Простейший стабилизатор постоянного тока

Простейший стабилизатор постоянного тока

Полупроводниковый прибор, о котором пойдет речь, предназначен для стабилизации тока на требуемом уровне, обладает низкой стоимостью и дает возможность упростить разработку схем многих электронных приборов. Попытаюсь немного восполнить недостаток информации о простых схемотехнических решениях стабилизаторов постоянного тока.

Немного теории

Идеальный источник тока обладает бесконечно большим ЭДС и бесконечно большим внутренним сопротивлением, что позволяет получить требуемый ток в цепи независящий от сопротивления нагрузки.

Условное графическое обозначение источника тока:

Рассмотрение теоретических допущений о параметрах источника тока помогает понять определение идеального источника тока. Ток, создаваемый идеальным источником тока остается постоянным при изменении сопротивления нагрузки от короткого замыкания до бесконечности. Для поддержания величины тока неизменной значение ЭДС меняется от величины не равной нулю до бесконечности. Свойство источника тока, позволяющее получить стабильное значение тока: при изменении сопротивления нагрузки изменяется ЭДС источника тока таким образом, что значение тока остается постоянным.

Реальные источники тока поддерживают ток на требуемом уровне в ограниченный диапазон напряжения, создаваемого на нагрузке и ограниченном сопротивление нагрузки. Идеальный источник рассматривается, а реальный источник тока может работать при нулевом сопротивлении нагрузки. Режим замыкания выхода источника тока не является исключением или трудно реализуемой функцией источника тока, это один из режимов работы, в который может безболезненно перейти прибор при случайном замыкании выхода и перейти на режим работы с сопротивлением нагрузки более нуля.

Реальный источник тока используется совместно с источником напряжения. Сеть 220 вольт 50 Гц, лабораторный блок питания, аккумулятор, бензиновый генератор, солнечная батарея – источники напряжения, поставляющие электроэнергию потребителю. Последовательно с одним из них включается стабилизатор тока. Выход такого прибора рассматривается как источник тока.

Простейший стабилизатор тока представляет собой двухвыводной компонент, ограничивающий протекающий через него ток величиной и точностью соответствующей данным фирмы изготовителя. Такой полупроводниковый прибор в большинстве случаев имеет корпус, напоминающий диод малой мощности. Благодаря внешнему сходству и наличию всего двух выводов компоненты этого класса часто упоминаются в литературе как диодные стабилизаторы тока. Внутренняя схема не содержит диодов, такое название закрепилось только благодаря внешнему сходству.

Примеры диодных стабилизаторов тока

Диодные стабилизаторы тока выпускаются многими производителями полупроводников.

1N5296
Производители: Microsemi и CDI

Ток стабилизации 0,91мА ± 10%
Минимальное напряжение на выводах в режиме стабилизации 1,29 В
Максимальное импульсное напряжение 100 В

E-103
Производитель Semitec

Ток стабилизации 10 мА ± 10%
Минимальное напряжение на выводах в режиме стабилизации 4,2 В
Максимальное импульсное напряжение 50 В

L-2227
Производитель Semitec

Ток стабилизации 25 мА ± 10%
Минимальное напряжение на выводах в режиме стабилизации 4 В
Максимальное импульсное напряжение 50 В

От теории к практике

Применение диодных стабилизаторов тока упрощает электрические схемы и снижает стоимость приборов. Использование диодных стабилизаторов тока привлекательно не только своей простотой, но и повышением устойчивости работы разрабатываемых приборов. Один полупроводник этого класса в зависимости от типа обеспечивает стабилизацию тока на уровне от 0,22 до 30 миллиампер. Наименования этих полупроводниковых приборов по ГОСТу и схемного обозначения найти не удалось. В схемах статьи пришлось применить обозначение обычного диода.

При включении в цепь питания светодиода диодный стабилизатор обеспечивает требуемый режим и надежную работу. Одна из особенностей диодного стабилизатора тока – работа в диапазоне напряжений от 1,8 до 100 вольт позволяющая защитить светодиод от выхода из строя при воздействии импульсных и длительных изменений напряжения. Яркость и оттенок свечения светодиода зависят от протекающего тока. Один диодный стабилизатор тока может обеспечить режим работы нескольких последовательно включенных светодиодов, как показано на схеме.

Эту схему легко преобразовать в зависимости от светодиодов и напряжения питания. Один или несколько параллельно включенных диодных стабилизаторов тока в цепь светодиодов зададут ток светодиодов, а количество светодиодов зависит от диапазона изменения напряжения питания.

С помощью диодных источников тока можно построить индикаторный или осветительный прибор, предназначенный для питания от постоянного напряжения. Благодаря питанию стабильным током источник света будет иметь постоянную яркость свечения при колебаниях напряжения питания.

Использование резистора в цепи светодиода индикатора напряжения питания двигателя постоянного тока станка сверловки печатных плат приводило к быстрому выходу светодиода из строя. Применение диодного стабилизатора тока позволило получить надежную работу индикатора. Диодные стабилизаторы тока допускается включать параллельно. Требуемый режим питания нагрузок можно получить, меняя тип или включая параллельно требуемое количество этих приборов.

При питании светодиода оптопары через резистор пульсации напряжения питания схемы приводят к колебаниям яркости, накладывающимся на фронт прямоугольного импульса. Применение диодного стабилизатора тока в цепи питания светодиода, входящего в состав оптопары, позволяет снизить искажение цифрового сигнала, передаваемого через оптопару и увеличить надежность канала информации.

Применение диодного стабилизатора тока задающего режим работы стабилитрона позволяет разработать простой источник опорного напряжения. При изменении питающего тока на 10 процентов напряжение на стабилитроне меняется на 0,2 процента, а так как ток стабилен, то величина опорного напряжения стабильна при изменении других факторов.

