Меню

Сопротивления управляемых источников тока

Как разработать прецизионный источник тока на операционных усилителях

В данной статье обсуждается схема источника тока, управляемого напряжением, для которой требуются всего два операционных усилителя и несколько резисторов.

В теории цепей источники напряжения и источники тока одинаково идеальны и одинаково просты в реализации. Вы просто рисуете круг, а затем добавляете знаки плюс и минус для напряжения или стрелку для тока. Теперь у вас есть элемент схемы, который генерирует заданное напряжение во всех условиях или обеспечивает заданный ток во всех условиях.

В реальной жизни источники не идеальны, и, кроме того, приблизиться к теоретическому источнику напряжения значительно проще, чем к теоретическому источнику тока. Источники напряжения бывают простыми, такими как аккумулятор, стабилитрон или резистивный делитель напряжения в сочетании с буфером.

Источники тока, напротив, обычно требуют некоторой продуманной схемы и большего внимания к деталям своей работы.

Архитектуры источников тока

Для создания источника тока существуют различные способы. Прежде чем мы рассмотрим схему с двумя операционными усилителями, давайте кратко рассмотрим некоторые другие варианты. Вы можете узнать обо всех них подробнее, кликнув на соответствующие ссылки.

Рисунок 1 Схема взята из технического описания LT3085 Рисунок 1 – Схема применения LT3085, взята из технического описания LT3085

Другой вариант – схема на основе усилителя, которую я обсуждал в предыдущей статье о том, как разработать простой, управляемый напряжением, двунаправленный источник тока. Схема на основе усилителя отдаленно напоминает схему с двумя операционными усилителями, но один из усилителей представляет собой не операционный усилитель, а измерительный (инструментальный усилитель).

Рисунок 2 – Схема источника тока, программируемого напряжением. взята из технического описания LT1102 Рисунок 2 – Схема источника тока, управляемого напряжением. взята из технического описания LT1102

Наконец, у нас есть источник тока Хауленда, который был тщательно проанализирован в статье, написанной доктором Серджио Франко.

Рисунок 3 Схема источника тока Хауленда Рисунок 3 – Схема источника тока Хауленда

Схема с двумя операционными усилителями

Я нашел эту схему, которая описывается как «прецизионный источник ток», в старой заметке к применению от Analog Devices. Она производит ток на двунаправленном выходе, прямо пропорциональный входному напряжению.

Ниже показана принципиальная схема:

Рисунок 4 Схема прецизионного источника тока Рисунок 4 – Схема прецизионного источника тока

В этой схеме мне нравятся несколько вещей. Во-первых, необходимы только два типа компонентов: операционные усилители и резисторы.

Во-вторых, используются операционные усилители одинаковой модели. В этой схеме используются два операционных усилителя, тогда как в источнике Хауленда используется только один. Но тот факт, что оба операционных усилителя могут быть одной модели, является преимуществом, потому что вы можете использовать микросхему с двумя операционными усилителями и тем самым минимизировать любые расходы (дополнительная стоимость и место на плате) для второго операционного усилителя.

В-третьих, четыре из пяти резисторов (R2, R3, R4, R5) могут иметь одинаковые номиналы, и тогда коэффициент усиления по отношению тока к напряжению регулируется только одним резистором (R1). Номинал R2–R5 не является критическим, и поэтому вы можете адаптировать схему к компонентам, которые у вас уже есть в лаборатории. Однако имейте в виду, что резисторы более высокой точности будут давать в результате более точный источник тока.

В-четвертых, входное напряжение дифференциальное. Это дает вам некоторую гибкость в том, как вы подаете управляющее напряжение, и это позволяет вам использовать возможности двунаправленного выхода тока схемы без необходимости генерировать управляющее напряжение, которое находится ниже уровня земли.

Основы работы источника тока с двумя операционными усилителями

Чтобы проанализировать источник тока на двух операционных усилителях, мы будем использовать его реализацию в LTspice.

Рисунок 5 Источник тока на двух операционных усилителях. Схема LTspice Рисунок 5 – Источник тока на двух операционных усилителях. Схема LTspice

Здесь я использую «идеальный однополюсный операционный усилитель» из LTspice. Сначала я попробовал это с OP-77, но симуляция не прошла должным образом. Возможно, возникла проблема с макромоделью OP-77, потому что у меня есть другая версия схемы, в которой используется операционный усилитель LT1001A, и она моделируется правильно.

Схемы источника постоянного тока обычно полагаются на некоторый тип обратной связи, который заставляет источник напряжения вырабатывать заданный ток независимо от сопротивления нагрузки (простой пример этого вы можете увидеть в управляемом напряжением светодиодном драйвере).

