Схема регулировки тока: Три простые схемы регулятора тока для зарядных устройств

Регулятор тока и напряжения своими руками

Многие современные приборы имеют возможность регулировать свои параметры, в том числе значения тока и напряжения. За счет этого можно настроить любое устройство в соответствии с конкретными условиями эксплуатации. Для этих целей существует регулятор тока, выпускаемый в различных конфигурациях и конструкциях. Процесс регулировки может происходить как с постоянным, так и с переменным током.

Содержание

Регулятор тока и напряжения

Основными рабочими элементами регуляторов служат тиристоры, а также различные типы конденсаторов и резисторов. В высоковольтных устройствах дополнительно используются магнитные усилители. Модуляторы обеспечивают плавность регулировок, а специальные фильтры способствуют сглаживанию помех в цепи. В результате, электрический ток на выходе приобретает более высокую стабильность, чем на входе.

Регуляторы постоянного и переменного тока имеют свои особенности и отличаются основными параметрами и характеристиками.  Например, регулятор напряжения постоянного тока имеет более высокую проводимость, при минимальных потерях тепла. Основой прибора является тиристор диодного типа, обеспечивающий высокую подачу импульса за счет ускоренного преобразования напряжения. Резисторы, используемые в цепи, должны выдерживать значение сопротивления до 8 Ом. За счет этого снижаются тепловые потери, предохраняя модулятор от быстрого перегрева.

Регулятор постоянного тока может нормально функционировать при максимальной температуре 40^{С. Этот фактор следует обязательно учитывать в процессе эксплуатации. Полевые транзисторы располагаются следом за тиристорами, поскольку они пропускают ток лишь в одном направлении. За счет этого отрицательное сопротивление будет сохраняться на уровне, не превышающем 8 Ом.}

Основным отличием регулятора переменного тока является использование в его конструкции тиристоров исключительно триодного типа. Однако полевые транзисторы применяются такие же, как и в регуляторах постоянного тока. Конденсаторы, установленные в цепь, выполняют лишь стабилизирующие функции. Фильтры высокой частоты встречаются очень редко. Все проблемы, связанные с высокими температурами, решаются установкой импульсных преобразователей, расположенных следом за модуляторами. В регуляторах переменного тока, мощность которых не превышает 5 В, применяются фильтры с низкой частотой. Управление по катоду в таких приборах выполняется путем подавления входного напряжения.

Во время регулировок в сети должна быть обеспечена плавная стабилизация тока. При высоких нагрузках схема дополняется стабилитронами обратного направления. Для их соединения между собой используются транзисторы и дроссель. Таким образом, регулятор тока на транзисторе выполняет преобразование тока быстро и без потерь.

Следует отдельно остановиться на регуляторах тока, предназначенных для активных нагрузок. В схемах этих устройств используются тиристоры триодного типа, способные пропускать сигналы в обоих направлениях. Ток анода в цепи снижается в тот период, когда понижается и предельная частота данного устройства. Частота может колебаться в пределах, установленных для каждого прибора. От этого будет зависеть и максимальное выходное напряжение. Для обеспечения такого режима используются резисторы полевого типа и обычные конденсаторы, способные выдерживать сопротивление до 9 Ом.

Очень часто в таких регуляторах применяются импульсные стабилитроны, способные преодолевать высокую амплитуду электромагнитных колебаний. Иначе, в результате быстрого роста температуры транзисторов, они сразу же придут в нерабочее состояние.

Схема регулятора напряжения и тока

Прежде чем рассматривать схему регулятора напряжения, необходимо хотя-бы в общих чертах ознакомиться с принципом его работы. В качестве примера можно взять тиристорный регулятор напряжения, широко распространенный во многих схемах.

Основной деталью таких устройств, как регулятор сварочного тока является тиристор, который считается одним из мощных полупроводниковых устройств. Лучше всего он подходит для преобразователей энергии с высокой мощностью. Управление этим прибором имеет свою специфику: он открывается импульсом тока, а закрывается при падении тока почти до нулевой отметки, то есть ниже тока удержания. В связи с этим, тиристоры преимущественно используются для работы с переменным током.

Регулировать переменное напряжение с помощью тиристоров можно разными способами. Один из них основан на пропуске или запрете целых периодов или полупериодов на выход регулятора. В другом случае тиристор включается не в начале полупериода напряжения, а с небольшой задержкой. В это время напряжение на выходе будет нулевым, соответственно мощность не будет передаваться на выход. Во второй части полупериода тиристором уже будет проводиться ток и на выходе регулятора появится напряжение.

Время задержки известно еще и как угол открытия тиристора. Если он имеет нулевое значение, все входное напряжение будет попадать на выход, а падение напряжения на открытом тиристоре будет потеряно. Когда угол начинает увеличиваться, под действием тиристорного регулятора выходное напряжение будет снижаться. Следовательно, если угол, равен 90 электрическим градусам, на выходе будет лишь половина входного напряжения, если же угол составляет 180 градусов – выходное напряжение будет нулевым.

Принципы фазового регулирования позволяют создать не только регулятор тока и напряжения для зарядного устройства, но и схемы стабилизации, регулирования, а также плавного пуска. В последнем случае напряжение повышается постепенно, от нулевой отметки до максимального значения.

На основе физических свойств тиристоров была создана классическая схема регулятора тока. В случае применения охладителей для диодов и тиристора, полученный регулятор сможет отдавать в нагрузку до 10 А. Таким образом, при напряжении 220 вольт появляется возможность регулировки напряжения на нагрузке, мощностью 2,2 кВт.

Подобные устройства состоят всего из двух силовых компонентов – тиристора и диодного моста, рассчитанных на ток 10 А и напряжение 400 В. Диодный мост осуществляет превращение переменного напряжения в однополярное пульсирующее напряжение. Фазовая регулировка полупериодов выполняется с помощью тиристора.

Схема тиристорного регулятора сварочного тока

Принципы дуговой сварки известны всем, кто сталкивался со сварочными работами. Для получения сварочного соединения, требуется создать электрическую дугу. Она возникает в том момент, когда напряжение подается между сварочным электродом и свариваемым материалом. Под действием тока дуги металл расплавляется, образуя между торцами своеобразную расплавленную ванну. Когда шов остывает, обе металлические детали оказываются крепко соединенными между собой.

В нашей стране частота переменного тока составляет 50 Гц, фазное напряжение питания – 220 В. В каждом сварочном трансформаторе имеется две обмотки – первичная и вторичная. Напряжение вторичной обмотки трансформатора или вторичное напряжение составляет 70 В.

Сварка может проводиться в ручном или автоматическом режиме. В домашних условиях, когда создан регулятор тока и напряжения своими руками, сварочные работы выполняются ручным способом. Автоматическая сварка используется в промышленном производстве при больших объемах работ.

Ручная сварка имеет ряд параметров, подлежащих изменениям и регулировкам. Прежде всего, это касается силы сварочного тока и напряжения дуги. Кроме того, может изменяться скорость электрода, его марка и диаметр, а также количество проходов, требующихся на один шов. В связи с этим, большое значение имеет правильный выбор параметров и поддержание их оптимальных значений в течение всего сварочного процесса. Только таким образом можно обеспечить качественное сварное соединение.

Изменение силы тока при сварке может выполняться различными способами. Наиболее простой из них заключается в установке пассивных элементов во вторичной цепи. В этом случае используется последовательное включение в сварочную цепь резистора или дросселя. В результате, сила тока и напряжение дуги изменяется за счет сопротивления и вызванного им падения напряжения. Дополнительные резисторы позволяют смягчить вольтамперные характеристики источника питания. Они изготавливаются из нихромовой проволоки диаметром 5-10 мм. Данный способ чаще всего используется, когда требуется изготовить регулятор тока. Однако такая конструкция обладает небольшим диапазоном регулировок и сложностями перестройки параметров.

Следующий способ регулировок связан с переключением количества витков трансформаторных обмоток. За счет этого происходит изменение коэффициента трансформации. Данные регуляторы просты в изготовлении и эксплуатации, достаточно всего лишь сделать отводы при намотке витков. Для коммутации применяется переключатель, способный выдерживать большие значения тока и напряжения.

Мультиметр: назначение, виды, обозначение, маркировка, что можно измерить мультиметром

Диммер своими руками: 5 схем сборки самодельного светорегулятора

Диммер своими руками: устройство, принцип работы + как сделать диммер самому

Сварка медных проводов: технология, аппараты для сварки

Сварка медных проводов инвертором с применением угольного и графитового электрода, и точечным методом

Топ лучших мультиметров

Схема тиристорного регулятора больших выпрямленных токов

Испытанная временем схема регулирования тока мощных потребителей отличается простотой в наладке, надежностью в эксплуатации и широкими потребительскими возможностями. Она хорошо подходит для управления режимом сварки, для пуско-зарядных устройств и для мощных узлов автоматики.

Принципиальная схема

При питании мощных нагрузок постоянным током часто применяется схема (рис. 1) выпрямителя на четырех силовых вентилях. Переменное напряжение подводится к одной диагонали “моста”, выходное постоянное (пульсирующее) напряжение снимается с другой диагонали. В каждом полупериоде работает одна пара диодов (VD1-VD4 или VD2-VD3).

Это свойство выпрямительного “моста” существенно: суммарная величина выпрямленного тока может достигать удвоенной величины предельного тока для каждого диода. Предельное напряжение диода не должно быть ниже амплитудного входного напряжения.

Поскольку класс напряжения силовых вентилей доходит до четырнадцатого (1400 В), с этим для бытовой электросети проблем нет. Существующий запас по обратному напряжению позволяет использовать вентили с некоторым перегревом, с малыми радиаторами (не злоупотреблять!).

Рис. 1. Схема выпрямителя на четырех силовых вентилях.

Внимание! Силовые диоды с маркировкой “В” проводят ток, “подобно” диодам Д226 (от гибкого вывода к корпусу), диоды с маркировкой “ВЛ” – от корпуса к гибкому выводу.

Использование вентилей различной проводимости позволяет выполнить монтаж всего на двух двойных радиаторах. Если же с корпусом устройства соединить “корпуса” вентилей “ВЛ” (выход “минус”), то останется изолировать всего один радиатор, на котором установлены диоды с маркировкой “В”. Такая схема проста в монтаже и “наладке”, но возникают трудности, если приходится регулировать ток нагрузки.

Если со сварочным процессом все понятно (присоединять “балласт”), то с пусковым устройством возникают огромные проблемы. После пуска двигателя огромный ток не нужен и вреден, поэтому необходимо его быстро отключить, так как каждое промедление укорачивает срок службы батареи (нередко батареи взрываются!).

Очень удобна для практического исполнения схема, показанная на рис.2, в которой функции регулирования тока выполняют тиристоры VS1, VS2, в этот же выпрямительный мост включены силовые вентили VD1, VD2. Монтаж облегчается тем, что каждая пара “диод-тиристор” крепится на своем радиаторе. Радиаторы можно применить стандартные (промышленного изготовления).

Другой путь – самостоятельное изготовление радиаторов из меди, алюминия толщиной свыше 10 мм. Для подбора размеров радиаторов необходимо собрать макет устройства и “погонять” его в тяжелом режиме. Неплохо, если после 15-минутной нагрузки корпуса тиристоров и диодов не будут “обжигать” руку (напряжение в этот момент отключить!).

Корпус устройства необходимо выполнить так, чтобы обеспечивалась хорошая циркуляция нагретого устройством воздуха. Не помешает установка вентилятора, который “помогает” прогонять воздух снизу вверх. Удобны вентиляторы, устанавливаемые в стойках с компьютерными платами либо в “советских” игровых автоматах.

Рис. 2. Схема регулятора тока на тиристорах.

Возможно выполнение схемы регулируемого выпрямителя полностью на тиристорах (рис.3). Нижняя (по схеме) пара тиристоров VS3, VS4 запускается импульсами от блока управления.

Импульсы приходят одновременно на управляющие электроды обоих тиристоров. Такое построение схемы “диссонирует” с принципами надежности, но время подтвердило работоспособность схемы (“сжечь” тиристоры бытовая электросеть не может, поскольку они выдерживают импульсный ток 1600 А).

Тиристор VS1 (VS2) включен как диод – при положительном напряжении на аноде тиристора через диод VD1 (или VD2) и резистор R1 (или R2) на управляющий электрод тиристора будет подан отпирающий ток. Уже при напряжении в несколько вольт тиристор откроется и до окончания полуволны тока будет проводить ток.

Второй тиристор, на аноде которого было отрицательное напряжение, не будет запускаться (это и не нужно). На тиристоры VS3 и VS4 из схемы управления приходит импульс тока. Величина среднего тока в нагрузке зависит от моментов открывания тиристоров – чем раньше приходит открывающий импульс, тем большую часть периода соответствующий тиристор будет открыт.

Рис. 3. Схемы регулируемого выпрямителя полностью на тиристорах.

Открывание тиристоров VS1, VS2 через резисторы несколько “притупляет” схему: при низких входных напряжениях угол открытого состояния тиристоров оказывается малым – в нагрузку проходит заметно меньший ток, чем в схеме с диодами (рис. 2).

Таким образом, данная схема вполне пригодна для регулировки сварочного тока по “вторичке” и выпрямления сетевого напряжения, где потеря нескольких вольт несущественна.

Эффективно использовать тиристорный мост для регулирования тока в широком диапазоне питающих напряжений позволяет схема, показанная на рис.4,

Устройство состоит из трех блоков:

1. силового;
2. схемы фазоимпульсного регулирования;
3. двухпредельного вольтметра.

Трансформатор Т1 мощностью 20 Вт обеспечивает питание блока управления тиристорами VS3 и VS4 и открывание “диодов” VS1 и VS2. Открывание тиристоров внешним блоком питания эффективно при низком (автомобильном) напряжении в силовой цепи, а также при питании индуктивной нагрузки.

Рис. 4. Тиристорный мост для регулировки тока в широком диапазоне.

Рис. 5. Принципиальная схема блока управления тиристорами.

Открывающие импульсы тока с 5-вольтовых обмоток трансформатора подводятся в противофазе к управляющим электродам VS1, VS2.

Диоды VD1, VD2 пропускают к управляющим электродам только положительные полуволны тока.

Если фазировка открывающих импульсов “подходит”, то тиристорный выпрямительный мост будет работать, иначе тока в нагрузке не будет.

Этот недостаток схемы легко устраним: достаточно повернуть наоборот сетевую вилку питания Т1 (и пометить краской, как нужно подключать вилки и клеммы устройств в сеть переменного тока). При использовании схемы в пуско-зарядном устройстве заметно увеличение отдаваемого тока по сравнению со схемой рис.3.

Очень выгодно наличие слаботочной цепи (сетевого трансформатора Т1). Разрывание тока выключателем S1 полностью обесточивает нагрузку. Таким образом, прервать пусковой ток можно маленьким концевым выключателем, автоматическим выключателем или слаботочным реле (добавив узел автоматического отключения).

Это очень существенный момент, поскольку разрывать сильноточные цепи, требующие для прохождения тока хорошего контакта, намного труднее. Мы не случайно вспомнили о фазировке трансформатора Т1.

Если бы регулятор тока был “встроен” в зарядно-пусковое устройство или в схему сварочного аппарата, то проблема фазировки была бы решена в момент наладки основного устройства.

Наше устройство специально выполнено широкопрофильным (как пользование пусковым устройством определяется сезоном года, так и сварочные работы приходится вести нерегулярно). Приходится управлять режимом работы мощной электродрели и питать нихромовые обогреватели.

На рис.5 показана схема блока управления тиристорами. Выпрямительный мостик VD1 подает в схему пульсирующее напряжение от 0 до 20 В. Это напряжение через диод VD2 подводится к конденсатору С1, обеспечивается постоянное напряжение питания мощного транзисторного “ключа” на VT2, VT3.

Пульсирующее напряжение через резистор R1 подводится к параллельно соединенным резистору R2 и стабилитрону VD6. Резистор “привязывает” потенциал точки “А” (рис.6) к нулевому, а стабилитрон ограничивает вершины импульсов на уровне порога стабилизации. Ограниченные импульсы напряжения заряжают конденсатор С2 для питания микросхемы DD1.

Эти же импульсы напряжения воздействуют на вход логического элемента. При некотором пороге напряжения логический элемент переключается. С учетом инвертирования сигнала на выходе логического элемента (точка “В”) импульсы напряжения будут кратковременными -около момента нулевого входного напряжения.

Рис. 6. Диаграмма импульсов.

Следующий элемент логики инвертирует напряжение “В”, поэтому импульсы напряжения “С” имеют значительно большую длительность. Пока действует импульс напряжения “С”, через резисторы R3 и R4 происходит заряд конденсатора C3.

Экспоненциально нарастающее напряжение в точке “Е”, в момент перехода через логический порог, “переключает” логический элемент. После инвертирования вторым логическим элементом высокому входному напряжению точки “Е” соответствует высокое логическое напряжение в точке “F”.

Двум различным величинам сопротивления R4 соответствуют две осциллограммы в точке “Е”:

• меньшее сопротивление R4 – большая крутизна – Е1;
• большее сопротивление R4 – меньшая крутизна – Е2.

Следует обратить внимание также на питание базы транзистора VT1 сигналом “В”, во время снижения входного напряжения до нуля транзистор VT1 открывается до насыщения, коллекторный переход транзистора разряжает конденсатор С3 (происходит подготовка к зарядке в следующем полупериоде напряжения). Таким образом, логический высокий уровень появляется в точке “F” раньше или позже, в зависимости от сопротивления R4:

• меньшее сопротивление R4 – раньше появляется импульс – F1;
• большее сопротивление R4 – позже появляется импульс – F2.

Усилитель на транзисторах VT2 и VT3 “повторяет” логические сигналы -точка “G”. Осциллограммы в этой точке повторяют F1 и F2, но величина напряжения достигает 20 В.

Через разделительные диоды VD4, VD5 и ограничительные резисторы R9 R10 импульсы тока воздействуют на управляющие электроды тиристоров VS3 VS4 (рис.4). Один из тиристоров открывается, и на выход блока проходит импульс выпрямленного напряжения.

Меньшему значению сопротивления R4 соответствует большая часть полупериода синусоиды – h2, большему – меньшая часть полупериода синусоиды – h3 (рис.4). В конце полупериода ток прекращается, и все тиристоры закрываются.

Рис. 7. Схема автоматического двухпредельного вольтметра.

Таким образом, различным величинам сопротивления R4 соответствует различная длительность “отрезков” синусоидального напряжения на нагрузке. Выходную мощность можно регулировать практически от 0 до 100%. Стабильность работы устройства определяется применением “логики” – пороги переключения элементов стабильны.

Конструкция и налаживание

Если ошибок в монтаже нет, то устройство работает стабильно. При замене конденсатора С3 потребуется подбор резисторов R3 и R4. Замена тиристоров в силовом блоке может потребовать подбора R9, R10 (бывает, даже силовые тиристоры одного типа резко отличаются по токам включения – приходится менее чувствительный отбраковывать).

Измерять напряжение на нагрузке можно каждый раз “подходящим” вольтметром. Исходя из мобильности и универсальности блока регулирования, мы применили автоматический двухпредельный вольтметр (рис.7).

Измерение напряжения до 30 В производится головкой PV1 типа М269 с добавочным сопротивлением R2 (регулируется отклонение на всю шкалу при 30 В входного напряжения). Конденсатор С1 необходим для сглаживания напряжения, подводимого к вольтметру.

Для “загрубления” шкалы в 10 раз служит остальная часть схемы. Через лампу накаливания (бареттер) HL3 и подстроечный резистор R3 запитывается лампа накаливания оптопары U1, стабилитрон VD1 защищает вход оптрона.

Большое входное напряжение приводит к снижению сопротивления резистора оптопары от мегаом до ки-лоом, транзистор VT1 открывается, реле К1 срабатывает. Контакты реле при этом выполняют две функции:

• размыкают подстроечное сопротивление R1 – схема вольтметра переключается на высоковольтный предел;
• вместо зеленого светодиода HL2 включается красный светодиод HL1.

Красный, более заметный, цвет специально выбран для шкалы больших напряжений.

Внимание! Подстройка R1(шкала 0…300) производится после подстройки R2.

Питание к схеме вольтметра взято из блока управления тиристорами. Развязка от измеряемого напряжения осуществлена с помощью оптрона. Порог переключения оптрона можно установить немного выше 30 В, что облегчит подстройку шкал.

Диод VD2 необходим для защиты транзистора от всплесков напряжения в момент обесточивания реле. Автоматическое переключение шкал вольтметра оправдано при использовании блока для питания различных нагрузок. Нумерация выводов оптрона не дана: с помощью тестера нетрудно различить входные и выходные выводы.

Сопротивление лампы оптрона равно сотням ом, а фоторезистора – мегаом (в момент измерения лампа не запитана). На рис.8 показан вид устройства сверху (крышка снята). VS1 и VS2 установлены на общем радиаторе, VS3 и VS4 – на отдельных радиаторах.

Резьбу на радиаторах пришлось нарезать под тиристоры. Гибкие выводы силовых тиристоров обрезаны, монтаж осуществлен более тонким проводом.

Рис. 8. Вид устройства сверху.

На рис.9 показан вид на лицевую панель устройства. Слева расположена ручка регулирования тока нагрузки, справа – шкала вольтметра. Около шкалы закреплены светодиоды, верхний (красный) расположен около надписи “300 В”.

Клеммы устройства не очень мощные, так как применяется оно для сварки тонких деталей, где очень важна точность поддержания режима. Время пуска двигателя небольшое, поэтому ресурса клеммных соединений хватает.

Рис. 9. Вид на лицевую панель устройства.

Верхняя крышка крепится к нижней с зазором в пару сантиметров для обеспечения лучшей циркуляции воздуха.

Устройство легко поддается модернизации. Так, для автоматизации режима запуска двигателя автомобиля не нужны дополнительные детали (рис.10).

Необходимо между точками “D” и “E” блока управления включить нормально замкнутую контактную группу реле К1 из схемы двухпредельного вольтметра. Если перестройкой R3 не удастся довести порог переключения вольтметра до 12. ..13 В, то придется заменить лампу HL3 более мощной (вместо 10 установить 15 Вт).

Пусковые устройства промышленного изготовления настраиваются на порог включения даже 9 В. Мы рекомендуем настраивать порог переключения устройства на более высокое напряжение, так как еще до включения стартера аккумулятор немного подпитывается током (до уровня переключения). Теперь пуск производится немного “подзаряженным” аккумулятором вместе с автоматическим пусковым устройством.

Рис. 10 . Автоматизация режима запуска двигателя автомобиля.

По мере увеличения бортового напряжения автоматика “закрывает” подачу тока от пускового устройства, при повторных пусках в нужные моменты подпитка возобновляется. Имеющийся в устройстве регулятор тока (скважности выпрямленных импульсов) позволяет ограничить величину пускового тока.

Н.П. Горейко, В.С. Стовпец. г. Ладыжин. Винницкая обл. Электрик-2004-08.

Рассмотрены простые схемы регуляторов напряжения и тока

В этой статье мы анализируем некоторые важные схемы регуляторов напряжения с использованием дискретных компонентов, таких как транзисторы, стабилитроны, резисторы и т. д. Эти регуляторы очень гибки благодаря своим конструктивным характеристикам и могут быть настроены для создания любых уровень постоянного напряжения и постоянного тока, по желанию.

Что такое регулятор

Основная функция схемы регулятора постоянного тока — генерировать фиксированное и постоянное напряжение и ток на определенных заданных уровнях. Таким образом, регулятор используется в источнике питания для поддержания выходного напряжения или тока в определенных фиксированных пределах.

---

Также рекомендуется для вас: Схемы регулятора напряжения с использованием транзистора и стабилитрона выходное напряжение или ток не зависят от нагрузки. Эти источники должны были бы быть в состоянии производить бесконечное количество энергии, и они, очевидно, просто существовали бы только в теории.

Когда требуется действительно чистый источник постоянного тока, часто становятся полезными линейные стабилизаторы, поскольку они производят меньший шум, пульсации и лучшее управление. Эти стабилизаторы, как правило, представляют собой устройства с тремя клеммами (вход, общая земля и выход), поэтому требуется лишь несколько внешних компонентов (для популярных микросхем регуляторов серий 7800 и 7900 требуется всего пара конденсаторов емкостью от 0,01 мкФ до 1 мкФ, и только при определенных условиях.)

Эти регуляторы могут буквально демонстрировать регулирование намного ниже 1%, а также обеспечивать значительное ограничение тока и встроенную функцию предотвращения отказов. Существуют также импульсные стабилизаторы и микросхемы преобразователей напряжения, которым действительно требуется очень мало внешних конденсаторов и ничего больше. Эти недорогие регуляторы и преобразователи делают возможным и простым обеспечение дискретных цепей напряжениями, которые не могут быть поданы через основной источник питания системы. Такие конфигурации часто позволяют избежать ограничений по питанию, предоставляя большую свободу проектирования.

Простейший регулятор

В простейшем регуляторе используется устройство с двумя выводами, такое как стабилитрон, с характеристикой поддержания постоянного напряжения на нем. На рисунке 1 ниже показана базовая схема.

Зенеровские диоды могут быть соединены последовательно в любой конфигурации для получения еще более высоких напряжений. Должен быть встроен токоограничивающий (балластный) резистор, поскольку эти устройства будут пытаться поддерживать постоянное напряжение на клеммах, вытягивая любой ток, доступный от источника питания.

Эффективность важна.

Полное сопротивление регулирующего устройства может быть очень низким, и оно может быстро потреблять катастрофические количества тока при отсутствии ограничительного резистора и выйти из строя.

Поэтому для стабилитрона необходим ограничительный резистор. Поскольку регулирующий компонент шунтирован поперек нагрузки, этот тип схемы стабилитрона (рис. 1) часто называют стабилизатором шунтирующего типа.

Этот метод очень хорошо работает для приложений с низким энергопотреблением, когда требуется ток всего в несколько миллиампер, а регулирования (% изменения напряжения или тока при различных нагрузках) достаточно всего на несколько процентов.

Поскольку весь ток, протекающий через ограничительный резистор, представляет собой сумму тока нагрузки и тока регулятора, необходимого для поддержания напряжения, эффективность часто бывает низкой, особенно при малых нагрузках.

Большой ток может проходить через регулятор при отключении или изменении нагрузки. Хотя это не проблема для крошечных схем, таких как схема генератора , которая потребляет всего несколько миллиампер, это может быть проблемой в схеме, такой как крошечное цифровое устройство, для которого может потребоваться около 1 ампера при 5 вольтах.

В некоторых случаях (светодиодные индикаторы, выключатели) система может потреблять менее 50 миллиампер в режиме ожидания и 1 ампер в активном режиме. В таких случаях стабилизатор на стабилитроне будет крайне неэффективен, так как ему придется пропускать примерно 1 А через стабилитрон, пока система простаивает и, следовательно, не потребляет свой рабочий ток.

В таком сценарии, если входное напряжение составляло 12 вольт, эффективность стабилизатора 12 В на 5 В могла бы быть крайне низкой из-за наличия постоянной нагрузки более 1 ампера на источнике 12 вольт, даже если нагрузка на 5 сторона питания вольта была маленькой.

Это эквивалентно 12 Вт или даже больше выделению тепла, что является крайне неэффективным условием.

Простым решением является использование активного регулятора, который может не потреблять столько тока для работы.

Следует, однако, отметить, что всегда будет некоторая потеря напряжения на регуляторе. Поскольку схема регулятора представляет собой усилитель, для ее работы требуется некоторое напряжение.

Напряжение база-эмиттер проходного транзистора составляет от 0,6 до 0,7 вольт, и в резисторах смещения будут некоторые потери напряжения. Входное напряжение должно быть постоянно как минимум на 2–5 вольт выше максимального ожидаемого выходного напряжения; он никогда не должен опускаться ниже этого уровня, иначе это повлияет на управление выходом.

Это минимальное напряжение должно всегда поддерживаться при минимальном входном линейном напряжении при полной нагрузке. Ниже этого порога мгновенные изменения из-за пульсаций входного питания, переходных процессов нагрузки и т. д. приведут к потере регулирования («пропаданию»).

Регулятор с использованием транзисторного эмиттерного повторителя

На рис. 2 ниже транзистор эмиттерного повторителя используется для минимизации тока, потребляемого устройством регулятора. На стабилитрон поступает 10 или 20 мА. Это напряжение подается на базу транзистора, который называется «проходным» транзистором, поскольку он предназначен для прохождения тока нагрузки.

Это может быть мощный транзистор, рассчитанный на многоамперный ток.

Ток нагрузки состоит из тока коллектора, составляющего основную часть тока, и тока базы. Ток базы равен току коллектора, деленному на коэффициент усиления транзистора по постоянному току (или бета, которая обычно равна 50).

Предполагая, что транзистор имеет усиление по току β, равное 50, и ток нагрузки 1 ампер, ток коллектора можно рассчитать, как указано ниже

Ток коллектора = β/(β+1) = 1 ампер или 50/51 ампер.

Базовый ток можно рассчитать по следующей формуле:

Базовый ток = 1/(β +1) или 1/51 ампер.

Это несколько меньше 20 миллиампер. На рис. 2 выше показана базовая конструкция регулятора.

Использование транзистора Дарлингтона с проходным транзистором

На рисунке 3 ниже показано, как можно использовать вспомогательный транзистор в качестве промежуточного каскада, если проходной транзистор является устройством с очень высоким током и низким значением hFE.

Промежуточный транзистор сконфигурирован как пара Дарлингтона, а проходной транзистор значительно увеличивает коэффициент усиления по току, а также повышает его способность передавать ток.

Следует отметить, что при отсутствии нагрузки единственным током, потребляемым схемой, является ток только стабилитрона.

Создание регулируемого регулятора

Также можно присоединить переменный резистор или потенциометр к стабилитрону, и если вы подсоедините движок потенциометра к базе транзистора, вы можете получить переменное выходное напряжение, как показано на рис. Рис. 4 ниже.

Проблема с этой схемой в том, что она не лучше (на самом деле, несколько хуже), чем стабилитрон в качестве регулятора. Не существует системы, гарантирующей, что выходное напряжение на нагрузке остается постоянным.

Кроме того, падение напряжения между базой и эмиттером проходного транзистора приводит к небольшому снижению выходного напряжения (обычно от 0,6 до 0,7 В на транзистор). Если потенциометр используется для изменения выходного напряжения, вы можете обнаружить дополнительные потери из-за сопротивления потенциометра.

Это сопротивление приводит к снижению регулирования. Регулятор не может узнать, упало ли выходное напряжение. Что действительно необходимо, так это средство для измерения выходного напряжения, сравнения его с установленным эталоном и автоматического изменения выходного напряжения на соответствующее значение.

Это требует использования механизма обратной связи для регулирования выходного напряжения. С еще несколькими элементами мы покажем вам действительно простой способ добиться этого.

Регулятор с обратной связью для повышения точности выходного сигнала

На рис. 5 ниже показан очень простой регулятор с обратной связью, в котором выходное напряжение имеет некоторый контроль над своим точным уровнем. R1 и R2 образуют делитель напряжения, который измеряет выходное напряжение и посылает его на базу транзистора Q1.

Падение напряжения на стабилитроне D1 удерживает на эмиттере транзистора Q1 заданное и регулируемое напряжение. Ток смещения от R3 и ток эмиттера от Q1 вызывают этот провал.

Это падение создается током смещения R3 и током эмиттера Q1.

Если выходное напряжение падает, транзистор Q1 отключается, позволяя меньшему току течь через резистор смещения R4. Напряжение на коллекторе увеличится, увеличивая напряжение на базе проходного транзистора Q2 и, следовательно, на эмиттере Q2, который, как правило, является выходным выводом регулятора питания.

Это увеличение напряжения будет отправлено на базу Q1, компенсируя первоначальный провал. Общее воздействие приведет к повышению стабильности выходного напряжения.

100% Совершенство невозможно

Эта настройка, однако, не идеальна. Схема регулятора представляет собой усилитель с обратной связью с ограниченным коэффициентом усиления. Поскольку усиление по напряжению в основном обеспечивается Q1, схема может иметь чистое усиление по напряжению без обратной связи, которое может составлять около 20-100, в зависимости от усиления Q1, нагрузки источника питания, импеданса стабилитрона и других параметров. Усиление контура можно определить как произведение общего усиления на коэффициент обратной связи.

В этой ситуации коэффициентом обратной связи является отношение R2 /(R1 + R2). При прочих равных, чем больше коэффициент усиления контура, тем лучше регулирование. На самом деле эта схема будет предлагать улучшение регулирования в 10 или более раз по сравнению с более ранними схемами. Однако эта схема имеет определенные ограничения, некоторые из которых следующие:

• В Q1 выходное напряжение не может быть ниже, чем напряжение стабилитрона + потери база-эмиттер.
• Нет ограничения тока или защиты от короткого замыкания. Поскольку на резисторе R4 всегда будет потеря напряжения, максимальное регулируемое выходное напряжение ограничено.
• Поскольку коэффициент обратной связи R2 /(R1 + R2) снижается с увеличением выходного напряжения, регулирование постепенно ухудшается.
• Поскольку часть токов смещения (через R3 и R4) возникает с нерегулируемой стороны, на выход будут влиять колебания входного напряжения, что ухудшит регулирование.

Эти проблемы могут быть решены путем настройки схемы и установки нескольких дополнительных компонентов. Первую проблему можно решить с помощью низковольтного стабилитрона, хотя самые надежные стабилитроны рассчитаны примерно на 5–8 вольт.

Можно использовать вторичную плавающую цепь источника питания для подачи напряжения ниже (отрицательного) заземления и переключения R2 на отрицательное напряжение, а не на землю.

Подключите сопротивление к входу, и падение напряжения на нем может работать как функция тока нагрузки, которая может влиять на выход регулятора. Дополнительный коэффициент усиления без обратной связи можно получить, используя дополнительные транзисторы или операционный усилитель.

Ограничение тока

На рис. 6 ниже показан один из способов включения ограничения тока. Резистор R4 соединен последовательно с PNP-транзистором Q1, который служит источником тока.

Этот резистор необходим для ограничения тока, подаваемого на D1. На базе транзистора Q1 диоды D2 и D3 генерируют очень постоянное напряжение, которое на 1,4 В ниже входного напряжения регулятора.

Q1 проводит ток до тех пор, пока падение напряжения, вызванное током коллектора проходного транзистора, составляет менее примерно 0,7 В на выборочном резисторе R5. По мере нарастания тока нагрузки падение на резисторе R5 возрастает до такой степени, что оно начинает отключать транзистор Q1.

Резистор R4 теперь может вызывать падение базового напряжения проходного транзистора Q2, вызывая уменьшение выходного напряжения регулятора. Поскольку этот ток также смещает эталонный стабилитрон D1, опорное напряжение падает, снижая выходное напряжение. Таким образом, ток, отбираемый от регулятора, может быть ограничен таким образом.

Падение на 0,7 В на резисторе R5 инициирует ограничение тока, поэтому сопротивление резистора R5 должно быть равно 0,7/(Предел тока) или около 0,7 Ом для 1 ампера, 0,35 Ом для 2 ампер и т. д.

Использование операционного усилителя

На рис. 7 ниже показано, как можно использовать операционный усилитель для улучшения управления. Обратите внимание, что прирост теперь резко увеличится. Тем не менее, в определенных обстоятельствах почти наверняка потребуется частотная коррекция, так как фазовый сдвиг контура может вызывать колебания на некоторых или всех стадиях нагрузки.

Хотя смещение для операционного усилителя может подаваться непосредственно от стабилизатора, обычно желателен дополнительный вспомогательный источник малой мощности.

Для операционного усилителя может потребоваться отрицательный источник, особенно в том случае, если регулятор предназначен для регулировки или понижения выходного напряжения до нуля вольт, как в лабораторном источнике питания.

На этом мы завершаем нашу статью о простых схемах стабилизаторов напряжения. Если у вас есть какие-либо вопросы или изменения, связанные с вышеуказанными концепциями, пожалуйста, не стесняйтесь комментировать ниже для быстрого ответа.

Простая схема переключаемого регулятора напряжения

Ссылаясь на рисунок выше, можно построить трехступенчатый источник питания, управляемый напряжением, путем последовательного соединения трех стабилитронов с переключателем и несколькими другими легкодоступными компонентами.

Источник питания может быть 12 В или 15 В постоянного тока.

Когда переключатель S1 установлен в режим 6 В, 6 В постоянного тока от источника питания, проходящего через резистор R1, смещает входной транзистор T1. Те же 6В воспроизводятся на выходе схемы.

Поскольку T1 сконфигурирован как эмиттерный повторитель, прямое напряжение выводов база/эмиттер транзистора, равное 0,6 В, будет вычтено из 6 В, а окончательный выходной сигнал будет равен 6 – 0,6 = 5,4 В.

Выходной сигнал увеличивается на 3 вольта, когда в цепь вводится 3-вольтовый стабилитрон (D2), когда переключатель S1 перемещается в положение 9 вольт. При включении второго 3-вольтового стабилитрона транзистор будет смещен на 12 вольт, когда переключатель будет переведен в положение 12 вольт. Выход схемы фильтруется конденсатором C1.

схемотехника – регулируемый регулятор тока LM317 для светодиода

\$\начало группы\$

Питаю светодиод мощностью 10 Вт от регулятора LM317. С переменным резистором между контактами OUT и ADJ LM317 я могу легко получить регулируемый источник тока (20-350 мА). Однако мне нужно управлять яркостью через микроконтроллер. Может ли кто-нибудь помочь мне определить изменения, которые необходимо внести в подключенную схему, чтобы я мог управлять регулируемым током с помощью ШИМ микроконтроллера?

• схемотехника
• светодиодный драйвер
• токоограничивающий
• постоянный ток
• lm317

\$\конечная группа\$

3

\$\начало группы\$

Самый простой способ ШИМ с микроконтроллером — использовать сам 317 для выполнения тяжелой работы.

^{смоделируйте эту схему – Схема создана с помощью CircuitLab}

Когда на выходе MCU высокий уровень, D1 смещен в обратном направлении, и регулирование 317 работает нормально.

Когда на выходе MCU низкий уровень, D1 переводит регулировочный контакт в низкий уровень, ограничивая выходное напряжение от 317.

Добавлен R2, чтобы D1 не приходилось снижать полный выходной ток. Максимальное значение, которое он может получить, составляет 1,2/R2, поэтому значение 240 Ом потребует, чтобы выход MCU потреблял 5 мА. Подойдет любое значение в этом примерном диапазоне. Оно должно быть достаточно низким, чтобы подавать ток Iadj на 317. Хотя точность любого небольшого падения напряжения на нем не имеет значения перед регулируемым резистором R1, любое падение на нем съедает запас напряжения схемы.

Мне не кажется, что схема OP будет работать должным образом с белыми светодиодами, только с красными или ИК. Если он вообще работает во включенном состоянии, я ожидаю, что 317 насыщен, а управление осуществляется с помощью R1 от напряжения блока питания.