Влияние пульсаций питающего напряжения на выходное опорное напряжение уменьшается на 100 децибел.

Внутренняя схема

Вольтамперная характеристика помогает понять работу диодного стабилизатора тока. Режим стабилизации начинается при превышении напряжения на выводах прибора около двух вольт. При напряжениях более 100 вольт происходит пробой. Реальный ток стабилизации может отклоняться от номинального тока на величину до десяти процентов. При изменении напряжения от 2 до 100 вольт ток стабилизации меняется на 5 процентов. Диодные стабилизаторы тока, выпускаемые некоторыми производителями, изменяют ток стабилизации при изменении напряжения до 20 процентов. Чем выше ток стабилизации, тем больше отклонение при увеличении напряжения. Параллельное включение пяти приборов, рассчитанных на ток 2 миллиампера, позволяет получить более высокие параметры, чем у одного на 10 миллиампер. Так как уменьшается минимальное напряжение стабилизации тока, то диапазон напряжения в котором работает стабилизатор увеличивается.

Основой схемы диодного стабилизатора тока является полевой транзистор с p-n переходом. Напряжение затвор-исток определяет ток стока. При напряжении затвор-исток равному нулю ток через транзистор равен начальному току стока, который течет при напряжении между стоком и истоком более напряжения насыщения. Поэтому для нормальной работы диодного стабилизатора тока напряжение, приложенное к выводам должно быть больше некоторого значения от 1 до 3 вольт.

Полевой транзистор имеет большой разброс начального тока стока, точно эту величину предсказать нельзя. Дешевые диодные стабилизаторы тока представляют собой отобранные по току полевые транзисторы, у которых затвор соединен с истоком.

При смене полярности напряжения диодный стабилизатор тока превращается в обычный диод. Это свойство обусловлено тем, что p-n переход полевого транзистора оказывается смещенным в прямом направлении и ток течет по цепи затвор-сток. Максимальный обратный ток некоторых диодных стабилизаторов тока может достигать 100 миллиампер.

Источник тока 0.5А и более

Для стабилизации токов силой 0,5-5 ампер и более применима схема, главный элемент которой мощный транзистор. Диодный стабилизатор тока стабилизирует напряжение на резисторе 180 Ом и на базе транзистора КТ818. Изменение резистора R1 от 0,2 до10 Ом изменяется ток, поступающий в нагрузку. С помощью этой схемы можно получить ток, ограниченный максимальным током транзистора или максимальным током источника питания. Применение диодного стабилизатора тока с наиболее возможным номинальным током стабилизации улучшает стабильность выходного тока схемы, но при этом нельзя забывать о минимально возможном напряжении работы диодного стабилизатора тока. Изменение резистора R1 на 1-2 Ом значительно меняет величину выходного тока схемы. Этот резистор должен иметь большую мощность рассеяния тепла, изменение сопротивления из-за нагрева приведет к отклонению выходного тока от заданного значения. Резистор R1 лучше собрать из нескольких параллельно включенных мощных резисторов. Резисторы, применённые в схеме должны иметь минимальное отклонение сопротивления при изменении температуры. При построении регулируемого источника стабильного тока или для точной настройки выходного тока резистор 180 Ом можно заменить переменным. Для улучшения стабильности тока транзистор КТ818 усиливается вторым транзистором меньшей мощности. Транзисторы соединяются по схеме составного транзистора. При использовании составного транзистора минимальное напряжение стабилизации увеличивается.

Эту схему можно использовать для питания соленоидов, электромагнитов, обмоток шаговых двигателей, в гальванике, для зарядки аккумуляторов и других целей. Транзистор обязательно устанавливается на радиатор. Конструкция прибора должна обеспечивать хороший теплоотвод.

Если бюджет проекта позволяет увеличить затраты на 1-2 рубля и конструкция прибора допускает увеличение площади печатной платы, то использую параллельное объединение диодных стабилизаторов тока можно улучшить параметры разрабатываемого прибора. Соединенные параллельно 5 компонентов 1N5305 позволят стабилизировать ток на уровне 10 миллиампер, как и компонент СDLL257, но минимальное напряжение работы в случае пяти 1N5305 составит 1,85 вольт, что важно для схем с напряжением питания 3,3 или 5 вольт. Также к положительным свойствам 1N5305 относится его доступность, по сравнению с приборами производителя Semitec. Соединение параллельно группы стабилизаторов тока вместо одного позволяет снизить нагрев разрабатываемого прибора и отодвинуть верхнюю границу температурного диапазона.

Увеличение рабочего напряжения

Для использования диодных стабилизаторов тока при напряжениях более напряжения пробоя последовательно включается один или несколько стабилитронов, при этом область напряжений работы диодного ограничителя тока смещается на величину стабилизации напряжения стабилитроном. Схему можно использовать для грубого определения превышения порогового значения напряжения.

Найти отечественные аналоги зарубежных диодных стабилизаторов тока не удалось. Вероятно с течением времени ситуация с отечественными диодными стабилизаторами тока изменится.

Схемы простых стабилизаторов напряжения

Чаще всего радиотехнические устройства для своего функционирования нуждаются в стабильном напряжении, не зависящем от изменений сетевого питания и от тока нагрузки. Для решения этих задач используются компенсационные и параметрические устройства стабилизации.

Читайте также  Монтаж проводки в гипсокартоне

Параметрический стабилизатор

Его принцип работы заключается в свойствах полупроводниковых приборов. Вольтамперная характеристика полупроводника – стабилитрона показана на графике.

