Pollife.ru

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

Электрические цепи для чайников: определения, элементы, обозначения

Электрические цепи для чайников: определения, элементы, обозначения

Эта статья для тех, кто только начинает изучать теорию электрических цепей. Как всегда не будем лезть в дебри формул, но попытаемся объяснить основные понятия и суть вещей, важные для понимания. Итак, добро пожаловать в мир электрических цепей!

Хотите больше полезной информации и свежих новостей каждый день? Присоединяйтесь к нам в телеграм.

Электрические цепи

Электрическая цепь – это совокупность устройств, по которым течет электрический ток.

Рассмотрим самую простую электрическую цепь. Из чего она состоит? В ней есть генератор – источник тока, приемник (например, лампочка или электродвигатель), а также система передачи (провода). Чтобы цепь стала именно цепью, а не набором проводов и батареек, ее элементы должны быть соединены между собой проводниками. Ток может течь только по замкнутой цепи. Дадим еще одно определение:

Электрическая цепь – это соединенные между собой источник тока, линии передачи и приемник.

Конечно, источник, приемник и провода – самый простой вариант для элементарной электрической цепи. В реальности в разные цепи входит еще множество элементов и вспомогательного оборудования: резисторы, конденсаторы, рубильники, амперметры, вольтметры, выключатели, контактные соединения, трансформаторы и прочее.

Электрическая цепьЭлектрическая цепь

Кстати, о том, что такое трансформатор, читайте в отдельном материале нашего блога.

По какому фундаментальному признаку можно разделить все цепи электрического тока? По тому же, что и ток! Есть цепи постоянного тока, а есть – переменного. В цепи постоянного тока он не меняет своего направления, полярность источника постоянна. Переменный же ток периодически изменяется во времени как по направлению, так и по величине.

Сейчас переменный ток используется повсеместно. О том, что для этого сделал Никола Тесла, читайте в нашей статье.

Элементы электрических цепей

Все элементы электрических цепей можно разделить на активные и пассивные. Активные элементы цепи – это те элементы, которые индуцируют ЭДС. К ним относятся источники тока, аккумуляторы, электродвигатели. Пассивные элементы – соединительные провода и электроприемники.

Приемники и источники тока, с точки зрения топологии цепей, являются двухполюсными элементами (двухполюсниками). Для их работы необходимо два полюса, через которые они передают или принимают электрическую энергию. Устройства, по которым ток идет от источника к приемнику, являются четырехполюсниками. Чтобы передать энергию от одного двухполюсника к другому им необходимо минимум 4 контакта, соответственно для приема и передачи.

Резисторы – элементы электрической цепи, которые обладают сопротивлением. Вообще, все элементы реальных цепей, вплоть до самого маленького соединительного провода, имеют сопротивление. Однако в большинстве случаев этим можно пренебречь и при расчете считать элементы электрической цепи идеальными.

Существуют условные обозначения для изображения элементов цепи на схемах.

Обозначения элементов электрической цепи

Кстати, подробнее про силу тока, напряжение, сопротивление и закон Ома для элементов электрической цепи читайте в отдельной статье.

Вольт-амперная характеристика – фундаментальная характеристика элементов цепи. Это зависимость напряжения на зажимах элемента от тока, который проходит через него. Если вольт-амперная характеристика представляет собой прямую линию, то говорят, что элемент линейный. Цепь, состоящая из линейных элементов – линейная электрическая цепь. Нелинейная электрическая цепь – такая цепь, сопротивление участков которой зависит от значений и направления токов.

Какие есть способы соединения элементов электрической цепи? Какой бы сложной ни была схема, элементы в ней соединены либо последовательно, либо параллельно.

Способы соединения элементов электрической цепи

При решении задач и анализе схем используют следующие понятия:

  • Ветвь – такой участок цепи, вдоль которого течет один и тот же ток;
  • Узел – соединение ветвей цепи;
  • Контур – последовательность ветвей, которая образует замкнутый путь. При этом один из узлов является как началом, так и концом пути, а другие узлы встречаются в контуре только один раз.

