкнуть источник тока накоротко, чтобы настроить его заранее, до подключения к отлаживаемой схеме.

Параметры на практике получились следующими: максимальный ток — 21,6 мА, максимальный ток при «грубом» регуляторе, вывернутом «в нуль» — 0,3 мА, минимальный — 4,7 мкА. Правда, встроенный микроамперметр меньше 10 мкА не показывает, поэтому внешний иногда может и потребоваться. Выставленный ток остаётся практически неизменным при изменении напряжения на внешней цепи от 0 до 8 В.

Микроамперметр сделан из мультиметра с автоматическим переключением пределов JT-033A фирмы SHENZHEN JINGTENGWEI INDUSTRY CO.,LTD: переключатель режимов удалён, вместо него впаяны перемычки, заставляющие его всегда работать в режиме измерения тока.

Расположение компонентов в корпусе следующее:

Jim сделал симуляцию схемы в Falstad, автор её немного переработал для отображения большего количества параметров, получилось:

$ 1 0.000005 7.619785657297057 65 5 50
t 224 240 176 240 0 -1 0.6771607865907852 -0.5873050244463638 500
t 256 272 304 272 0 -1 1.8738439949380101 -0.6771607865907852 500
r 176 304 176 400 0 10000
v 80 288 80 192 0 0 40 9 0 0 0.5
w 176 304 176 272 3
w 176 272 176 256 0
w 176 224 176 32 1
w 176 32 80 32 0
w 80 32 80 192 0
w 80 288 80 400 0
w 80 400 176 400 3
w 176 400 304 400 0
w 304 336 304 288 3
w 304 240 224 240 1
174 304 128 352 48 0 5000 0.9950000000000001 Resistance
w 176 32 304 32 2
w 304 256 304 240 0
w 304 240 304 208 2
w 304 128 336 128 0
w 352 80 352 128 0
w 352 128 336 128 0
w 256 272 176 272 1
w 304 128 304 208 1
r 304 336 304 400 0 250

Результат симуляции:

А вот результат симуляции при сопротивлении резистора R1 в 100 кОм:

Генераторы на ОУ: мультивибраторы | HomeElectronics

Всем доброго времени суток! Прошлая статья была посвящена компараторам и триггерам Шмитта на операционных усилителях. Я упоминал, что они служат основой для построения различных видов генераторов колебаний. Среди всех типов генерируемых сигналов можно выделить четыре основных формы импульса: прямоугольная, треугольная, пилообразная и синусоидальная. В соответствии с этими формами импульса получили названия и генераторы сигналов.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Принцип построения импульсных генераторов на ОУ

В предыдущих статьях я рассказывал об импульсных генераторах с различной формой импульсов, выполненных на транзисторах. Для простых устройств их, возможно, применять, но для создания сложных устройств с регулировкой различных параметров их схемы оказываются неоправданно трудоёмкими в настройке и разработке. Поэтому для упрощения схемотехнической реализации применяют генераторы импульсов в основе, которых лежат операционные усилители.

В общем случае для получения импульсов различной формы требуется замкнутая система, которая состоит из трёх основных частей: интегратора, компаратора и логической схемы.

Блок-схема генератора колебаний различной формы.

Хотя схема состоит из трех частей, но довольно часто в простых генераторах применяют один-два операционных усилителя. Для повышения гибкости и универсальности схем генераторов можно добавлять дополнительные ОУ.

Первой рассматриваемым генератором будет мультивибратор, то есть генератор прямоугольных импульсов.

Автоколебательный мультивибратор на ОУ

Автоколебательный мультивибратор или просто мультивибратор называют генератор прямоугольных импульсов. В его основе лежит триггер Шмитта или компаратор с гистерезисом, но в отличие от триггера напряжение в мультивибраторе формируется интегрирующей цепочкой R1C1. Ниже приведена схема мультивибратора на ОУ

Схема автоколебательного мультивибратора на операционном усилителе.

Данный мультивибратор состоит из операционного усилителя DA1, который охвачен положительной обратной связью через резисторы R2R3 и отрицательной обратной связью при помощи интегрирующей цепочки R1C1.

Рассмотрим работу мультивибратора. В основе работы мультивибратора лежит триггер Шмитта, который создается ПОС при помощи резисторов R2R3. Так как опорное напряжение триггера равно нулю, то напряжение верхнего порогового уровня будет равно

а нижнего порога переключения триггера

Таким образом, в момент подачи питания конденсатор полностью разряжен, то есть на инвертирующем входе ОУ напряжение равно нулю. В тоже время на выходе ОУ, вследствие неидеального ОУ, присутствует некоторое положительное напряжение, часть которого через ПОС R2R3 поступает на неинвертирующий вход ОУ. Далее происходит усиление этого напряжения и на выходе ОУ происходит дальнейший рост напряжения.

Напряжение с выхода ОУ поступает также через цепочку R1C1, но вследствие того, что интегрирующая цепочка задерживает сигнал, то рост напряжения на конденсаторе С1, а следовательно и на инвертирующем входе будет происходить медленнее, чем на неинвертирующем. И в результате разность напряжений на инвертирующем и неинвертирующем входе будет расти, а следовательно будет происходить рост выходного напряжения.

В некоторый момент времени напряжение на конденсаторе U_C (а также на инвертирующем входе) достигнет напряжения верхнего порогового уровня U_ВП триггера Шмитта и выходное напряжение U_ВЫХ скачком станет равным отрицательному напряжению насыщения U_НАС-. В результате чего ток через резистор R1 изменится на противоположный, а конденсатор С1 начнёт разряжаться. Разряд конденсатора будет происходить до напряжения нижнего порога переключения U_ВП триггера. После этого также скачкообразно произойдёт переключение выходного напряжения с отрицательного насыщения к положительному напряжению насыщения U_НАС+ триггера Шмитта. Данные переключения иллюстрирует график расположенный ниже

График напряжений в мультивибраторе: на выходе мультивибратора (верхний) и на конденсаторе С1 (нижний).

Частота выходных импульсов мультивибратора зависит от постоянной времени интегрирующей цепочки R1C1, а также от ширины петли гистерезиса и в общем случае определяется следующим выражением

Не трудно заметить, что при

В случае равенства сопротивлений резисторов в цепи ПОС R2 и R3 соотношения будут выглядеть следующим образом

Улучшение параметров мультивибратора

Стабильность частоты амплитуды генерирования простого мультивибратора, изображённого в начале статьи, во многом определяется стабильностью характеристик насыщения операционного усилителя, поэтому для улучшения параметров выходных импульсов (длительности и амплитуды) необходимо обеспечить стабильность амплитуды выходных импульсов и постоянной времени цепочки R1C1. Ниже приведена схема мультивибратора, в которой сведены к минимуму недостатки предыдущей схемы.

Улучшенная схема мультивибратора.

В данной схеме мультивибратора введены дополнительные элементы: входные резисторы R1 и R3, повышающие входное сопротивление ОУ и двухсторонний параметрический стабилизатор R4VD1VD2, стабилизирующий амплитуду выходных импульсов. Введение резисторов R1 и R3 связано с тем, чтобы увеличить входное сопротивление ОУ, так как они снабжены защитой по входам при больших дифференциальных сигналах. Их величина выбирается на порядок больше, чем сопротивление резисторов R5 и R6 и имеет порядок сотен килом.

Ещё большего улучшения параметров мультивибратора можно добиться, если резистор в интегрирующей RC цепочке заметить транзисторным генератором тока.

Если ставится задача получения несимметричного мультивибратора, то резистор в цепи ООС заменяется двумя параллельными диодно-резисторными цепями, что изображено на рисунке ниже

Схема несимметричного мультивибратора на операционном усилителе.

Ждущий мультивибратор (одновибратор)

Ждущий мультивибратор в отличие от автоколебательного на выходе формирует одиночный импульс под действием входного сигнала, причём длительность выходного импульса зависит от номиналов элементов обвязки операционного усилителя. Схема ждущего мультивибратора показана ниже

Схема ждущего мультивибратора (одновибратора) на операционном усилителе.

Ждущий мультивибратор состоит из операционного усилителя DA1, цепи ПОС на резисторах R4R5, цепи ООС VD1C2R3 и цепи запуска C1R1VD2.

Цикл работы ждущего мультивибратора можно условно разделить на три части: ждущий режим, переход из ждущего режима в состояние выдержки и непосредственно состояние выдержки. Рассмотрим цикл работы мультивибратора подробнее.

Ждущий режим является основной и наиболее устойчивой частью цикла работы данного типа мультивибратора, так как самопроизвольно он не может перейти в следующие части цикла работы ждущего мультивибратора. В данном состоянии на выходе мультивибратора присутствует положительное напряжение насыщения ОУ (U_НАС+), которое через цепь ПОС R4R5 частично поступает на неинвертирующий вход ОУ, тем самым задавая пороговое напряжение переключения мультивибратора (U_ПП), которое определяется следующим выражением

На инвертирующем входе ОУ присутствует напряжение, которое задаётся диодом VD1 (в случае кремневого диода напряжение примерно равно 0,6 – 0,7 В), то есть меньше порога переключения мультивибратора. При данных условиях ждущий мультивибратор может находиться неограниченно долгое время (до тех пор, пока не поступит запускающий импульс).

Переход из ждущего режима в состояние выдержки, является следующей частью цикла работы ждущего мультивибратора и начинается после того, как на вход поступит импульс отрицательной полярности, амплитуда которого превысит двухкратное значение напряжения переключения ждущего мультивибратора. То есть минимальная амплитуда входного напряжения (U_{ВХ min}) должна быть равна

В этом случае напряжение порога переключения ждущего мультивибратора понизится и станет меньше, чем напряжение падения на диоде VD1. Далее произойдёт лавинообразный процесс переключения выходного напряжения и на выходе установится напряжение отрицательного насыщение ОУ (U_НАС-) и ждущий мультивибратор перейдёт в состояние выдержки. При выборе номиналов элементов входной цепи C1 и R1 надо исходить из того, что конденсатор С1 должен полностью разрядиться за время действия входного импульса, то есть постоянная времени цепи C1R1 должна быть на порядок (в десять раз) меньше длительности входного импульса.

Заключительная часть цикла работы ждущего мультивибратора является состояние выдержки. В данном состоянии на неинвертирующий вход поступает часть напряжения с выхода мультивибратора, тем самым задавая пороговое напряжение перехода мультивибратора в ждущий режим. В тоже время выходное напряжение через цепь ООС C1R1 поступает на инвертирующий вход и открывает диод VD1, через который начинает разряжаться конденсатор С1. После разряда конденсатора С1 до 0 В происходит его зарядка через резистор R1 до напряжения перехода мультивибратора в ждущий режим. После чего схема переходит в исходное состояние и на выходе устанавливается напряжение положительного насыщения ОУ (U_НАС+). Длительность состояния выдержки и непосредственно формируемого выходного импульса определяется временем зарядка конденсатора С1 через резистор R1 и в общем случае определяется следующим выражением

Так как ждущий мультивибратор имеет только одно устойчивое состояние, то за ним закрепилось название одновибратора.

Для того чтобы одновибратор вырабатывал положительные импульсы при положительных управляющих входных сигналах необходимо изменить полярность включения диодов VD1 и VD2.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Операционный усилитель. Примеры схем с описанием работы

Продолжение статьи «Операционный усилитель. На пальцах. Для самых маленьких»

Разберем еще пару схем, чтобы было понятно что и как. Как обычно, усилитель у нас идеальный.

▌Преобразователь напряжения в ток
Иногда надо получить источник тока. Это такой источник энергии который обеспечит протекание нужного тока через любое сопротивление. Вот есть у нас источник на 10мА и если мы его замкнем накоротко, то будет через точку КЗ течь ток в 10мА, а если мы оборвем его, то через обрыв … будет течь ток в 10мА, для этого источник тока загонит свое выходное напряжение до такого уровня, что заряды побегут через воздух, образовав пробой. Ну это в идеальном случае конечно. В реале источник тока при обрыве просто выставит свое максимально возможное напряжение.

Зачем нужно такое? Ну… по разным причинам. Светодиоды питать, например. Или есть линии связи на токовой петле. Когда у нас по проводу передается сигнал не напряжением, а током. Это очень удобно — от длины линии и роста ее сопротивления сигнал не меняется, всегда можно детектировать состояние линии — обрыв это нулевой ток, КЗ это ток выше лимита.

Я как то уже писал про токовую петлю 4-20мА. И вот там был пример применения ОУ для создания преобразователя напряжение-ток. Вот его схемотехника:

Принцип работы рассматриваем по той же методике. ОУ охвачен обратной связью. Считаем, что у нас виртуальное КЗ между его входами.

И можно смело вычислить ток I который будет, просто по закону Ома, равен как I = Uвх/R3. Но так как на самом деле никакого КЗ нет и, более того, во входы ОУ ничего не течет из-за его бесконечного сопротивления, то Ioс = 0. А раз Iос равна нулю, то ток I = Iout и жестко задается ТОЛЬКО входным напряжением и значением R3. Как бы не менялось побочное сопротивление линии R1 ток останется неизменным. Ну, конечно, при условии, что источник питания U может это обеспечить должным напряжением.

▌Логарифмический усилитель

С помощью ОУ можно аналогично интегратору, который рассматривался в прошлой статье, вытащить из детали нужную характеристику и превратить ее в коэффициент усиления.

К примеру, нам нужен хитрый усилитель который произведет компрессию сигнала. Слабый сигнал усилит на большую величину, а сильный проигнорирует. Осталось только найти деталь которая имеет такую характеристику. Возьмем, например, диод 1N4007:

Его вольт-амперная характеристика такая:

Т.е. чем выше приложенное напряжение тем выше ток. И зависимость эта нелинейная, а по экспоненте. Вычисляется примерно как:

I = I_s(e^U/k — 1),

где I_s это предельный ток насыщения, а k конструктивный коэффициент зависящий от температуры и еще разных параметров.

С ростом тока падение напряжения вначале увеличивается быстро, а потом его рост замедляется. Нам вполне подойдет.

Осталось сделать так, чтобы входной ток зависел только от входного напряжения, а выходное напряжение привязать к этой характеристике. Воткнем все в ОУ:

Обратная связь есть. Считаем, что у нас виртуальное КЗ между входами ОУ. И получается, что ток I зависит только от входного напряжения и сопротивления R1. Все, там зависимость полностью линейная, по закону Ома. Мы легко можем задать любой нужный ток подбором сопротивления. Но так как КЗ виртуальное, то входной ток I будет равен току Ioc. Ведь в сам ОУ ток не течет. А значит задавая входной ток, мы можем по нашей ВАХ диода задать падение напряжения.

Скажем при 1 вольте на входе ток будет 10мА. У нас ведь резистор 100ом и все что происходит на входе задается только им. Но в цепи ОУ будет тот же ток, а там диод. И падение напряжения, судя по даташиту, на нем будет 0.6 вольт. Чтобы это обеспечить, равенство напряжений на входах, выходу ОУ надо будет опуститься на -0.6 вольт. В текущем моменте коэффициент усиления -0.6

А при напряжении на входе в 20 вольт, ток будет уже 200мА, соответственно падение напряжения на диоде 0,8 вольт. И напряжение на выходе ОУ будет -0.8 вольт. Коэффициент усиления в текущий момент -0,04

Т.е. наша схема может сожрать как малый сигнал, так и огромный и ее выход не зашкалит. Правда для таких целей обычно используют характеристику не диода, а биполярного транзистора. Но суть от этого не меняется.

Продолжение следует…

Лекция 5. Генераторы стабильного тока в схемотехнике оу

План лекции

1. Особенности построения источников тока в схемотехнике ОУ.

2. Базовые схемы источников тока.

3. Основные модификации источников тока.

Особенности построения источников тока в схемотехнике оу

Генераторы стабильного тока (ГСТ) или источники тока применяются в схемотехнике ОУ в качестве источников фиксированного тока или в качестве высокоомных динамических нагрузок. Строятся они на основе биполярных и полевых структур. Источник тока может быть реализован, например, следующим образом:

Рис. 25. Эквивалентная схема источника тока

(42)

Чтобы I_н не зависел от R_н , необходимо, чтобы .

Если I₀  1мкА  1 мА – типовая величина (I₀ – определяет коэффициент усиления дифференциального каскада). Для того, чтобы R должно быть не менее 10 МОм, тогда ЭДС, которой должен обладать источник равна:

(43)

Но в интегральных схемах (ИС) пробивное напряжение изолятора (SiO₂)  30 В. Такие высокие напряжения в ИС не реализуются. Кроме этого в ИС есть пассивные резисторы, изготавливать которые по диффузионной технологии номиналом больше 2030 кОм экономически не выгодно, так как возрастают их размеры, увеличиваются паразитные параметры. Поэтому в ИС реализовывать источники тока по такой схеме нецелесообразно.

В ИС при реализации источника тока обеспечивают высокое выходное сопротивление только для переменных составляющих сигнала, при этом сопротивление по постоянному току может быть небольшим.

Для реализации этой идеи хорошо подходят выходные статические характеристики биполярных и полевых транзисторов.

Например, для схемы с ОЭ:

Рис. 26. Выходные статические характеристики биполярных транзисторов в схемы с ОЭ

Дифференциальное выходное сопротивление, определяемое по статическим выходным характеристикам имеет вид:

(44)

и составляет сотни кОм  единицы МОм, тогда как сопротивление по постоянному току может быть единицы кОм:

(45)

где – ток коллектора при покое схемы.

Дифференциальное сопротивление, кроме того, может быть, существенно увеличено, например, при использовании в схеме отрицательной обратной связи по току.

Учитывая это, простая схема источника тока может быть представлена в виде каскада с ОЭ

Рис. 27. Схема источника тока (каскад с общим эмиттером)

Если , то можно пренебречь током базы в сравнении с током эмиттера. Тогда падения напряжения наR₁ не будет, и выражение для I_э можно представить в виде:

(46)

поэтому можно сказать, что в этой схеме ток в нагрузке не зависит от R_н. Значит, схема по коллекторной цепи транзистора ведет себя как источник тока. Причем на R_э обеспечивается отрицательная обратная связь по току, которая, увеличивая внутреннее сопротивление транзистора, улучшает токостабилизирующие свойства схемы.

Однако, несмотря на отрицательную обратную связь по току здесь проявляется недостатки схемы в связи с низкой температурной стабильностью. Основная причина – температурный дрейф .

Для исключения этого температурного дрейфа схему можно дополнить термокомпенсирующим диодом (рис.28).

Рис. 28. Схема источника тока (зеркало токов)

Аналогично предыдущему, пренебрегая током базы, получим, что:

(47)

Если R₂ = R_э, то I_н = I_д, поэтому схему на рис. 33 еще называют зеркалом токов, так как I_н является отражением I_д.