Во время включения стабилитрона свойства подобны характеристике простого диода на основе кремния. Если стабилитрон включить в обратном направлении, то электрический ток сначала будет расти медленно, но при достижении некоторой величины напряжения наступает пробой. Это режим, когда малый прирост напряжения создает большой ток стабилитрона. Пробойное напряжение называют напряжением стабилизации. Во избежание выхода из строя стабилитрона, течение тока ограничивают сопротивлением. При колебании тока стабилитрона от наименьшего до наибольшего значения, напряжение не изменяется.

На схеме показан делитель напряжения, который состоит из балластного сопротивления и стабилитрона. К нему параллельно подключена нагрузка. Во время изменения величины питания меняется и ток резистора. Стабилитрон берет изменения на себя: меняется ток, а напряжение остается постоянным. При изменении резистора нагрузки ток изменится, а напряжение останется постоянным.

Компенсационный стабилизатор

Прибор, рассмотренный ранее очень простой по конструкции, но дает возможность подключать питание прибора с током, который не превышает наибольшего тока стабилитрона. Вследствие этого используют приборы, стабилизирующие напряжение, и получившие название компенсационных. Они состоят из двух видов: параллельные и последовательные.

Называется прибор по методу подключения элементу регулировки. Обычно используются компенсационные стабилизаторы, относящиеся к последовательному виду. Его схема:

Элементом регулировки выступает транзистор, соединенный последовательно с нагрузкой. Напряжение выхода равняется разности значения стабилитрона и эмиттера, которое составляет несколько долей вольта, поэтому считается, что выходное напряжение равно стабилизирующему напряжению.

Рассмотренные приборы обоих типов имеют недостатки: невозможно получить точную величину напряжения выхода и производить регулировку во время работы. Если нужно создать возможность регулирования, то стабилизатор компенсационного вида изготавливают по схеме:

В этом приборе регулировка осуществляется транзистором. Основное напряжение выдает стабилитрон. Если напряжение выхода повышается, база транзистора получается отрицательной в отличие от эмиттера, транзистор откроется на большую величину и ток возрастет. Вследствие этого, напряжение отрицательного значения на коллекторе станет ниже, так же как и на транзисторе. Второй транзистор закроется, его сопротивление повысится, напряжение выводов повысится. Это приводит к снижению напряжения выхода и возвращению к бывшему значению.

При снижении напряжения выхода проходят подобные процессы. Отрегулировать точное напряжение выхода можно резистором настройки.

Стабилизаторы на микросхемах

Такие устройства в интегральном варианте имею повышенные характеристики параметров и свойств, которые отличаются от подобных приборов на полупроводниках. Также они обладают повышенной надежностью, небольшими габаритами и весом, а также небольшой стоимостью.

Последовательный стабилизатор

  • 1 – источник напряжения;
  • 2 – Элемент регулировки;
  • 3 – усилитель;
  • 4 – источник основного напряжения;
  • 5 – определитель напряжения выхода;
  • 6 – сопротивление нагрузки.

Элемент регулировки выступает в качестве изменяемого сопротивления, подключенного по последовательной схеме с нагрузкой. При колебании напряжения меняется сопротивление элемента регулировки так, что происходит компенсация таких колебаний. Воздействие на элемент регулировки производится по обратной связи, которая содержит элемент управления, источник основного напряжения и измеритель напряжения. Этот измеритель является потенциометром, с которого приходит часть напряжения выхода.

Обратная связь регулирует напряжение выхода, использующееся для нагрузки, напряжение выхода потенциометра становится равным основному напряжению. Колебания напряжения от основного создает некоторое падение напряжения на регулировке. Вследствие этого, измеряющим элементом в определенных границах можно осуществлять регулировку напряжения выхода. Если стабилизатор планируется изготовить на определенную величину напряжения, то измеряющий элемент создается внутри микросхемы с компенсацией температуры. При наличии большого интервала напряжения выхода, измеряющий элемент выполняется за микросхемой.

Параллельный стабилизатор

  • 1 – источник напряжения;
  • 2 –элемент регулирующий;
  • 3 – усилитель;
  • 4 – источник основного напряжения;
  • 5 – измерительный элемент;
  • 6 – сопротивление нагрузки.

Если сравнить схемы стабилизаторов, то прибор последовательного вида имеет повышенный КПД при неполной загрузке. Прибор параллельного вида расходует неизменную мощность от источника и выдает ее на элемент регулировки и нагрузку. Стабилизаторы параллельные рекомендуется использовать при неизменных нагрузках при полной загруженности. Стабилизатор параллельный не создает опасности при КЗ, последовательный вид при холостом ходе. При неизменной нагрузке оба прибора создают высокий КПД.

Стабилизатор на микросхеме с 3-мя выводами

Инновационные варианты схем стабилизаторов последовательного вида выполнены на 3-выводной микросхеме. Вследствие того, что есть всего лишь три вывода, их проще использовать в практическом применении, так как они вытесняют остальные виды стабилизаторов в интервале 0,1-3 ампера.

  1. U вх – необработанное напряжение входа;
  2. U вых –напряжение выхода.

Можно не использовать емкости С1 и С2, однако они позволяют оптимизировать свойства стабилизатора. Емкость С1 применяется для создание стабильности системы, емкость С2 нужна по той причине, что внезапное повышение нагрузки нельзя отследить стабилизатором. В таком случае поддержка тока осуществляется емкостью С2. Практически часто применяются микросхемы серии 7900 от компании Моторола, которые стабилизируют положительную величину напряжения, а 7900 – величину со знаком минус.

Микросхема имеет вид:

Для увеличения надежности и создания охлаждения стабилизатор монтируют на радиатор.

Стабилизаторы на транзисторах

На 1-м рисунке схема на транзисторе 2SC1061.

На выходе прибора получают 12 вольт, на напряжение выхода зависит прямо от напряжения стабилитрона. Наибольший допустимый ток 1 ампер.

При применении транзистора 2N 3055 наибольший допускаемый ток выхода можно повысить до 2 ампер. На 2-м рисунке схема стабилизатора на транзисторе 2N 3055, напряжение выхода, как и на рисунке 1 зависит от напряжения стабилитрона.

  • 6 В — напряжение выхода, R1=330, VD=6,6 вольт
  • 7,5 В — напряжение выхода, R1=270, VD = 8,2 вольт
  • 9 В — напряжение выхода, R1=180, Vd=10

На 3-м рисунке – адаптер для автомобиля – аккумуляторное напряжение в автомобиле равно 12 В. Для создания напряжения меньшего значения применяют такую схему.

Стабилизатор тока на транзисторе

Светодиодные светильники выполняют свои функции полноценно при качественном питании. Даже незначительные колебания силы тока в цепи провоцируют видимые пульсации, ухудшают долговечность. Аналогичные задачи решают в процессе зарядки аккумуляторных батарей. Для корректного решения обозначенных и других проблем подойдет стабилизатор тока на транзисторе. Самостоятельная сборка поможет обеспечить рабочие параметры устройства в точном соответствии с техническим заданием. Представленные ниже сведения пригодятся для выбора оптимальной электрической схемы.

Особенность стабилизатора на транзисторах

Применение такой элементной базы позволяет очень точно настроить работу блока стабилизации. Значительное выходное сопротивление транзистора уменьшает обратное влияние нагрузки. Отсутствие резисторов с большими номиналами в цепи уменьшает потери, что улучшает экономические параметры устройства.

Виды стабилизаторов

В простейшем варианте применяют ограничитель сил тока из резистора, установленного последовательно в цепь со светодиодом. Стандартные приборы подключают к источникам 5V (12V). Увеличивая напряжение, можно улучшить точность, однако при этом снизится КПД.

Максимальные значения электрических параметров источника должны быть на 10% больше рабочих значений светодиода. Падение напряжения указано в сопроводительной документации. Для расчета резистора (R) применяют следующую формулу:

где:

  • Uп – напряжение источника питания;
  • Uc – падение на светодиоде;
  • Iпот – ток потребления.

Пример:

  • Uп = 5 V;
  • Uc = 2,5 V;
  • Iпот = 0,25 А;
  • R = (5-2,5)/0,3 ≈ 8,33 Ом;
  • ближайший номинал – 8,45 Ом;
  • мощность резистора = 0,3*0,3*8,45 ≈ 0,75 Вт.

К сведению. Последняя строка расчета наглядно демонстрирует энергетические потери. Нагревающийся резистор будет повышать температуру окружающей среды.

Усовершенствованные схемы собирают из следующих компонентов:

  • трансформатором изменяют нужным образом амплитуду сигнала;
  • для выпрямления применяют обычный мостик из диодов;
  • конденсаторами сглаживают пульсации;
  • резисторами ограничивают выходные токи.

Транзисторный стабилизатор напряжения и тока отличается экономичностью. Электрическое сопротивление во входной цепи устанавливают в качестве датчика. Этот компонент дополняет стабилитрон. Изменение напряжения на эмиттере позволяет регулировать выходные параметры автоматически без контроля и вмешательства со стороны пользователя.

Аналогичные функции вместо стабилитрона способен выполнить эмиттерный переход биполярного транзистора при соответствующем включении в электрическую схему.

Вместо набора из нескольких радиодеталей удобнее пользоваться специализированными микросхемами. Такие изделия обеспечивают высокую точность поддержания рабочих параметров выходного сигнала. Как в примере со стабилитроном, в определенной цепи устанавливают резистор для оперативного детектирования изменения силы тока.

Отдельно следует отметить импульсные схемы стабилизаторов. Такие изделия создают на основе быстродействующих электронных ключей. Главной особенностью является возможность оперировать с относительно высокими значениями выходных напряжений.

Простой стабилизатор тока на транзисторе

Параметры компонентов и рабочие характеристики схемы:

  • R1 выбирают 1-15 Ом;
  • R2 – от 150 до 250 Ом;
  • D1 – стабилитрон или резистор подходящего номинала;
  • Q1 – КТ 818 или аналог;
  • напряжение источника питания – от 8 до 40 V;
  • ток на выходе – 0,5-4,5А.

Пояснения:

  • R2 и D2 формируют стандартный делитель напряжения;
  • изменением потенциала на базе корректируется ток в цепи коллектора;
  • при подключении мощной нагрузки R1 сильно нагревается;
  • для точной регулировки выходных параметров устанавливают переменное сопротивление R2 (изменяют порог насыщения на соответствующем полупроводниковом переходе);
  • при необходимости увеличивают выходной ток с применением составного транзистора.

Если расчет сделан точно, в рабочем диапазоне стабилизация тока выполняется с минимальными потерями. Простую схему несложно изготовить собственными руками даже без предыдущего опыта сборки.

Сборка стабилизатора тока из двух транзисторов

В этой схеме функции датчика выполняет резистор R2. Его номинал при подключении светодиодов выбирают с помощью формулы:

0,6/ Iн (ток в нагрузке).

Увеличение Iн открывает VT2, который, в свою очередь, запирает переход транзистора VT1.

Недостатком схемы специалисты считают существенное падение напряжения на основном транзисторе. При подключении нескольких светодиодов проблемы не возникают. Однако по мере увеличения нагрузки приходится ставить VT1 на крупный радиатор, обеспечивать эффективную вентиляцию рабочего объема. Подобные решения используют для создания мощных зарядных устройств.