Чтобы понять, что есть что, взглянем на рисунок:

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Схема электрической цепи

Классификация электрических цепей

По назначению электрические цепи бывают:

  • Силовые электрические цепи;
  • Электрические цепи управления;
  • Электрические цепи измерения;

Силовые цепи предназначены для передачи и распределения электрической энергии. Именно силовые цепи ведут ток к потребителю.

Также цепи разделяют по силе тока в них. Например, если ток в цепи превышает 5 ампер, то цепь силовая. Когда вы щелкаете чайник, включенный в розетку, Вы замыкаете силовую электрическую цепь.

Электрические цепи управления не являются силовыми и предназначены для приведения в действие или изменения параметров работы электрических устройств и оборудования. Пример цепи управления – аппаратура контроля, управления и сигнализации.

Электрические цепи измерения предназначены для фиксации изменений параметров работы электрического оборудования.

Расчет электрических цепей

Рассчитать цепь – значит найти все токи в ней. Существуют разные методы расчета электрических цепей: законы Кирхгофа, метод контурных токов, метод узловых потенциалов и другие. Рассмотрим применение метода контурных токов на примере конкретной цепи.

Электрическая цепь

Сначала выделим контуры и обозначим ток в них. Направление тока можно выбирать произвольно. В нашем случае – по часовой стрелке. Затем для каждого контура составим уравнения по 2 закону Кирхгофа. Уравнения составляются так: Ток контура умножается на сопротивление контура, к полученному выражению добавляются произведения тока других контуров и общих сопротивлений этих контуров. Для нашей схемы:

решение электрических цепей

Полученная система решается с подставкой исходных данных задачи. Токи в ветвях исходной цепи находим как алгебраическую сумму контурных токов

решение электрических цепей

Какую бы цепь Вам ни понадобилось рассчитать, наши специалисты всегда помогут справится с заданиями. Мы найдем все токи по правилу Кирхгофа и решим любой пример на переходные процессы в электрических цепях. Получайте удовольствие от учебы вместе с нами!

Читайте так же:
Зеркало розетка под люстру

Мощные источники регулируемого тока на операционных усилителях

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

где Ku — коэффициент усиления ОУ .

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

Поскольку ∆IS = ∆I = S∆VGS , а

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

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

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

Читайте так же:
Как подключить люстру если с потолка выходят три провода

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

Дифференциальная проводимость транзистора

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

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

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

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

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

Источник тока для гальваники. Часть II — еще одна теория

Понятно, что многим (включая меня самого) не терпится добраться до готовой схемы, но прежде чем смотреть готовое решение я, все-таки, хочу описать почему было выбрано именно такое решение и какие вообще есть варианты. Так что снова, осторожно, многабукаф.

Начну более детальной формулировки задачи:
— Необходимо получить нужное напряжение, то есть взять его из внешнего источника и преобразовать к нужной величине.
— Необходимо стабилизировать ток, а значит его нужно, как минимум, померять с достаточной точностью.
— Необходимо переключать направление тока через нагрузку, то есть нужна схема реверса.

Некоторые возможные подходы к решению задачи

Учитывая необходимые токи, пожалуй сразу можно исключить варианты линейных стабилизаторов тока. Помимо того, что они потребуют источник питания способный отдать максимальный ток при максимальном выходном напряжении. Поскольку в основном используется только малая часть из этого, то остальное придется рассеять в виде тепла. Что, помимо совершенно не рационального использования электроэнергии, еще и весьма геморройно конструктивно. Так что дальше будут рассматриваться только импульсные преобразователи.

Вариант 1: Сетевой преобразователь наподобие компьютерного блока питания

Возможно это был бы оптимальный вариант, но в готовом придется переделывать слишком много, а от варианта делать с нуля меня пока останавливает необходимость мотать трансформаторы, ковыряться с высоким напряжением и разбираться с еще одной темой.
По поводу переделки готовых блоков: в большинстве типовых схем блоков питания в выпрямителе стоят диоды, что на больших токах приводит к необходимости рассеивать изрядную мощность (десятки ватт). Переделка выпрямителя под синхронный (на полевиках) позволяет решить эту проблему, но сама переделка становится гораздо сложнее.

Вариант 2: ШИМ-регулятор тока через нагрузку.

Вариант вполне возможный, разве что блок питания для него нужен способный выдать максимальный ток с максимальным напряжением. Не смертельно, но неприятно.

Вариант 3: Понижающий преобразователь

Понижающий преобразователь или, как их еще называют, buck converter. Если более конкретно — синхронный вариант этого преобразователя. Если кто не в курсе, именно такие преобразователи используются (помимо других применений) на материнках для питания процессора. Кстати, задача очень похожая — низкие выходные напряжения и большие токи.
Именно на этом варианте я и остановился, поэтому имеет смысл рассмотреть его подробнее. В некотором смысле его можно рассматривать как конвертер из одного сочетания ток/напряжение в другое сочетание ток/напряжение, причем напряжение на выходе ниже, чем на входе, а ток, соответственно, выше. Иначе говоря, мощность потребляемая из внешнего источника питания сохраняется (с поправкой на КПД, естественно). Из этих незамысловатых соображений непосредственно выплывает, что ток в нагрузке больше пропорционально отношению входного и выходного напряжений. То есть, например, из входных 12В х 15А можно получить, например, 4В х 45А (в идеальном случае) или 6В х 30А (в таком же идеальном случае). Учитывая типичные рабочие режимы описанные в предыдущей части, это позволяет использовать распространенные 12В блоки питания (хоть промышленные, хоть комповые) без переделок.
Другие соображения, которые привели к выбору этого варианта:
— Теория импульсных понижающих преобразователей весьма тщательно расписана, а информации море разливанное, от чистой математики до готовых программ позволяющих посчитать необходимые параметры схемы.
— Огромное, просто невероятное количество всевозможных компонентов для таких преобразователей, от качественных транзисторов и драйверов к ним до готовых микросхем (и даже готовых преобразователей с индуктивностью на борту). Чтобы оценить масштабы достаточно сказать, что в каталоге Digikey более 28 тысяч позиций одних только контроллеров и интегрированных преобразователей, большинство из которых — понижающие преобразователи того или иного вида. В силу специфики задачи подходящих под задачу компонентов значительно меньше, но, тем не менее, выбрать есть из чего.
Подробнее выбранные подходы к реализации я опишу ниже.

Реверс

Для варианта сетевого преобразователя и использованием синхронного выпрямления, видимо, самым разумным будет менять местами фазы открытия ключей в выпрямителе. Выпрямитель (вместе с соответствующими ему потерями) в этом решении все равно неизбежен, а замена фаз позволит реализовать реверс практически «на шару».

Читайте так же:
Как отключить люстру от проводов

В случае понижающего преобразователя или ШИМ регулятора реверс можно реализовать двумя способами. Один вариант такой как у меня в предыдущих вариантах схемы. Второй — обычный полный мост.
Плюсы и минусы обоих вариантов:
— Вариант с полумостом для реверса:
Плюсы:
— простота схемы
— минимум транзисторов (а это не только цена, но и потери на канале открытого транзистора)
Минусы:
— необходимость инвертировать ШИМ при переключении в реверсный режим.
— транзисторы в преобразователе работают поочередно в разных режимах с противоречивыми требованиями, подобрать транзисторы способные работать в обоих режимах не так просто (о режимах транзисторов ниже)
— драйвер управляющий реверсом должен поддерживать статический режим переключения при полном размахе напряжения на выходе (либо нужно предусматривать внешнюю схему генерации повышенного напряжения для драйвера).
— необходимость в двуполярном датчике тока и, как следствие, сложность реализации автоматической (встроенной в силовую часть) стабилизации тока (хотя тут есть варианты).

— Вариант с полным мостом:
Плюсы:
— транзисторы преобразователя всегда работают в одном режиме, следовательно можно подбирать оптимальные под задачу транзисторы.
— датчик тока может быть униполярным, при необходимости можно мерять ток на датчике между мостом и землей, без больших синфазных сигналов.
— если не нужен полный размах напряжения на выходе, то драйвер моста можно питать просто входным напряжением.
— простота реализации схемы стабилизации тока.
Минусы:
— вдвое больше транзисторов и больше потери на открытом канале.

Пару слов о потерях на открытых транзисторах в схеме реверса: на первый взгляд кажется, что они не велики, но элементарный подсчет показывает, что при токе в 30А открытый транзистор с сопротивлением канала в 1мОм (а это очень хороший транзистор) будет рассеивать около одного ватта. В случае полного моста таких транзисторов два, то есть в сумме получается почти 2 ватта (1.8, если быть точным). Для сравнения, у самого преобразователя в этом же режиме расчетные потери тоже около 2-х Вт.

Измерение тока

Как всегда, вариантов много. Можно мерять ток через нагрузку (прямой метод), можно мерять ток потребления всей схемы и вычислять ток через нагрузку (косвенный). Поскольку у большинства вариантов собственный ток потребления тоже изменяется при изменении тока через нагрузку, косвенный метод представляется, как минимум, не очень удобным. Дальше, в зависимости от того, в каком виде в схеме можно найти искомый ток (однонаправленный или двунаправленный), понадобится униполярная или биполярная схема измерения тока. У сетевого преобразователя с реверсом на переключении фаз и в схемах с реверсом на полумосте ток через нагрузку в схеме есть только в двунаправленном виде. В схеме реверса на мосте полярность тока меняется самим мостом, а до моста ток присутствует в однонаправленном виде. Следующий этап — тип датчика и схема выделения сигнала тока. Для обсуждаемой задачи годятся два типа датчиков — резистивный или магнитный на эффекте Холла.
Резистивный датчик может быть как в виде, собственно, резистора, так в его качестве могут использоваться паразитные сопротивления, скажем, сопротивление открытого канала одного из ключей или внутреннее сопротивление индуктивности понижающего преобразователя. Паразитные сопротивления хороши тем, что они все равно есть и, раз уж они неизбежны, то пусть от них будет хоть какая-то польза. Плохи они тем, что «плывут» в зависимости от температуры, причем плывут сильно. Соответственно, для точного измерения тока понадобится еще и схема компенсации температурного дрейфа. Замечу, что там, где точное измерение тока не требуется (а, скажем, сигнал с датчика тока используется в схеме регулирования), паразитные сопротивления в качестве датчиков тока используется очень широко. Схема выделения (и усиления) сигнала с резистивного датчика это просто дифференциальный усилитель, либо специализированный, либо собранный на ОУ общего назначеения. В связи с этим есть немало заморочек — такие схемы работают с большими синфазными сигналами на входе, часто весьма шумными, сигнал с датчика весьма не велик по размаху (1мОм датчик на 30А даст всего 30мВ размаха сигнала, а амплитуда синфазной составляющей может достигать полного напряжения питания, то есть 12В). В нашем случае ситуация усугубляется тем, что мерять нужно достаточно точно, особенно малые токи.
Датчик на основе эффекта Холла в подавляющем большинстве случаев интегрируется со схемой выделения и усиления сигнала, которая минимизирует количество необходимых внешних компонентов и вообще здорово упрощает жизнь. Второй любопытный (хотя и не критичный в нашем случае) момент — такие датчики изолированы от цепи, в которой меряется ток. Поскольку меряется, по сути, магнитное поле вокруг проводника с током, то для нормальной работы таких датчиков нужно конструктивно обеспечить фиксированное (и весьма небольшое) расстояние между проводником и датчиком. К счастью есть датчики с интегрированным проводником, так что внешне они выглядят как самые обычные микросхемы (или как страшные крокозяблы).

