Стабилизатор тока на двух транзисторах (схема, плата, сборка, испытание)

Принцип работы (работа стабилизатора тока)

Пусть наша нагрузка это R, будем считать, что её сопротивление почти не изменяется (R = const), ток мы хотим неизменный (I = const), а что у нас остаётся – только выходное напряжение на источнике тока, его то и будет подбирать схема, причём не просто от балды, а именно такое, при котором через вышеупомянутою нагрузку R потечёт ровно тот ток I, на который рассчитано устройство.

А вот разбор работы самой схемы:

после подключения источника питания через резистор R1 открывается полевой транзистор, через резистор R2-открытый канал сток-исток VT1 и нагрузку (светодиод) течёт ток. Чем больший ток, тем больше будет падать напряжения на резисторе, и когда оно достигнет значения открытия VT2 (для кремниевого биполярного примерно 0,60-0,75 В) тот откроется, через его ЭК потечёт ток от минуса к затвору VT1, тем самым прикрыв его, но не полностью, ведь R1 никуда не девается.

Примечание. Детали для данного экземпляра взяты со старых плат, в частности мощный полевой N-канальный транзистор MTD20N06V в DPAK (TO-252) исполнении с материнки, у него сопротивление открытого канала 65 мОм, а максимальное длительно приложенное напряжение затвор-исток 20 Вольт, питается схема от БП 12 Вольт (скачки напряжения не более нескольких Вольт), поэтому диод Зенера не понадобится. Биполярный транзистор – это известный BC847A в SOT-23 корпусе. Резистор R1 = 11 кОм, R2 = 2 Ом типоразмера 1205 и мощностью 0.25 Вт. Этот экземпляр предназначен для стабилизированного тока:

Iстаб = UБЭ * R2 = 0.6 В / 2 Ом = 300 мА

Нюансы расчета стабилизатора тока

Расчет стабилизатора производится на основании напряжения стабилизации U и тока (среднего) I. К примеру, напряжение входного делителя составляет 25 В, на выходе нужно получить 9 В. Вычисления предусматривают:

1. Подбор по справочнику стабилитрона. Ориентируются на напряжение стабилизации: Д814В.
2. Поиск среднего тока I по таблице. Он равен 5 мА.
3. Вычисление подающего напряжения как разности стабильного напряжения входа и выхода: UR1 = Uвx — Uвых, или 25-9=16 В.
4. Деление полученного значение по закону Ома на ток стабилизации по формуле R1 = UR1 / Iст, или 16/0,005=3200 Ом, или 3,2 кОм. Номинал элемента будет 3,3 кОм.
5. Вычисление максимальной мощности по формуле РR1 = UR1 * Iст, или 16х0,005=0,08.

Через резистор проходит ток стабилитрона и выходной, поэтому его мощность должна быть в 2 раза больше (0,16 кВт). На основании таблицы данному номиналу соответствует 0,25 кВт.

Самостоятельная сборка стабилизатора для светодиодных устройств возможна только при знании схемы. Начинающим мастерам рекомендовано использовать простые алгоритмы. Рассчитать элемент по мощности можно на основании формул из школьного курса физики.

Испытание

Дорожки были начерчены маркером, поэтому плата немного отличается от разработанной, крепления под винтики сделаны не были. Подключаем устройство к источнику питания (у меня был трансформатор 12В с диодным мостом и конденсатором), теперь зная, что ток относительно невелик я тупо замкнул выход амперметром, рассчитанным на измерение постоянного тока до 20А, показания ниже:
Это адекватный результат для такой схемы. Далее были подключены по очереди два светодиода 10 Вт с различным напряжением питания. Для СД с одним кристаллом напряжение вышло Uвых = 2.72 В при токе Iвых = 0.31 А, при этом на входе Uпит = 10.88 В, т.е. рассеивается примерно:

P1 = (Uпит — Uвых)*Iвых = (10.88-2.72)*0.31 = 8.16*0.31 = 2.53 Вт

Для второго светодиода, в котором три кристалла соединены последовательно Uвых = 10.32 В, Iвых = 0.29 А при Uпит = 11.22 В, получаем:

P2 = (Uпит — Uвых)*Iвых = (11.22-10.32)*0.31 = 0.9*0.31 = 0.279 Вт

Когда входное напряжение как можно меньше отличается от нужного напряжения питания для обеспечения требуемого тока, тогда и достигается высокий КПД (со вторым СИД η = 92%) при простоте исполнения.

Заменим резистор, определяющий выходной ток источника тока на 470 Ом, тогда получим выходной ток:

Iвых = UБЭ/R2 = 0.6 / 471 = 1276 мкА

Проверка амперметром:

Таким образом при питании 12 В подключаем светодиод 5 мм, через него проходит ток ~1.3 мА, через два/три светодиода ток будет такой же, ведь напряжения питания хватает для этого.

Ещё сделал небольшой график зависимости выходного стабильного тока от напряжения питания стабилизатора тока. Сначала происходит выход на номинальный ток (когда напряжения питания не хватает для Iст), а потом всё прекрасно, при изменении напряжения в три раза (с 10 до 30 В) изменение тока всего на 0.64 мА или 4.22%.

Стабилизатор тока на транзисторе

Однако, такой подход подойдет не во всех случаях (требуется высокое напряжение на источнике питания, при большой силе тока резистор будет изрядно нагреваться). Аналогичные проблемы есть и у простейших диодных стабилизаторов.

Наиболее логично управлять током с помощью транзисторов. На них мы и остановимся ниже. Такой подход выгоден не только с точки зрения экономии на стоимости составляющих элементов, но и с позиции тонкой настройки схемы под свои нужды (например, схемы на готовых микроконтроллерах не могут изменять выходных параметров в требуемом диапазоне, они работают только в фиксированных пределах, а значит, изменение под свои нужды будет затруднительным, так как необходимо применение дополнительных элементов для управления уровнем тока).

Применение стабилизаторов тока на транзисторе

Где может понадобиться стабильный ток? Чаще всего это схемы питания:

1.Светодиодов (автомобильные фары, ленты освещения, рекламные табло, новогодние гирлянды),

2.Паяльных станций,

3.Зарядных устройств (для бытовых аккумуляторов, автомобильных и т.п.),

4.И т.п.

Схема стабилизатора тока на одном транзисторе

Рис. 2. Схема стабилизатора тока на одном транзисторе

Логика работы очень проста:

1.Ток нивелируется высокоомным резистором R2 (около 200 Ом), а задающим является низкоомный резистор R1 (1-10 Ом).

2.Связка R2 D2 применяется в качестве делителя напряжения, только вместо второго резистора используется стабилитрон (он обеспечивает дополнительную стабилизацию управляющего тока на базе транзистора).

3.В нормальном режиме ток проходит на нагрузку практически без изменений.

4.При изменении тока на базе транзистора будет нивелироваться и выходной ток на катоде, он останется слабочувствительным к колебаниям на эмиттере. То есть, на нагрузку будет подаваться достаточная сила тока даже при колебаниях напряжения на источнике питания.

Сопротивление R1 может сильно нагреваться в процессе работы, поэтому этот элемент лучше всего выполнить из нескольких резисторов. Последние должны быть не чувствительны к температурному режиму работы. Именно R1 задает выходной ток, поэтому от его калибровки будут зависеть ключевые параметры всей схемы.

Сопротивление R2 может быть заменено переменным резистором для подстройки порога насыщения транзистора. Таким образом можно будет настроить уровень выходного тока.

Диод (стабилитрон) D1 может быть заменен сопротивлением.

В качестве биполярного транзистора можно использовать один КТ818 или связку из нескольких, соединенных по схеме составного транзистора.

Указанная схема подойдет для стабилизации токов в диапазоне 0.5-5 А при напряжении питания от 9 до 45 В.

Схема на двух транзисторах

Этот способ соединения транзисторов еще называют «токовое зеркало».

Схема выглядит следующим образом.

Рис. 3. Схема на двух транзисторах

По факту, здесь транзистор VT2 имеет соединенные между собой базу и коллектор, поэтому его функционал сопоставим с классическим диодом.

На деле же идентичность параметров обоих транзисторов позволяет лучше управлять (нивелировать) коллекторным током на основном элементе VT1. А в остальном логика работы аналогична предыдущей схеме (на одном транзисторе с диодным делением).

Увеличение стабильности

При работе часть энергии рассеивается, происходит нагрев платы и компонентов схемы, параметры плывут, а главное изменяется напряжение насыщения ( UБЭ) транзистора VT2, те самые ~0,7 В будут изменяться, что приведёт к изменению выходного тока.

ТКН (Температурный Коэффициент Напряжения) pn-перехода транзистора отрицательный, при повышении температуры UБЭ будет уменьшаться. Для термостабилизации вводим дополнительно элемент с положительным ТКН – стабилитрон (с Uст > 6.5 В), тогда при нагреве напряжение на одном компоненте (VT2) будет уменьшаться, а на другом (D1) увеличиваться, таким образом получается компенсация. В совершенстве ТКН обоих приборов должен быть равен по величине и противоположным по знаку, а нагрев происходить одинаково (именно поэтому они расположены рядом на плате).

Также добавлен ещё один транзистор VT3, который выступает источником тока для VT2, что придаст ещё большей стабильности, т.к. при изменении напряжения питания в определённом диапазоне ток базы VT2 почти не будет изменяться.

Печатные платы

Только шелкография: pcb_current_source_silk.pdf Только дорожки: pcb_current_source_solder.pdf Дорожки и шелкография: pcb_current_source_solder_silk.pdf Только шелкография: pcb_current_source_silk.pdfТолько дорожки: pcb_current_source_improved_solder.pdfДорожки и шелкография: pcb_current_source_improved_solder_silk.pdf

Всё уместилось на маленьком кусочке (3 на 2 см) фольгированного текстолита, тепло отводится путём крепления всей платы на кусок алюминия винтами, спроектирована она с расчётом на крепёж M2, чтобы легко и надёжно закрепить её или попросту приклеить к теплоотводу теплопроводящим клеем (Stars 922). При необходимости её можно легко уменьшить почти в два раза раза два.

Список компонентов

В конечном счете

Такой условный источник тока можно использовать как стабилизатор тока для светодиодов в автомобиле (12 В-14,4 В), с помощью него подключать лазеры к какому-то трансформатору или ИБП со скачущим напряжением в несколько вольт или использовать в схемах зарядных устройств. Но, как вы поняли использовать данное устройство можно с любой другой нагрузкой, требующей стабильного значения электрического тока. Этот стабилизатор рассеивает “лишнюю” энергию в виде теплоты, что может быть неприемлемо в ситуациях, когда разница напряжений большая и протекающий ток не мал, но, например, в условиях когда входное напряжение не сильно превышает выходное и ток стабилизации мал, почему бы и нет?

Электромеханические стабилизаторы переменного тока

Стабилизаторы электромеханического типа

Холодильники Минск просто встанут, если напряжение упадёт ниже номинала. Это актуально в гараже, на даче, где за параметрами сети следят не слишком строго, где часто используются сварочные аппараты и прочие мощные потребители. Лишь в школьном курсе физики напряжение в параллельной цепи остаётся постоянным. В действительности мощность источника ограничена, и если сосед решил воспользоваться сваркой, на всех не хватит. Отсюда мерцания лампочек освещения. Скачет напряжение, а спираль единая. По указанной причине выделяется различная мощность, что заметно визуально. Спираль обладает большим индуктивным сопротивлением (чтобы не сгорела при включении), но на практике плотность потока мощности света прямо следует за величиной напряжения в сети.

Если стабилизатор трёхфазного напряжения считается производственной необходимостью, предохраняющей от поломки оборудования, в быту приходится использовать подобные устройства в местах, где сеть не отвечает нормам. Типичный стабилизатор переменного тока проиллюстрируем на примере электромеханических разновидностей указанных устройств:

1. На входе стоит непременный фильтр. Чаще дроссельный, заземлением не каждый владелец богат.
2. Сердцем электромеханического стабилизатора напряжения 220В считается трансформатор. Отличие Ресанта на три фазы – сердец внутри уже три. Каждое отвечает за собственную фазу. Ключевой особенностью трансформаторов называют факт: выходная обмотка по кольцу зачищена до блеска, там скользит токосъёмник в виде графитовой щётки. Гораздо чаще щёток две. Соединены параллельно и нужны для повышения надёжности и снижения тепловой нагрузки на каждую в отдельности.
3. От местоположения щётки зависит длина выходной катушки, количество витков и снимаемое напряжение. Поверх скользящая часть снабжена солидных размеров радиатором из силумина или материала схожей природы, чтобы рассеивать тепло. Щётки бегают по кругу, точнее, по сектору, в зависимости от угла поворота вала. Приводится в движение при помощи электродвигателя.
4. Выходная часть снабжена фильтром выходного напряжения.

Схема стабилизации переменного тока

Чтобы найти угол поворота блока щёток, известна схема измерения, занимается оценкой параметров входного напряжения. В зависимости от поведения сети мотор перемещает щётки в выбранную сторону. В результате напряжения на выходе остаётся приблизительно постоянным.

Радуют технические характеристики стабилизаторов электромеханического типа. В смысле стабильности это лидеры на рынке. За счёт большого числа витков по сектору движения щёток удаётся добиться отличных показателей. Минус такого стабилизатора в относительно большой массе, габариты тоже хромают. Что касается эксплуатации, уголь оседает на проводящей части, ухудшается проводимость (в полезном смысле). Вдобавок щётки искрят. Это неизбежный дефект, устраняемый разнообразными методами.

Конструкция электромеханического стабилизатора напряжения 220В проста. Необходимость чистки определяют по частым срабатываниям схем защиты. Обычно от перегрева трансформатор предохраняется биметаллическими датчиками. Следовательно, при излишнем выделении тепла рабочий цикл прибора начнёт характеризоваться возрастающими паузами для остывания. Это свидетельствует, что пора выполнить обслуживание. Помните, соседние витки трансформатора изолированы друг от друга. Если угольной пыли станет переизбыток, образуется замыкание, что негативно скажется на выделении тепла, снизит точность прибора, составляющую 2% от номинала.