Реле тока на микросхемах импульсных стабилизаторов

Для уменьшения потерь и поддержания широкого рабочего диапазона применяют готовые решения. В этом разделе представлен импульсный стабилизатор тока на микросхеме MAX771.

Контрольное напряжение подают с делителя (R1, R2). Если превышен установленный производителем уровень, автоматически корректируются выходные параметры.

Читайте также  Инструмент для монтажа проводки

Как сделать светодиодный стабилизатор

Простую конструкцию из резистора, конденсатора и стабилитрона можно собрать буквально за несколько минут. Используют универсальную монтажную плату или навесной способ сборки. Номинал электрического сопротивления выбирают с учетом параметров нагрузки. При необходимости устанавливают самодельный радиатор из подходящей алюминиевой пластины.

Стабилизаторы тока на микросхемах

Применение такой элементной базы несколько увеличивает себестоимость проекта. Однако использование качественных микросхем обеспечивает хорошие стабилизационные характеристики в широком диапазоне входных параметров. С учетом хороших показателей эффективности можно рассчитывать на небольшое потребление электроэнергии.

TL431

В левой части рисунка показана схема типового подключения микросхемы TL 431 (DA1). Отмечена главная функция – поддержание напряжения 2,5 V на контрольном резисторе.

Такая конструкция пригодна для последовательного подключения нескольких десятков светодиодов суммарной мощностью 12-14 Вт. Силовые компоненты подбирают с учетом реальных потребностей. В представленном примере падение напряжения на транзисторе составит 25-35V. Рассеивается не более 1,75 Вт. В таком варианте радиатор не требуется.

Резистор на входе (R3) предотвращает повреждение конденсатора при включении блока в сеть. Ток в нагрузке ограничивает безопасным уровнем сопротивление R3. При выборе светодиодов специалисты рекомендуют делать запас по мощности, чтобы продлить срок службы одновременно с уменьшением тепловыделения.

LM7805, LM7812

В представленном ниже варианте схемотехники следует повысить входное напряжение. Его уровень должен быть больше на 2,5-3V, чем номинал стабилизации данной микросхемы.

В примере показан стабилизатор напряжения постоянного тока, который рассчитан на 9-11 Вт подключаемой нагрузки.

LM317

При подключении нагрузки 28-30 Вт эта микросхема обеспечивает стабилизацию тока 100 мА. Диапазон входного напряжения – от 207 до 240 V.

В таблице на рисунке представлены значения регулировочного резистора, соответствующие определенным выходным параметрам.

При выборе подходящей схемы следует учесть в комплексе:

  • минимальные и максимальные напряжения в цепи питания;
  • точность стабилизации;
  • эффективность устройства;
  • сложность изготовления определенной конструкции собственными руками;
  • стоимость комплектующих деталей, расходных материалов.

Заранее рекомендуется подготовить перечень инструментов, приспособлений, измерительных приборов. Аккуратное выполнение рассмотренных выше инструкций поможет создать функциональный стабилизатор без ошибок и лишних затрат.

Видео

Стабилизаторы тока. Виды и устройство. Работа и применение

Стабилизаторы тока предназначены для стабилизации тока на нагрузке. Напряжение на нагрузке зависит от его сопротивления. Стабилизаторы необходимы для функционирования различных электронных приборов, например газоразрядные лампы.

Для качественного заряда аккумуляторов также необходимы стабилизаторы тока. Они используются в микросхемах для настройки тока каскадов преобразования и усиления. В микросхемах они играют роль генератора тока. В электрических цепях всегда есть разного рода помехи. Они отрицательно влияют на действие приборов и электрических устройств. С такой проблемой легко справляются стабилизаторы.

Виды стабилизаторов тока

Отличительной чертой стабилизаторов тока является их значительное выходное сопротивление. Это дает возможность исключить влияние напряжения на входе, и сопротивления нагрузки, на значение тока на выходе устройства. Стабилизаторы тока поддерживают выходной ток в определенных пределах, меняя при этом напряжение таким образом, что ток, протекающий по нагрузке, остается постоянным.

Стабилизаторы тока на резисторе

В элементарном случае генератором тока может быть схема, состоящая из блока питания и сопротивления. Подобная схема часто используется для подключения светодиода, выполняющего функцию индикатора.

Из недостатков такой схемы можно отметить необходимость использования высоковольтного источника. Только при таком условии можно использовать резистор, имеющий высокое сопротивление, и получить хорошую стабильность тока. На сопротивлении рассеивается мощность P = I 2 х R.

Стабилизаторы на транзисторах

Значительно лучше функционируют стабилизаторы тока, собранные на транзисторах.

Можно выполнить настройку падения напряжения таким образом, что оно будет очень маленьким. Это дает возможность снижения потерь при хорошей стабильности тока на выходе. На выходе транзистора сопротивление очень большое. Такая схема применяется для подключения светодиодов или зарядки аккумуляторных батарей малой мощности.

Напряжение на транзисторе определяется стабилитроном VD1. R2 играет роль датчика тока и обуславливает ток на выходе стабилизатора. При увеличении тока падение напряжения на этом резисторе становится больше. Напряжение поступает на эмиттер транзистора. В итоге напряжение на переходе база-эмиттер, которое равно разности напряжения базы и эмиттерного напряжения, снижается, и ток возвращается к заданной величине.

Схема токового зеркала

Аналогично функционируют генераторы тока. Популярной схемой таких генераторов является «токовое зеркало», в которой вместо стабилитрона применяется биполярный транзистор, а точнее, эмиттерный переход. Вместо сопротивления R2 применяется сопротивление эмиттера.

Стабилизаторы тока на полевике

Схема с применением полевых транзисторов более простая.

Нагрузочный ток проходит через R1. Ток в цепи: «+» источника напряжения, сток-затвор VТ1, нагрузочное сопротивление, отрицательный полюс источника – очень незначительный, так как сток-затвор имеет смещение в обратную сторону.

Напряжение на R1 положительное: слева «-», справа напряжение равно напряжению правого плеча сопротивления. Поэтому напряжение затвора относительно истока минусовое. При снижении нагрузочного сопротивления, ток повышается. Поэтому напряжение затвора по сравнению с истоком имеет еще большую разницу. Вследствие этого транзистор закрывается сильнее.

При большем закрытии транзистора нагрузочный ток снизится, и возвратится к начальной величине.

Устройства на микросхеме

В прошлых схемах имеются элементы сравнения и регулировки. Аналогичная структура схемы применяется при проектировании устройств, выравнивающих напряжение. Отличие устройств, стабилизирующих ток и напряжение, заключается в том, что в цепь обратной связи сигнал приходит от датчика тока, который подключен к цепи нагрузочного тока. Поэтому для создания стабилизаторов тока используют популярные микросхемы 142 ЕН 5 или LМ 317.

Здесь роль датчика тока играет сопротивление R1, на котором стабилизатор поддерживает постоянное напряжение и нагрузочный ток. Величина сопротивления датчика значительно ниже, чем нагрузочное сопротивление. Снижение напряжения на датчике влияет на напряжение выхода стабилизатора. Подобная схема хорошо сочетается с зарядными устройствами, светодиодами.

Импульсный стабилизатор

Высокий КПД имеют импульсные стабилизаторы, выполненные на основе ключей. Они способны при незначительном напряжении входа создавать высокое напряжение на потребителе. Такая схема собрана на микросхеме МАХ 771.

Сопротивления R1 и R2 играют роль делителей напряжения на выходе микросхемы. Если напряжение на выходе микросхемы становится выше опорного значения, то микросхема снижает выходное напряжение, и наоборот.

Если схему изменить таким образом, чтобы микросхема реагировала и регулировала ток на выходе, то получится стабилизированный источник тока.

При падении напряжения на R3 ниже 1,5 В, схема работает в качестве стабилизатора напряжения. Как только нагрузочный ток повышается до определенного уровня, то на резисторе R3 падение напряжения становится больше, и схема действует как стабилизатор тока.

Сопротивление R8 подключается по схеме тогда, когда напряжение становится выше 16,5 В. Сопротивление R3 задает ток. Отрицательным моментом этой схемы можно отметить значительное падение напряжения на токоизмерительном сопротивлении R3. Эту проблему можно решить путем подключения операционного усилителя для усиления сигнала с сопротивления R3.

Устройство и принцип действия

На нестабильность нагрузочного тока влияет значение сопротивления и напряжения на входе. Пример: в котором сопротивление нагрузки постоянно, а напряжение на входе повышается. Ток нагрузки при этом также возрастает.

В результате этого повысится ток и напряжение на сопротивлениях R1 и R2. Напряжение стабилитрона станет равным сумме напряжений сопротивлений R1, R2 и на переходе VT1 база-эмиттер: Uvd1=UR1+UR2+UVT1(б/э)

Напряжение на VD1 не меняется при меняющемся входном напряжении. Вследствие этого ток на переходе база-эмиттер снизится, и повысится сопротивление между клеммами эмиттер-коллектор. Сила тока на переходе коллектор-эмиттере и нагрузочное сопротивление станет снижаться, то есть переходить к первоначальной величине. Так выполняется выравнивание тока и поддержание его на одном уровне.

Стабилизатор для светодиодов
Изготовить такое устройство самостоятельно можно с применением микросхемы LМ 317. Для этого останется только подобрать резистор. Питание для стабилизатора целесообразно применять следующее:
  • Блок от принтера на 32 В.
  • Блок от ноутбука на 19 В.
  • Любой блок питания на 12 В.

Достоинством такого устройства является низкая стоимость, простота конструкции, повышенная надежность. Сложную схему нет смысла собирать самостоятельно, проще ее приобрести.

Стабилизаторы тока

В каждой электрической сети периодически возникают помехи, отрицательно влияющие на стандартные параметры тока и напряжения. Данная проблема успешно решается с помощью различных устройств, среди которых очень популярны и эффективны стабилизаторы тока. Они имеют различные технические характеристики, что делает возможным их использование совместно с любыми бытовыми электроприборами и оборудованием. Особые требования предъявляются к измерительному оборудованию, требующему стабильного напряжения.

  1. Общее устройство и принцип работы стабилизаторов тока
  2. Диодный стабилизатор тока
  3. Схемы стабилизаторов тока на КРЕН
  4. Стабилизатор тока на двух транзисторах
  5. Регулируемый стабилизатор постоянного тока
  6. Мощный импульсный стабилизатор тока
  7. Стабилизатор на LM2576

Общее устройство и принцип работы стабилизаторов тока

Знание основных принципов работы стабилизаторов тока способствует наиболее эффективному использованию этих устройств. Электрические сети буквально насыщены различными помехами, негативно влияющими на работу бытовых приборов и электрооборудования. Для преодоления отрицательных воздействий используется схема простого стабилизатора напряжения и тока.

В каждом стабилизаторе имеется основной элемент – трансформатор, обеспечивающий работу всей системы. Самая простая схема включает в свой состав выпрямительный мост, соединенный с различными типами конденсаторов и резисторов. Их основными параметрами считаются индивидуальная емкость и предельное сопротивление.

Сам стабилизатор тока работает по очень простой схеме. Когда ток поступает на трансформатор, его предельная частота изменяется. На входе она будет совпадать с частотой электрической сети и составит 50 Гц. После того как будут выполнены все преобразования тока, предельная частота на выходе снизится до 30 Гц. В схеме преобразования участвуют высоковольтные выпрямители, с помощью которых определяется полярность напряжения. Конденсаторы непосредственно участвуют в стабилизации тока, а резисторы снижают помехи.

Диодный стабилизатор тока

Во многих конструкциях светильников имеются диодные стабилизаторы, более известные как стабилизаторы тока для светодиодов. Как и все типы диодов, светодиоды обладают нелинейной вольтамперной характеристикой. То есть, при изменяющемся напряжении на светодиоде, происходит непропорциональное изменение тока.

Читайте также  Открытая проводка в деревянном доме

С ростом напряжения вначале наблюдается очень медленное возрастание тока, в результате, свечение светодиода отсутствует. Затем, когда напряжение достигает порогового значения, начинается излучение света и очень быстрое возрастание тока. Дальнейший рост напряжения приводит к катастрофическому увеличению тока и перегоранию светодиода. Значение порогового напряжения отражается в технических характеристиках светодиодных источников света.

Светодиоды с высокой мощностью требуют установки теплоотвода, поскольку их работа сопровождается выделением большого количества тепла. Кроме того, для них требуется и достаточно мощный стабилизатор тока. Правильная работа светодиодов также обеспечивается стабилизирующими устройствами. Это связано с сильным разбросом порогового напряжения даже у однотипных источников света. Если два таких светодиода подключить параллельно к одному источнику напряжения, по ним будет проходить ток разной величины. Разница может быть настолько существенной, что один из светодиодов сразу же сгорит.

Таким образом, не рекомендуется включение светодиодных источников света без стабилизаторов. Данные устройства устанавливают ток заданного значения без учета напряжения, приложенного к схеме. К наиболее современным приборам относится двухвыводной стабилизатор для светодиодов, применяющийся для создания недорогих решений по управлению светодиодами. В его состав входит полевой транзистор, обвязочные детали и другие радиоэлементы.

Схемы стабилизаторов тока на КРЕН

Данная схема стабильно работает с использованием таких элементов, как КР142ЕН12 или LM317. Они являются регулируемыми стабилизаторами напряжения, работающими с током до 1,5А и входным напряжением до 40В. В нормальном тепловом режиме эти устройства способны рассеивать мощность до 10Вт. Эти микросхемы обладают низким собственным потреблением, составляющим примерно 8мА. Данный показатель остается неизменным даже при изменяющемся токе, проходящем через КРЕН и измененном входном напряжении.

Элемент LM317 способен удерживать на основном резисторе постоянное напряжение, регулируемое в определенных пределах с помощью подстроечного резистора. Основной резистор с неизменным сопротивлением обеспечивает стабильность проходящего через него тока, поэтому он известен еще, как токозадающий резистор.

Стабилизатор на КРЕН отличается простотой и может использоваться в качестве электронной нагрузки, зарядки аккумуляторов и в других областях.

Стабилизатор тока на двух транзисторах

Благодаря своему простому исполнению, в электронных схемах очень часто используются стабилизаторы на двух транзисторах. Их основным недостатком считается не вполне стабильный ток в нагрузках при изменяющемся напряжении. Если же не требуется высоких токовых характеристик, то данное стабилизирующее устройство вполне сгодится для решения многих несложных задач.

Кроме двух транзисторов в схеме стабилизатора присутствует токозадающий резистор. Когда на одном из транзисторов (VT2) увеличивается ток, возрастает напряжение на токозадающем резисторе. Под действием этого напряжения (0,5-0,6В) начинает открываться другой транзистор (VT1). При открытии этого транзистора, другой транзистор – VT2 начинает закрываться. Соответственно, уменьшается и количество тока, протекающего через него.

В качестве VT2 используется биполярный транзистор, однако в случае необходимости возможно создать регулируемый стабилизатор тока на полевом транзисторе MOSFET, используемом в качестве стабилитрона. Его выбор осуществляется исходя из напряжения 8-15 вольт. Данный элемент используется при слишком высоком напряжении источника питания, под действием которого затвор в полевом транзисторе может быть пробит.

Более мощные стабилитроны MOSFET рассчитаны на более высокое напряжение – 20 вольт и более. Открытие таких стабилитронов происходит при минимальном значении напряжения на затворе 2 вольта. Соответственно, происходит и увеличение напряжения, обеспечивающего нормальную работу схемы стабилизатора тока.

Регулируемый стабилизатор постоянного тока

Иногда возникает необходимость в стабилизаторах тока с возможностью регулировок в широком диапазоне. В некоторых схемах может использоваться токозадающий резистор с пониженными характеристиками. В этом случае необходимо применять усилитель ошибки, основой которого служит операционный усилитель.

С помощью одного токозадающего резистора происходит усиление напряжения в другом резисторе. Это состояние называется усиленным напряжением ошибки. С помощью опорного усилителя сравниваются параметры опорного напряжения и напряжения ошибки, после чего выполняется регулировка состояния полевого транзистора.

Для такой схемы требуется отдельное питание, которое подается к отдельному разъему. Питающее напряжение должно обеспечивать нормальную работу всех компонентов схемы и не превышать уровня, достаточного для пробоя полевого транзистора. Правильная настройка схемы требует установки ползунка переменного резистора в самое верхнее положение. С помощью подстроечного резистора выставляется максимальное значение тока. Таким образом, переменный резистор позволяет выполнять регулировку тока от нуля до максимального значения, установленного в процессе настройки.