Выбор

Как я уже писал выше, выбор пал на понижающий преобразователь. В основном из соображений (как мне тогда казалось) простоты. Потом оказалось, что все отнюдь не так просто, но это только подогрело интерес 🙂
Изначально для реверса использовался полумост, а датчик тока был биполярным. Поскольку для управления использовался внешний контроллер (а в качестве драйвера — HIP4081, у которого как раз два драйвера полумоста в одном корпусе), такое решение было вполне оправданным, а схема очень простой. Одна беда — ШИМ генерировался контроллером, а это ограничивало частоту. Ограничение по частоте было бы проблемой, если бы не большая величина необходимой индуктивности. Намотать такую индуктивность и при этом получить низкое внутреннее сопротивление не так просто, а внутреннее сопротивление приводило к большому нагреву самой индуктивности. Решить эту проблему можно уходя в верх по частоте (а для этого понадобился встроенный в силовую часть генератор PWM), но тут уже начинали перегреваться транзисторы. Стало понятно, что «на глазок» выбрать транзисторы не получится, нужно просчитывать потери и подбирать транзисторы и драйверы. Просчитывание схемы и внимательное чтение источников дало ответы на многие вопросы и показало, что первоначальный вариант реверса (с полумостом) оптимизировать не удастся — слишком разные требования к транзисторам в преобразователе (об этом подробнее чуть ниже).
Некоторое усложнение схемы, вызванное появлением генератора PWM на борту, подталкивало сделать следующий шаг — сделать стабилизацию тока и напряжения прямо на борту силовой части, слишком уж небольшими казались необходимые изменения (вот это предположение, кстати, оправдалось). В качестве бонуса это давало возможность сильно упростить задачи, которые должен решать контроллер.
Ну и, конечно же, всю схему хотелось сделать максимально простой с точки зрения схемотехники. С этой новой отправной точки и начался поиск вариантов решения.
И так, нужны следующие вещи:
— схема управления (собственно, стабилизатор)
— датчик тока
— переключение режимов стабилизации ток/напряжение
— реверс совместимый с первыми тремя.
— (крайне желательно) возможность изменять частоту преобразования

Читайте так же:
Как подсоединить люстру с тремя белыми проводами
Схема управления

Вариантов, на самом деле, достаточно много:
— (1) Использовать интегральный контроллер понижающего преобразователя. Этот вариант имеет несколько подвариантов:
а) полный преобразователь, с ключами на борту (например, такой)
б) преобразователь с внешними ключами (примеров приводить не буду, их просто немерянное количество)
в) преобразователь с внешними ключами, но вместо ключей подать сгенерированный преобразователем ШИМ на отдельный драйвер с дискретными ключами
г) преобразователь с внешнммм ключами, но вместо ключей подать сгенерированный преобразователем ШИМ на отдельный драйвер с интегрированными ключами.

— (2) Воспользоваться интегральным усилителем класса D. Тут есть два подварианта в зависимости от того, какой драйвер и ключи используются.

— (3) Собрать все на рассыпухе. Пожалуй, этот вариант интересен только с академической точки зрения.

— (4) Использовать «полуготовые» чипы типа MCP1630V. Варианты с драйверами и ключами имеются и здесь.

Не сложно заметить, что вместе с подвариантами набегает изрядное количество возможных подходов и выбрать не так просто. Попробую описать плюсы/минусы/особенности некоторых подходов:
Вариант (1) предъявляет некоторые требования к контроллеру преобразователя, в частности, он должен поддерживать так называемый трекинг внешнего напряжения (используется в системах где важен порядок подачи питающих напряжений). В принципе, можна и без него, но схема усложнится, а, напомню, я стремился сделать схему простой. Второе требование — униполярный датчик тока. Это обусловлено тем, что все подобные контроллеры работают в «однополярном» режиме штатно (в режиме стабилизации напряжения). Третье требование (скорее пожелание) — возможность оперативно регулировать частоту преобразования.

Вариант (2) весьма любопытен поскольку «естественным образом» реализует реверс и оба режима стабилизации. Неприятных моментов два:
— Схема симметричная и в силу этого «прямой» и «реверсный» полумосты работают в одинаковом режиме, то есть переключаются на полной рабочей частоте, и, следовательно, рассеивают «по полной программе».
— Управляющее напряжение оказывается привязанным к половине питания. Это не то, чтобы проблема, скорее мелкое неудобство. Которое, к тому же, легко (хотя и не очень дешево) решается использованием интегральных переменных резисторов.
Да, у некоторых подобных усилителей (например, у этих) есть возможность синхронизироваться от внешнего генератора, что позволяет реализовать изменение частоты преобразования.

Вариант (3) слишком громоздко, да и не нужно, по большому счету.

Вариант (4) достаточно хорош во всем кроме одного — необходим внешний генератор коротких импульсов. В остальном это, пожалуй, самый удобный и гибкий вариант.

По итогам прорисовки множества вариантов схем и перерывания гор даташитов был выбран вариант 1в. Причин три: очень простая схема, возможность тюнинга (в смысле выбора компонентов, в частности, компонентов моста) именно под конкретную задачу и, наконец, минимальные потери.

Пожалуй, пока этого достаточно, чтобы представлять, какие есть направления для поиска. Дальше я опишу как и что я считал и как выбирал конкретные схемные решения.

4.07. Источники тока

На рис. 4.9 изображена схема, которая является хорошим приближением к идеальному источнику тока, без сдвига напряжения Uбэ, характерного для транзисторного источника тока. Благодаря отрицательной ОС на инвертирующем входе поддерживается напряжение Uвх под действием которого через нагрузку протекает ток I = UвхR. Основной недостаток этой схемы состоит в том, что нагрузка является «плавающей» (она не заземлена). С помощью такого источника тока нельзя, например, получить пригодный к использованию пилообразный сигнал, напряжение которого отсчитывалось бы относительно потенциала земли. Этот недостаток можно преодолеть, если, например, всю схему (источники питания и все остальное) сделать «плавающей», а нагрузку заземлить (рис. 4.10). Штриховой линией обведен рассмотренный выше источник тока с источниками питания. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения для установки тока. Чтобы этой схемы не смущал вас, напомним, что «земля» — это понятие относительное. Любую точку в схеме можно назвать «землей». Представленную схему используют для формирования токов, протекающих через заземленную нагрузку, но ее существенный недостаток в том, что управляющий вход является плавающим, это значит, что выходной ток нельзя задать (запрограммировать) с помощью входного напряжения, отсчитываемого от потенциала земли. Методы устранения этого недостатка изложены в той части гл. 6, где рассматриваются источники питания постоянного тока.

Читайте так же:
Как подключить потолочную люстру используя двухклавишный выключатель

Рис. 4.10. Источник тока с заземленной нагрузкой и плавающим источником питания.

Источники тока для заземленных нагрузок. С помощью операционного усилителя и подключенного к нему транзистора можно построить простой и высококачественный источник тока для заземленной нагрузки; небольшое дополнение к схеме операционного усилителя позволяет использовать на управляющем входе напряжение, измеряемое относительно земли (рис. 4.11). В первой схеме обратная связь создает на резисторе R падение напряжения, равное Uкк — Uвх, которое в свою очередь порождает эмиттерный ток (а следовательно, и выходной ток), равный Iэ = (Uкк — Uвх)/R. При работе с этой схемой не приходится беспокоиться о напряжении Uбэ и его изменениях, связанных с изменениями температуры, Iк, Uкэ и т.п. Несовершенство этого источника тока (не будем принимать во внимание ошибки ОУ: Iсм, Uсвд) проявляется лишь в том. что небольшой базовый ток может немного изменяться в зависимости от напряжения икэ (предполагаем, что операционный усилитель не потребляет входной ток); этот недостаток — небольшая плата за возможность использования заземленной нагрузки; если в качестве транзистора Т1 использовать составной транзистор Дарлингтона, то погрешность будет существенно уменьшена. Погрешность возникает в связи с тем, что операционный усилитель стабилизирует эмиттерный ток, а в нагрузку поступает коллекторный ток. Если в этой схеме вместо биполярного использовать полевой транзистор, то проблема будет полностью решена, так как затвор полевого транзистора тока не потребляет.

Рис. 4.11. Источники тока с заземлёнными нагрузками, не требующие плавающего источника питания.

В рассматриваемой схеме выходной ток пропорционален величине, на которую напряжение, приложенное к неинвертирующему входу операционного усилителя, ниже, чем напряжение питания Uкк; иными словами, напряжение, с помощью которого программируется работа схемы, измеряется относительно напряжения питания Uкк, и все будет в порядке, если напряжение Uвх является фиксированным и формируется с помощью делителя напряжения; если же напряжение на вход должно подаваться от внешнего источника, то возможны неприятности. Этого недостатка лишена вторая схема, в которой аналогичный первый источник тока с транзистором n-p-n — типа служит для преобразования входного управляющего напряжения (измеряемого относительно земли) во входное напряжение, измеряемое относительно Uкк, для оконечного источника тока. Операционные усилители и транзисторы недороги, поэтому запомните такой совет: не раздумывая, включайте в схему дополнительные компоненты, если они позволяют улучшить ее работу и упрощают разработку.

Упражнение 4.1. Для послелней схемы определите выходной ток для заданного входного напряжения Uвх.

На рис. 4.12 представлен интересный вариант схемы источника тока на основе ОУ и транзисторов. Преимущество этой схемы состоит в том, что базовый ток, приводящий к ошибке в случае использования полевых транзисторов, здесь равен нулю, выходной ток не ограничивается значением Iси(вкл). В этой схеме (фактически — это не источник, а потребитель тока) транзистор Т2 начинает проводить когда через транзистор Т1 протекает ток стока величиной приблизительно 0,6 мА. При минимальном значении Iси для Т1 равном 4 мА, и подходящем значением β для Т2 величина тока, протекающего через нагрузку, может достигать 100 мА и более (для получения больших токов транзистор Т2 можно заменить транзистором Дарлингтона, при этом нужно соответственно уменьшить R1. В данном схеме были использованы полевые транзисторы с p-n — переходом, но еще лучше было бы использовать полевые МОП — транзисторы, так как для ОУ на полевых транзисторах с p-n — переходом требуется расщепленный источник питания, обеспечивающий диапазон напряжения на затворе, достаточный для перехода транзистора в режим отсечки. Ничего не стоит с помощью простого мощного полевого МОП — транзистора (МОП — структура с V-образной канавкой) получить ток по-больше, однако мощным полевым транзисторам присущи большие межэлектродные емкости, а представленная здесь гибридная схема как раз и позволяет при одолеть связанные с этим проблемы.

Рис. 4.12. Источник тока на полевых/биполярных транзисторах, предназначенный для больших токов.

Источник тока Хауленда. На рис. 4.13 показан красивый учебный источник тока. Если резисторы подобраны таким образом, что выполняется соотношение R3/R2 = R4/R1 — то можно показать, что справедливо равенство: Iн = — Uвх/R2.

Рис. 4.13. Источник тока Хауленда.

Упражнение 4.2. Покажите, что приведенное выше равенство справедливо.

Эта схема всем хороша, кроме одного резисторы должны быть точно согласованы, иначе источник тока будет далек от совершенства. Но даже при выполнении этого условия определенные ограничения накладывает коэффициент КОСС операционного усилителя. При больших выходных токах резисторы должны быть не большими, тем самым ограничивается выходной диапазон. Кроме того, на высоких частотах (где, как мы скоро узнаем, усиление в цепи обратной связи невелико) выходной импеданс может существенно уменьшаться — от требуемого бесконечного значения до всего лишь нескольких сотен ом (что соответствует выходному импедансу ОУ с разомкнутой обратной связью). Хоть эта схема и хороша с виду на практике ее используют редко.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector