Источник тока управляемый напряжением с изменением направления тока

Управляемый источник постоянного стабилизированного тока с хорошими динамическими характеристиками, позволяет изменять величину и полярность выходного тока под действием входного управляющего напряжения. Источник может входить в состав различных приборов и систем. Точность соответствия выходного тока входному управляющему напряжению позволяет использовать источник для ответственных применений. Работу источника тока можно пояснить на примере управления светодиодным индикатором.

Схема применения источника тока для управления светодиодами

Применение источника тока для управления светодиодами

Яркость свечения светодиодов удобнее изменять, регулируя ток, протекающий через светодиод, а не напряжение, приложенное к светодиоду. С помощью управляемого источника стабилизированного тока можно осуществить изменение и регулировку яркости свечения обычных или лазерных светодиодов. Сменой полярности можно выбирать группу работающих светодиодов. При одной полярности тока будут светиться светодиоды Н1-Н6, при противоположной полярности светодиоды Н7-Н12. Если светодиоды имеют различный цвет, например Н1-Н6 красные, а Н7-Н12 зеленые, можно осуществить индикацию нормального и критического значения контролируемой величины.

Источник постоянного стабилизированного тока необходим для регулирования величины постоянного магнитного поля. Управляющее напряжение может поступать от цифроаналогового преобразователя специализированного контроллера или другого прибора.

Схема применения источника тока для управления электродвигателями

Применение источника тока для управления электродвигателями

С помощью источника постоянного тока, обладающего возможностью менять направление тока, достаточно просто осуществить регулирование скорости вращения и смену направления вращения ротора электродвигателя. Для передачи команды, устанавливающей параметры вращения достаточно одной двухпроводной линии. Вращение в прямом направлении происходит при положительной полярности тока на контакте 1 и отрицательной полярности на контакте 2 выходного разъема источника тока U1.

Реверс двигателя происходит при смене полярности управляющего напряжения и вызванного этим изменением полярности выходного тока. С помощью одного источника меняющего направление тока можно управлять двумя электродвигателями. При положительной полярности выходного тока на контакте 1 протекает ток через диод VD2 и работает электродвигатель М2, при отрицательной полярности тока на контакте 1 протекает ток через диод VD1 и работает электродвигатель М1. Реверс двигателей при такой схеме подключения отсутствует.

Источник тока управляемый напряжением находит применение при передаче аналоговых сигналов. При таком способе организации связи величина тока пропорциональна аналоговой величине. Искажение электромагнитными помехами сигнала, передаваемого током значительно меньше по сравнению с обычным способом передачи сигнала напряжением.

Использование токового сигнала требует установки в передающей и приемной аппаратуре специальных модулей передачи и приема тока. При этом можно исключить цифровое кодирование передаваемых данных. Источник тока управляемый напряжением применяется для плавного управления электромагнитными регуляторами на основе соленоидов в гидравлических системах. На базе управляемого источника тока легко построить универсальный прибор зарядки аккумуляторов разных типов.

Работа источника тока

Ток, генерируемый идеальным источником, стабилен при изменении сопротивления подключенной нагрузки. Для поддержания величины тока постоянной изменяется значение ЭДС источника. Изменение сопротивления нагрузки вызывает изменение ЭДС источника тока таким образом, что значение тока остается неизменным.

Реальные источники тока поддерживают ток на требуемом уровне в ограниченном диапазоне напряжения, создаваемого на изменяющемся сопротивлении нагрузки. Этот диапазон ограничен мощностью электропитания источника тока. Если необходимо поддерживать ток величиной 1 ампер на нагрузке 20 ом, это означает, что на нагрузке будет напряжение 20 вольт. При снижении сопротивления нагрузки или коротком замыкании выходное напряжение будет снижаться, а при увеличении сопротивления нагрузки электропитание должно обеспечить возможность работы при напряжениях выше 20 вольт.

Работа источника тока требует источника электропитания. Последовательно с источником электропитания включается стабилизатор тока. Выход такого прибора рассматривается как источник тока. Параметры электропитания источника тока конечны, это ограничивает максимальное сопротивление нагрузки, которую можно подключить к источнику тока. Для обеспечения надежной работы электропитание должно иметь запас по перегрузке. Ограниченная мощность электропитания ограничивает максимальный ток, который может отдать в нагрузку источник тока.

Источник тока может работать при сопротивлении нагрузки близком к нулю. Замыкание выхода источника тока не приводит к аварии устройства или срабатывании защиты. Если произошло замыкание выхода источника тока вызванное повышенной влажностью, неаккуратным обращением с оборудованием обслуживающего персонала после ликвидации причин замыкания прибор мгновенно возвращается к нормальному режиму работы.

Схема управляемого источника тока

  • Напряжение питания………….100…260 В, 47…440 Гц
  • Входное напряжение………….±10 В
  • Выходной ток………………….± 100 мА
  • Сопротивление нагрузки……..0,1…120 Ом
  • Температурный диапазон……-50…+75 ±С
  • Точность преобразования……0,5 %

Управляемый источник тока - упрощенная схема

Упрощенная схема источника тока

В основе работы схемы находится свойство операционного усилителя изменять выходное напряжение операционного усилителя так чтобы сравнять напряжение на входах благодаря цепям обратной связи. Управляющее напряжение через резистор R1 поступает на инвертирующий вход операционного усилителя и вызывает изменение напряжение на его выходе.

Изменение напряжения на выходе усилителя вызывает протекание тока через резистор R5 и нагрузку. Выходное напряжение через цепи обратной связи поступает на входы операционного усилителя. Сопротивления резисторов имеют величины, обеспечивающие нужную пропорциональность между влиянием на управляющее напряжение и током через нагрузку.

При положительном управляющем напряжении, поступающем на инвертирующий вход операционного усилителя, на его выходе формируется отрицательное напряжение. Через резистор и нагрузку течет ток создающий напряжение на резисторе R5. Потенциал в точке соединения резисторов R3 и R5 ниже, чем в точке соединения резисторов R4, R5 и нагрузки.

Благодаря тому, что суммарное сопротивление резисторов R4 и R5 равняется сопротивлению R3, на выходе усилителя присутствует потенциал, компенсирующий управляющее напряжение на входах операционного усилителя через резисторы обратной связи. Потенциал на выходе усилителя снизится настолько, насколько это необходимо для компенсации действия положительного управляющего напряжения на инвертирующий вход операционного усилителя.

Компенсация действия управляющего напряжения на входы операционного усилителя происходит в зависимости от напряжения на резисторе R5, вызванного протекающим током. Если управляющее напряжение фиксировано, то влияние обратной связи на входы операционного усилителя происходит в зависимости от напряжения на резисторе R5.

Изменение сопротивления нагрузки приводит к изменению потенциала на неинвертирующем входе операционного усилителя через резистор R4. При снижении сопротивления нагрузки снижается потенциал на неинвертирующем входе операционного усилителя и увеличивается напряжение между входами операционного усилителя, что вызывает снижение потенциала на выходе усилителя. При этом на уменьшившемся сопротивлении нагрузки уменьшается приложенное напряжение, не позволяя возрасти току.

Пропорциональность между управляющим напряжением и выходным током устанавливается сопротивлениями резисторов. Сопротивление резистора R5 должно быть малым, через него течет выходной ток, вызывающий нагрев. Уменьшение сопротивления R5, расширяет диапазон сопротивления подключаемых нагрузок. Сопротивления резисторов R1 и R2 равны, значения их выбраны таковыми, что исключают перегрузку источника управляющего напряжения. Сопротивления резисторов вычисляются по следующим формулам:

R1 = R2
R3 = R4 + R5
I = (U*R3)/(R1*R5)

Где:

  • U - управляющее напряжение
  • I - выходной ток

Одним из важных параметров любого источника тока, а в нашем случае преобразователя напряжение-ток, является диапазон сопротивления подключаемых нагрузок. Идеализированная модель устройства обеспечивает требуемый ток в диапазоне изменения сопротивления нагрузки от 0 до бесконечности.

В реальных устройствах это невозможно и ненужно, так как к сопротивлению нагрузки прибавляется сопротивление проводов, контактов разъемов, и элементов других цепей. Свойство источника тока обеспечить работу системы независимо от сопротивления нагрузки является очень полезным. Благодаря этому свойству повышает надежность системы, в которой участвует источник тока.

Недостатком источника тока является мощность, выделяемая на выходном усилителе. В каждом случае потребуется выбрать компромисс между запасом по сопротивлению нагрузки и выделяемым теплом на выходном усилителе. Для обеспечения широкого диапазона сопротивлений нагрузки приходится использовать электропитание устройства с достаточным запасом по величине напряжения.

Управляемый источник тока - электрическая принципиальная схема

Электрическая принципиальная схема источника тока управляемого напряжением
с изменением направления тока

Практическая реализация источника изображена на электрической принципиальной схеме. Для точного соответствия схемы расчетам сопротивления собраны из резисторов, включенных последовательно или параллельно. Выходной усилитель состоит из транзисторов VT1 и VT2. При выходном токе сто миллиампер на нагрузке двадцать ом напряжение составит два вольта, на регулирующем транзисторе падение напряжение примерно 0,6 вольт, на резисторе R5 падение напряжения 0,1 вольт. При питании 15 вольт напряжение на одном из двух транзисторов усилителя составит 15В-2,7В=12,3В, а мощность около 12,3В*100мА=1,23 Вт выделится в виде тепла.

Конденсатор С4 необходим для подавления наводок наведенных на линию, подключенную к управляющему входу устройства, конденсатор С5 предотвращает возбуждение схемы. Конденсатор С1 уменьшает помехи устройства в сеть питания. Питание осуществляется от сети 220 вольт, 50 гц.

Благодаря импульсному преобразователю напряжения DA1 к питанию не предъявляется требований по стабильности напряжения. Автоматический выключатель Q1 выполняет функции тумблера питания и защищает от перегрузки сеть 220 вольт при аварии устройства. Н1 – индикатор наличия питания. Трансил-диод VD1 защищает источник питания от превышения сетевого напряжения выше критического значения. Преобразователь напряжения обеспечивает схему устройства двухполярным питанием, необходимым для работы операционного усилителя и формирования выходного тока двух полярностей.

Компоненты схемы

Позиционное
обозначение
Наименование
Конденсаторы
C1 K73-16 0,01 мкФ ± 20%, 630 В
C2, C3 0,47 мкФ-К-1Н-Н5 50 Вольт, ф. Hitano
C4 100 пФ-J-1H-H5 50 Вольт, ф. Hitano
C5 0,47 мкФ-К-1Н-Н5 50 Вольт, ф. Hitano
   
Резисторы
R1, R2 C2-29B-0,125-101 Ом ± 0.05 %
R3 C2-23-0,25-33 Ом ± 5 %
R4 C2-29B-0,125-101 Ом ± 0.05 %
R5 1 Ом ± 0.01 % Astro 2000 axial ф. Megatron Electronic
R6, R7 C2-29B-0,125-200 Ом ± 0.05 %
R8, R9 C2-29B-0,125-10 кОм ± 0.05 %
   
Транзисторы и диоды
VT1 TIP3055 ф. Motorola
VT2 TIP2955 ф. Motorola
VD1 Трансил-диод двунаправленный 1.5KE350CA ф. STMicroelectronics
   
Схемы и модули
H1 Светодиодная коммутаторная лампа СКЛ-14БЛ-220П “Протон”
DA1 Преобразователь напряжения TML40215 ф. TRACO POWER
DA2 Микросхема операционного усилителя OP2177AR
Q1 Автоматический выключатель УкрЕМ ВА-2010-S 2p 4А “Аско”

Конденсатор C1 может быть любого типа. Важное требование, предъявляемое к этому компоненту это уровень рабочего напряжения не ниже 630 вольт. Конденсаторы С2…С5 можно использовать керамические или многослойные. Все резисторы кроме R3 должны иметь максимально возможную точность. Резистор R5 лучше сделать составным из четырех резисторов сопротивлением 1 ом.

Две цепи, состоящие из двух последовательно включенных резисторов по 1 ом, соединяются параллельно. В результате общее сопротивление составляет 1 ом, а рассеиваемая мощность увеличивается в четыре раза. Резистор R5 проволочного типа применять нельзя. Импульсный преобразователь напряжения DA1 можно заменить двухполярным блоком питания, обеспечивающим выходной ток в каждом плече 500 миллиампер и уровень пульсаций не более 50 милливольт.

Для достижения высокой точности преобразования управляющего напряжения в выходной ток операционный усилитель, должен иметь малое напряжение смещение нуля. Особенно это важно для снижения выходного тока до нуля под действием управляющего напряжения. При некотором снижении точности в качестве замены DA1 подойдут микросхемы OP213 или OP177. Применение на выходе схемы мощных транзисторов увеличивает надежность устройства. Транзисторы обязательно устанавливаются на радиаторы.

Схему можно использовать для других выходных токов и управляющих напряжений. Для этого потребуется произвести расчеты по приведенным формулам ранее в статье. При выполнении расчетов следует учитывать возможность применения резисторов из стандартного ряда сопротивлений.

При проверке работы схемы необходимо во всем диапазоне напряжений, токов и сопротивления нагрузки проверить осциллографом отсутствие колебаний на выходе схемы. В случае наличия колебаний увеличить емкость C4 или С5.

Справочные данные:
Преобразователь напряжения TML40215
Операционный усилитель OP2177AR

Платон Константинович Денисов, г. Симферополь
simferopol1970@gmail.com

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ:

Конденсатор

Последовательное и параллельное соединение резисторов

КОММЕНТАРИИ:

ыпаып
писал: 2013-07-02
яывя

Добавить комментарий:

Ваше имя:
Ваш E-mail:
Ваш комментарий:
Введите сумму чисел с картинки (защита от роботов):