Мощный импульсный стабилизатор тока

Широкий диапазон питающих токов и нагрузок не всегда является основным требованием к стабилизаторам. В некоторых случаях решающее значение отводится высокому коэффициенту полезного действия прибора. Эту задачу успешно решает микросхема импульсного стабилизатора тока, заменяющая компенсационные стабилизаторы. Приборы этого типа позволяют создавать высокое напряжение на нагрузке даже при наличии невысокого входного напряжения.

Кроме того, существует повышающий стабилизатор тока импульсного типа. Они используются вместе с нагрузками, питающее напряжение которых превышает входное напряжение стабилизирующего устройства. В качестве делителей выходного напряжения используются два резистора, задействованные в микросхеме, с помощью которой входное и выходное напряжение поочередно уменьшается или увеличивается.

Стабилизаторы тока

Стабилизаторы тока, в отличие от стабилизаторов напряжения, стабилизируют ток. При этом напряжение на нагрузке будет зависеть от ее сопротивления. Стабилизаторы тока требуются для питания электронных приборов, таких как светодиоды или газоразрядные лампы, они могут применяться в паяльных станциях или термостабилизаторах для задания рабочей температуры. Кроме того, стабилизаторы тока требуются для заряда аккумуляторов различного типа. Стабилизаторы тока широко применяются в составе интегральных микросхем для задания тока усилительных и преобразовательных каскадов. Там они обычно называются генераторами тока.

Особенностью стабилизаторов тока является их большое выходное сопротивление. Это позволяет исключить влияние входного напряжения и сопротивления нагрузки на величину выходного тока. Конечно в простейшем случае в качестве генератора тока может служить источник напряжения и резистор. Такая схема часто применяется для питания индикаторного светодиода. Подобная схема приведена на рисунке 1.


Рисунок 1. Схема стабилизатора тока на резисторе

В качестве недостатка данной схемы можно назвать необходимость применения высокого напряжения источника питания. Только в этом случае удается применить достаточно высокоомный резистор и добиться приемлемой стабильности тока. При этом на резисторе выделяется мощность , что при больших токах может оказаться неприемлемым.

Намного лучше зарекомендовали себя стабилизаторы тока на транзисторах. Здесь мы пользуемся тем, что выходное сопротивление транзистора очень велико. Это прекрасно видно по выходным характеристикам транзистора. Для иллюстрации на рисунке 2 показано как определить выходное сопротивление транзистора по его выходным характеристикам.


Рисунок 2. Определение выходного сопротивления транзистора по его выходным характеристикам

При этом падение напряжения можно задать небольшим, что позволяет получить небольшие потери при высокой стабильности выходного тока. Это позволяет использовать данную схему для питания светодиодов подсветки или для заряда маломощных аккумуляторов. Схема стабилизатора тока на биполярном транзисторе приведена на рисунке 3.


Рисунок 3. Схема стабилизатора тока на транзисторе

В этой схеме напряжение на базе транзистора задается стабилитроном VD1, резистор R2 служит датчиком тока. Именно его сопротивление определяет выходной ток стабилизатора. При возрастании тока падение напряжения на нем возрастает. Оно прикладывается к эмиттеру транзистора. В результате напряжение база-эмиттер, определяемое как разность постоянного напряжения на базе и напряжения на эмиттере уменьшается и ток возвращается к заданному значению.

Подобным образом работают генераторы тока, наиболее известным из которых является схема «токового зеркала». В ней вместо стабилитрона используется эмиттерный переход биполярного транзистора, а в качестве резистора R2 используется внутреннее сопротивление эмиттера транзистора. Схема токового зеркала приведена на рисунке 4.


Рисунок 4. Схема «токового зеркала»

Стабилизаторы тока, работающие по принципу работы схемы, показанной на рисунке 3, собранные на полевых транзисторах еще проще. В них вместо стабилизатора напряжения можно использовать потенциал земли. Схема стабилизатора тока, выполненная на полевом транзисторе приведена на рисунке 5.


Рисунок 5. Схема стабилизатора тока на полевом транзисторе

Все рассмотренные схемы совмещают элемент регулирования и схему сравнения. Подобная ситуация наблюдалась при разработке компенсационных стабилизаторов напряжения. Стабилизаторы тока отличаются от стабилизаторов напряжения тем, что сигнал в цепь обратной связи поступает от датчика тока, включенного в цепь тока нагрузки. Поэтому для реализации стабилизаторов тока применяют такие распространенные микросхемы как 142ЕН5 (LM7805) или LM317. На рисунке 6 приведена схема стабилизатора тока на микросхеме LM317.


Рисунок 6. Схема стабилизатора тока на микросхеме LM317

Датчиком тока является резистор R1 и на нём стабилизатор поддерживает неизменным напряжение а, следовательно, ток в нагрузке. Сопротивление датчика тока много меньше сопротивления нагрузки. Падение напряжения на датчике соответствует выходному напряжению компенсационного стабилизатора. Схема, приведенная на рисунке 6 прекрасно подходит как для питания осветительных светодиодов, так и для зарядных устройств аккумуляторов.

В качестве стабилизаторов тока отлично подойдут и импульсные стабилизаторы. Они обеспечивают больший к.п.д. по сравнению с компенсационными стабилизаторами. Именно эти схемы обычно применяются в качестве драйверов внутри светодиодных ламп.

Дата последнего обновления файла 07.10.2017

Понравился материал? Поделись с друзьями!

  1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
  2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
  3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
  4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
  5. СТАБИЛИЗАТОР ТОКА ДЛЯ СВЕТОДИОДОВ, СХЕМЫ – URL: led-obzor.ru
  6. Стабилизаторы тока – URL: https://pro-diod.ru

Вместе со статьей «Стабилизаторы тока» читают: