|
Двухвыводной компонент позволяющий ограничить постоянный ток на уровне
от десятых долей миллиампера до десятков миллиампер является простым
решением для множества цепей электрических схем. Компонент, о котором
пойдет речь в этой статье, повышает устойчивость работы приборов,
обладает низкой ценой, позволяет упростить разработку электрических схем
и производство множества приборов. Полупроводниковый прибор в
большинстве случаев имеет конструкцию корпуса, напоминающую диод малой
мощности. Благодаря наличию всего двух выводов полупроводники этого
класса упоминаются в документации производителей как диодные
ограничители тока current limiting diodes, CLD встречается также
наименование current regulator diodes, CRD. Внутренняя схема
ограничителя тока не содержит диодов, такое название закрепилось только
благодаря внешнему сходству корпуса прибора с диодом. Попытаюсь немного
восполнить недостаток информации о свойствах и применении диодного
ограничителя тока. Вспомним некоторые теоретические сведения для
правильного применения прибора.
ВСПОМНИМ ЭЛЕКТРОТЕХНИКУ
Источники электропитания разделяются на источники ЭДС и источники тока. Идеализированный источник ЭДС обладает внутренним сопротивлением равным нулю, напряжение на его выходе равно ЭДС и не зависит от выходного тока, обусловленного нагрузкой. Идеализированный источник тока обладает двумя бесконечно большими параметрами: внутренним сопротивлением и ЭДС, которые связаны постоянным отношением – током. При возрастании сопротивления нагрузки возрастает ЭДС, что позволяет получить требуемый ток в цепи независящий от сопротивления нагрузки. Свойство источника тока, позволяющее получить стабильное значение тока: при изменении сопротивления нагрузки изменяется ЭДС источника тока таким образом, что значение тока остается постоянным.
Существующие источники тока поддерживают ток на требуемом уровне в ограниченном диапазоне напряжения, создаваемого на нагрузке и в небольшом диапазоне сопротивления нагрузки. Идеализированный источник тока рассматривается, а реальный источник тока может работать при нулевом сопротивлении нагрузки. Одним из важных параметров любого источника тока, является диапазон сопротивления нагрузки. В реальности обеспечить ток в диапазоне сопротивления нагрузки от нуля до бесконечности невозможно и ненужно. К сопротивлению нагрузки прибавляются сопротивления контактов разъемов, проводов, сопротивление других элементов, следовательно, нагрузка с нулевым сопротивлением не существует. Бесконечно большое сопротивление означает, что нагрузка отсутствует и ток не протекает, напряжение на выходных клеммах источника тока равно максимальному значению. 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 выйти на режим работы с номинальным сопротивлением нагрузки. Свойство источника тока обеспечить постоянный ток независимо от сопротивления нагрузки является весьма ценным, благодаря этому свойству существенно повышается надежность системы, в которой он применен. На практике источник тока – прибор, имеющий в своем составе источник ЭДС. Лабораторный блок питания, аккумулятор, солнечная батарея все это источники ЭДС, поставляющие электроэнергию потребителю. Последовательно с источником ЭДС включается стабилизатор или ограничитель тока. Выход этой группы последовательно соединенных приборов рассматривается как источник тока, применяющийся для питания электродвигателей, в системах гальванического нанесения покрытий на металлах, создания постоянных магнитных полей, питания обычных, сверхярких, лазерных светодиодов и многих других целей.
Простейший источник тока можно создать, используя диодный ограничитель тока. Величина ограничения тока и точность ограничения соответствуют документации, опубликованной фирмой изготовителем.
ПРИМЕРЫ И НЕКОТОРЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Постоянство тока при изменении приложенного напряжения отражает динамическое сопротивление. Горизонтальный участок характеристики имеет небольшой наклон, который показывает отношение небольшого изменения напряжения к вызванному им небольшому изменению тока. Этот параметр носит название динамического сопротивления или дифференциального сопротивления по аналогии с законом Ома. При больших изменениях напряжения ток меняется незначительно, поэтому динамическое сопротивление диодного ограничителя тока измеряется в мегаомах. Чем выше значение этого параметра, тем лучше диодный ограничитель тока.
Диодные ограничители тока выпускаются многими производителями полупроводников.
ПРИМЕНЕНИЕ
Схемного обозначения и наименование диодных ограничителей тока в соответствии с ГОСТ найти не удалось. В схемах статьи применяется обозначение обычного диода. Ток ограничения может отклоняться от номинального тока на величину до двадцати процентов. При изменении напряжения от двух вольт до напряжения пробоя ток ограничения также меняется на пять процентов. Чем выше ток ограничения, тем больше отклонение при увеличении напряжения. При параллельном включении нескольких диодных ограничителей можно получить тот же ток ограничения, что и при использовании одного, но при этом уменьшить минимально возможное рабочее напряжение при этом диапазон напряжения, в котором работает ограничитель, увеличивается.
Сравнивая графики вольтамперных характеристик идеального источника тока и диодного ограничителя тока заметно отличие при малом напряжении на выводах. Для нормальной работы диодного ограничителя тока необходимо напряжение более некоторого значения, как правило, это более двух вольт. При возрастании напряжения от нуля до уровня около двух вольт ток возрастает от нуля до величины ограничения тока, соответствующей типу ограничителя. Эта часть вольтамперной характеристики напоминает характеристику резистора. При дальнейшем возрастании напряжения ток не увеличивается – происходит ограничение тока. Другими словами ток может принимать значения от нуля плавно возрастая до величины ограничения. Чем ниже напряжение, при котором прибор переходит в режим ограничения тока, те удобнее применять его в разрабатываемых схемах. При дальнейшем возрастании напряжения наступит пробой примерно в диапазоне напряжений от пятидесяти до ста вольт в зависимости от типа ограничителя. Горизонтальная часть характеристики имеет наклон, отражающий некоторое изменение величины ограничения тока в зависимости от напряжения. Чем больше величина напряжения на выводах, тем сильнее величина ограничения тока отличается от паспортных данных тока. Напряжение на полюсах цепи состоящей из нагрузки и диодного ограничителя тока должно быть таким, чтобы обеспечить напряжение на выводах диодного ограничителя более полутора-двух вольт. Рассмотрим цепь, состоящую из диодного ограничителя тока и светодиодов. При напряжении питания 24 вольта на светодиодах должно быть не более двадцати двух вольт, иначе яркость снизится. Если схема требует уменьшения напряжения на светодиодах до полутора вольт (допустим, что нагрузкой является один светодиод), то напряжение на диодном ограничителе составит 22,5 вольта, что позволит ему находится в нормальном режиме работы и ниже критического напряжения пробоя с запасом напряжения для скачков питания. Так как яркость и оттенок свечения светодиода зависят от протекающего тока, то при включении диодного ограничителя тока в цепь питания светодиода обеспечивается правильный режим и надежность благодаря фиксации тока на требуемом уровне и работе в диапазоне напряжений от двух до ста вольт.
Эту схему легко преобразовать в зависимости от светодиодов и напряжения питания. Один или несколько параллельно включенных диодных ограничителей 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, через выпрямитель и фильтр светодиодный светильник подключается к сети переменного напряжения.
Использование резистора в цепи питания светодиода индикатора включения системного блока персонального компьютера в сеть приводило к пробою светодиода. Применение диодного ограничителя тока позволило получить надежную работу индикатора. При этом индикатор подключается к разъему блока питания, что упрощает замену материнской платы
Диодные ограничители 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 ограничителя тока в цепи питания светодиода, входящего в состав оптопары, позволяет снизить искажение цифрового сигнала, передаваемого через оптопару и увеличить надежность канала передачи информации. Применение диодного ограничителя тока задающего режим работы стабилитрона позволяет построить простой источник опорного напряжения. При изменении питающего тока на десять процентов напряжение на стабилитроне меняется на две десятых процента, а так как ток стабилен, то величина опорного напряжения стабильна при изменении питания схемы.
Влияние пульсаций питающего напряжения на выходное опорное напряжение уменьшается на сто децибел. Более дешевый источник опорного напряжения можно разработать, если заменить стабилитрон резистором. Ток фиксирован, следовательно, напряжение на резисторе изменяться не будет. При включении подстроечного резистора последовательно с постоянным резистором появляется возможность точно установить требуемую величину опорного напряжения, что нельзя сделать при использовании стабилитрона.
С помощью диодного ограничителя тока и конденсатора можно получить линейно меняющийся сигнал – напряжение, которое возрастает или убывает с постоянной скоростью. Ток, заряжающий или разряжающий конденсатор пропорционален скорости изменения напряжения на конденсаторе. Если ток фиксирован, то напряжение на конденсаторе изменяется с постоянной скоростью – линейно. Напряжение на конденсаторе U(t)=It/C, где I – ток ограничения диодного ограничителя тока, t – время протекания тока, С – емкость конденсатора. Например, если ток ограничения равен один миллиампер, а емкость конденсатора сто микрофарад то через одну секунду напряжение на конденсаторе достигнет величины в десять вольт. Линейное нарастание тока прекращается, когда напряжение на конденсаторе приближается к напряжению питания цепи с ограничителем тока. Эту времязадающую цепь применяют в схемах пилообразных и треугольных сигналов, в аналого-цифровых преобразователях, устройствах плавного пуска электроприборов и многих других.
Использование диодного ограничителя тока в схеме эмиттерного повторителя в цепи эмиттера увеличивает входное сопротивление транзистора, увеличивает усиление схемы и уменьшает рассеяние тепла при работе транзистора в критических режимах.
УСТРОЙСТВО ДИОДНОГО ОГРАНИЧИТЕЛЯ ТОКА
Основа прибора – полевой транзистор с p-n переходом и n-каналом. Напряжение затвор-исток определяет ток стока. При соединении затвора с истоком ток через транзистор равен начальному току стока, который течет при напряжении насыщения между стоком и истоком. Поэтому для нормальной работы диодного ограничителя тока напряжение, приложенное к выводам должно быть больше некоторого значения, равного напряжению насыщения полевого транзистора.
Полевые транзисторы имеют большой разброс начального тока стока, точно эту величину предсказать нельзя. Дешевые диодные ограничители тока представляют собой отобранные по току полевые транзисторы, у которых затвор соединен с истоком. Для уменьшения тока ограничения и увеличения динамического сопротивления в истоковую цепь включается резистор автоматического смещения, задающий обратное смещение затвора.
При изменении напряжения приложенного между стоком и истоком от насыщения до пробоя ток почти не изменяется. Для получения тока ограничения требуемой величины сопротивление R резистора вычисляется по формуле:
где:
Uси нас. – напряжение насыщения сток-исток
Iогр – величина ограничения тока
Icток. нач. – начальный ток стока
При разработке ограничителя тока на основе полевого транзистора напряжение насыщения сток-исток можно получить из выходной характеристики полевого транзистора, начальный ток стока – справочная величина.
Выходная характеристика полевого транзистора с p-n переходом КП312А и n-каналом.
При смене полярности напряжения диодный ограничитель 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 ограничителей тока может достигать сто миллиампер.
ИСТОЧНИК ТОКА 0,5 А И БОЛЕЕ
Для стабилизации токов величиной 0,5-5 ампер и более можно применить схему, главный элемент которой мощный транзистор. Диодный ограничитель тока стабилизирует напряжение на резисторе 200 Ом и на базе транзистора. Изменение резистора R1 от 0,2 до10 Ом устанавливает ток, поступающий в нагрузку. Выбор тока стабилизации схемы ограничивает максимальный ток транзистора или максимальный ток источника питания. Применение диодного ограничителя тока с наиболее возможным номинальным током стабилизации улучшает стабильность выходного тока схемы, но при этом нельзя забывать о минимально возможном напряжении работы диодного ограничителя 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, примененные в схеме должны иметь минимальное отклонение сопротивления при изменении температуры. При построении регулируемого источника стабильного тока или для точной настройки выходного тока резистор 200 Ом можно заменить переменным. Для улучшения стабильности тока транзистор 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 достаточный теплоотвод. Если бюджет проекта позволяет увеличить затраты на один-два рубля и конструкция прибора допускает увеличение площади печатной платы, то использую параллельное объединение диодных ограничителей тока можно улучшить параметры разрабатываемого прибора. Соединенные параллельно пять компонентов схемы CDLL5305 позволят стабилизировать ток на уровне десять миллиампер, как и в случае применения одного компонента схемы СDLL257, но минимальное напряжение работы в случае пяти CDLL5305 меньше, что важно для схем с низким напряжением питания. Также к положительным свойствам CDLL5305 относится его доступность, по сравнению с приборами производителя Semitec. Замена одного ограничителя тока группой параллельно соединенных ограничителей тока позволяет снизить нагрев диодных ограничителей тока и отодвинуть верхнюю границу температурного диапазона. Платой за работу источника тока независимо от сопротивления нагрузки является мощность, выделяемая на транзисторе. В каждом случае требуется выбрать компромисс между запасом по сопротивлению нагрузки и выделяемым теплом на мощном регулирующем элементе. Для обеспечения широкого диапазона сопротивлений нагрузки нужно использовать источник питания с возможно большим напряжением. При выходном токе сто миллиампер на нагрузке в двадцать Ом напряжение составит два вольта, а падение напряжения на элементах источника тока составит 28 вольт при питании прибора напряжением тридцать вольт. Мощность 28В*100мА=2,8 ватт выделится на элементах схемы источника тока. При выборе радиатора следует не забывать о простом правиле: “Кашу маслом не испортишь”. Уменьшение максимально возможного сопротивления нагрузки позволит уменьшить напряжение питания, что снизит нагрев устройства, снизит размеры радиатора и увеличит КПД.
УВЕЛИЧЕНИЕ РАБОЧЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
Для использования диодных ограничителей тока при напряжениях более напряжения пробоя последовательно с диодным ограничителем тока 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.
Разыскать отечественные диодные ограничители тока не удалось. Вероятно с течением времени ситуация с отечественными полупроводниковыми приборами этого класса изменится.
П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники.
Л. А. Бессонов. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи.
Радио №2, 1974 г.
http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/124777/MICROSEMI/CDLL5305.html
http://www.datasheetarchive.com/CA500-datasheet.html
http://www.centralsemi.com/PDFs/products/cclm0035-5750.pdf
http://www.centralsemi.com/PDFs/other/ec051semiconductora.pdf
http://www.centralsemi.com/PDFs/products/cld_application_notes.pdf
http://www.centralsemi.com/PDFs/products/ALL_SMD_CLD_curves.pdf
http://www.centralsemi.com/product/smd/select/diodes/CLD.aspx
http://www.semitec-usa.com/downloads/crd.pdf
Платон Константинович Денисов г Симферополь
Этот адрес e-mail защищен от спам-ботов. Чтобы увидеть его, у Вас должен быть включен Java-Script
|