В источнике тока с двумя операционными усилителями U1 усиливает дифференциальное управляющее напряжение, а U2 сконфигурирован как повторитель напряжения, который измеряет напряжение на нагрузке и подает его обратно на входной каскад.

Показанная выше конфигурация источников напряжения создает дифференциальное входное напряжение, которое изменяется от +250 мВ до –250 мВ. Согласно уравнению, приведенному в примечании к применению, выходной ток должен изменяться от 2,5 мА до –2,5 мА, поскольку AV = 1 и R1 = 100 Ом, и это именно то, что мы наблюдаем:

Рисунок 6 Зависимость выходного тока от входного дифференциального напряжения Рисунок 6 – Зависимость выходного тока от входного дифференциального напряжения

Одна вещь, на которую вам нужно обратить внимание в этой схеме, – это выходное напряжение U1. Весь ток нагрузки исходит от U1. Если пренебречь очень небольшими токами, которые протекают через резистор обратной связи R4 и на неинвертирующий вход U2, напряжение на выходе U1 будет равно Iвых, умноженному на сумму сопротивления нагрузки и сопротивления R1.

Это напряжение может легко превысить то, что фактически может генерировать выходной каскад операционного усилителя, особенно если вы используете шины ±3 В или ±5 В, а не аналоговые напряжения питания ±12 В или ±15 В, которые, как я полагаю, раньше были более распространены.

Из-за этого ограничения я бы сказал, что источник тока с двумя операционными усилителями является подходящим выбором для приложений с низким сопротивлением нагрузки и/или небольшими выходными токами.

Заключение

Мы кратко рассмотрели схему двунаправленного источника тока, которая имеет разумные требования к перечню элементов и включает в себя входной каскад дифференциального управляющего напряжения. В следующей статье мы будем использовать LTspice для более подробного анализа производительности этой схемы.

Источник

Сопротивления управляемых источников тока

Управляемый источник напряжения (тока) представляет собой невзаимный четырехполюсник (трехполюсник), выходное напряжение (ток) которого пропорционально входному напряжению (току) этого четырехполюсника, а сам он обладает свойством источника напряжения (ЭДС) (напряжение на его зажимах не зависит от протекающего через него тока) или источника тока (его ток не зависит от нагрузки). Управляемый источник обозначают часто в виде ромба, в котором указана стрелка (если это источник напряжения), либо двойная стрелка (если это источник тока). Рядом записывают управляющую величину, умноженную на некоторый масштабный множитель.

Известны четыре типа идеализированных управляемых источников:

1) источник тока, управляемый напряжением (ИТУН). Схема его изображена на рис. 4.12, а. Входной ток выходной ток пропорционален входному напряжению: входное и выходное сопротивления бесконечно велики.

Матрица Y ИТУН такова:

2) источник напряжения, управляемый током (ИНУТ). Схема его представлена на рис. 4.12, б. Входное напряжение выходное напряжение пропорционально входному току: входное и выходное сопротивления равны нулю. Его -матрица имеет вид

З) источник напряжения, управляемый напряжением (ИНУН). Схема дана на рис. 4.12, в. Входной ток выходное напряжение пропорционально входному: входное сопротивление бесконечно велико, а выходное равно нулю. Его -матрица такова:

4) источник тока, управляемый током (ИТУТ). Схема изображена на рис. 4.12, г. Входное напряжение входной ток пропорционален входному: входное сопротивление равно нулю, выходное — бесконечности. Матрица -параметров его равна

Каскадное соединение ИНУТ с ИТУН обладает свойством ИТУТ, а каскадное соединение ИТУН с ИНУТ — свойством ИНУН.

Для всех перечисленных управляемых источников выходная величина не влияет на входную, а входная мощность равна нулю, так как входной ток либо входное напряжение равны нулю.

Управляемые источники часто осуществляют на основе операционных усилителей. Так, схема ИНУН на ОУ изображена на рис. 4.9, г, а схема ИТУТ на двух ОУ — на рис. 4.13.

Читайте также:  Индуктивность соленоида катушки с током обозначение

Убедимся, что схема рис. 4.13 обладает свойствами ИТУТ. Воспользуемся обозначениями на этой схеме.

Так как входное напряжение первого ОУ равно нулю, а то и Входной ток первого ОУ входной ток второго ОУ Выходной ток схемы отсюда Выходной ток первого ОУ обозначим Тогда для узла 3 по первому закону Кирхгофа -Так как то

а потенциал точки Входное напряжение второго ОУ равно нулю, поэтому Так как сопротивление между точками 4 и 5 равно сопротивлению между точками 4 и 6, то

Приравняв (а) к (б), определим

Подставим (в) в (а)

Для узла 6, по первому закону Кирхгофа,

Так как пропорционально а выходной ток не зависит от сопротивления нагрузки , то схема (рис. 4.13) по отношению к выходной цепи обладает свойствами источника тока, управляемого током На рис. 4.14, а представлена одна из возможных схем ИНУТ, на рис. 4.14 б — одна из возможных схем ИНУТ, а на рис. 4.14, в — схема конвертора отрицательного сопротивления.

Как имитировать элементы — R, — С, заземленную и незаземленную L, частотно зависимые сопротивления, высокоомные резисторы — [см. приложение Б].

В § 4.14 — 4.15 было принято, что для ОУ за счет того, что Практически же Поэтому при относительно высоких частотах при рассмотрении схем с управляемыми источниками следует учитывать зависимость К от

Источник

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.

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.

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 %

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.

Читайте также:  Регулировка тока в зарядном устройстве для автомобиля

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:

  • 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.

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.

Источник



Источники тока на операционных усилителях.

Схемы генераторов тока, управляемых напряжением, на ОУ и выходными
каскадами на биполярных и полевых транзисторах.

Продолжаем наш тематический вечер, посвящённый схемотехническим исследованиям генераторов стабильного тока, источников тока и иже с ними — стабилизаторов тока.
В повестке дня сегодняшнего радиолюбительского заседания обозначены следующие мероприятия: викторина «Угадай радиодетальку», а также обсуждение схемы источника (генератора) тока, выполненного на интегральном операционном усилителе (ОУ в простонародье).

Базовые схемы генераторов тока на операционных усилителях мы бегло рассмотрели на предыдущей странице вместе с транзисторными источниками. Повторим пройденный материал.

Рис.1

Генераторы тока, изображённые на Рис.1, (инвертирующий слева, неинвертирующий справа) — вполне себе работоспособные устройства, которые являются близкими аналогами идеальных источников тока, и практически лишены недостатков, присущих транзисторным схемам.
Ток через нагрузку с достаточно высокой точностью описывается формулой Iн≈ Uвх/R1.
При включении в качестве Rн конденсатора, приведённые схемы широким фронтом эксплуатируются в формирователях треугольного и пилообразного напряжений.
В отдельных случаях существенным недостатком источников тока, изображённых на Рис.1, является «плавающая», т.е. не подключённая никаким боком к земле или питанию нагрузка. К тому же, по большей части, операционный усилитель не может обеспечить значительных величин токов, поступающих в нагрузку.

Рассмотрим схемы источников тока на ОУ, не имеющих этих недостатков.
Как правило, для получения устойчивого положительного результата, к операционному усилителю присовокупляется дополнительный выходной каскад на биполярном или полевом транзисторе.

Рис.2

На Рис.2 приведены схемы генераторов тока на ОУ с выходными каскадами на биполярном, либо полевом транзисторе и нагрузкой, подключаемой к шине питания.
Пренебрегая входным током ОУ и конечным коэффициентом усиления транзистора, выходной ток составит всё ту же величину Iн≈ Uвх/R1.
На самом деле, коэффициент усиления биполярного транзистора имеет конечное значение, а полная формула тока нагрузки выглядит следующим образом Iн= Uвх×β/[R1(1+β)] .
Это обуславливает некоторую нестабильность выходного тока при изменении сопротивления нагрузки за счёт проявления эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на величину коэффициента передачи тока транзистора).
Проявления этой нестабильности можно уменьшить, если в качестве биполярного транзистора использовать составной транзистор, либо применяя полевой транзистор.
Особенность схем источников тока, показанных на Рис.2, состоит в том, что нагрузка подключается к шине питания.

Рис.3

На Рис.3 приведены источники тока с заземлённой нагрузкой.
Выходной ток здесь описывается уже несколько другой формулой: Iн≈ (Еп-Uвх)/R1 .
Подобная зависимость выходного тока от управляющего напряжения не всегда удобна в практических разработках, поэтому для устранения этого недостатка к схеме можно присовокупить дополнительный преобразователь уровня.

Читайте также:  Общее звено постоянного тока

Рис.4

Здесь первый операционник с транзистором n-p-n структуры служит для преобразования уровня входного управляющего напряжения Uвх в значение Eп-Uвх.
Rпр1 и Rпр2, как правило, выбираются одного номинала, величина которого рассчитывается, исходя из входного сопротивления второго ОУ, а также из соображений приемлемого быстродействия при работе источника тока в динамическом режиме (т.е. при подаче на вход импульсного сигнала управления).
Ну и ясен шпунтубель, что всё наше усердие было направлено на получение удобной зависимости Iн≈ Uвх/R1 , а для повышения выходного сопротивления источника тока вместо простого биполярного выходного транзистора следует включить составной или полевой транзистор.

Источник

Управляемые идеальные источники

Управляемым (зависимым) источником называется такой источник электрической энергии, основной параметр (напряжение или ток) которого зависит от напряжений или токов в других участках цепи. Этот источник схематически можно представить четырехполюсником (см. рис. 1.13), у которого два полюса (1, 1 1 ) называют входными, а два других (2, 2 1 ) – выходными. Входной ток i1 и входное напряжение u1 являются управляющими величинами, а ток i2 и напряжение u2 – выходными управляемыми величинами. Различают четыре вида управляемых источников. Их эквивалентные схемы показаны на рис. 1.13.

1. ИНУН (рис. 1.13, а) – источник напряжения, управляемый напряжением. Входное сопротивление (входной ток i1 = 0), выходная проводимость велика (выходное сопротивление равно нулю), а выходное напряжение связано с входным равенством u2 = e = kuu1,где ku – коэффициент передачи по напряжению.

2. ИТУН (рис. 1.13, б) – источник тока, управляемый напряжением. Выходной ток i2 управляется входным напряжением u1 по равенству

i2=j= kGu1,.где kG – передаточная проводимость, имеющая размерность проводимости. Выходное сопротивление бесконечно велико.

3. ИНУТ (рис. 1.13, в) – источник напряжения, управляемый током. Входная проводимость бесконечна велика, выходное напряжение управляется входным током по равенству

где kR – передаточное сопротивление, имеющее размерность сопротивления.

4. ИТУТ (рис. 1.13 г) – источник тока, управляемый током. Выходной ток i2 управляется входным током i1 по равенству i2=j= kIi1,. где kI – коэффициент передачи по току. Входная проводимость бесконечно велика. ИТУТ является идеальным усилителем тока.

Выражения выходных величин источников, выделенные в тексте, называют основными уравнениями управляемых источников. Коэффициенты kU, kG, kR, kI представляют собой вещественные положительные или отрицательные числа и полностью характеризуют источники.

Операционный усилитель (ОУ). Примером ИНУН является ОУ, выпускаемый промышленностью в виде отдельной микросхемы (рис. 1.14, а).

Операционный усилитель имеет два входа: 1 – инвертирующий и 2 – неинвертируещий. Они показываются на схеме соответствующим знаком («–» и «+» соответственно). При подаче напряжения u1 на вход 1 – выходное напряженuе u3 меняет свою полярность. Основным уравнением ОУ с двумя входами является

Идеальный ОУ отличается от ИНУН тем, что он имеет бесконечно большой коэффициент усиления (kU = ∞),а выходное напряжение пропорционально разности входных напряжений. Также как и ИНУН ОУ имеет бесконечно большие входные сопротивления и выходную проводимость (выходное сопротивление равно нулю).

Так как коэффициент усиления kU = ∞, то при конечном значении u3 ОУ обладает важным свойством: , т. е. или , где φ1 и φ2 – потенциалы 1 и 2 полюсов ОУ.

Управляемые источники широко применяются при составлении моделей (эквивалентных схем замещения) активных элементов, например, электронных ламп, различных транзисторов (см. рис. 1.5, б), управляемых конденсаторов и др.

КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Электрические цепи могут быть классифицированы по ряду признаков:

по энергетическим свойствам: активные (содержащие идеализированные активные элементы) и пассивные(не содержащие идеализированные активные элементы);

по числу внешних полюсов: двухполюсники и др.(см. рис. 1.2, б);

по типу пассивных элементов: резистивная цепь состоит только из резисторов R; реактивная цепь состоит только из L и C; RC – цепь; RL – цепь; RLC – цепь;

по виду уравнений цепи:

а) если электрические процессы в цепи описываются линейными уравнениями с постоянными коэффициентами, то цепь называется линейной;

б) если электрические процессы в цепи описываются уравнениями с переменными во времени коэффициентами, то цепь называется параметрической;

в) если электрические процессы в цепи описываются нелинейными уравнениями, то цепь называется нелинейной.

Линейные цепи содержат только линейные элементы. Если в цепи находится хотя бы один нелинейный элемент, то вся цепь становится нелинейной. Если параметр какого-то элемента меняется во времени, то цепь является параметрической.

Фундаментальная классификация цепей строится в зависимости от вида дифференциального уравнения цепи.

Идеализированные цепи, процессы в которых описываются обыкновенными дифференциальными уравнениями, называются цепями с сосредоточенными параметрами. Цепи такого типа используют в качестве упрощенных моделей реальных цепей и их элементов на сравнительно низких частотах, когда длина волны электромагнитных колебаний существенно больше размеров исследуемого устройства. При этом условии в устройствах можно выделить конечное число участков, которые обладают каким-то одним из основных эффектов: R – преобразование электрической энергии, L или C – запасание энергии магнитного или электрического полей. Заменяя эти участки идеализированными элементами, получают модель реальной цепи, содержащей конечное число элементов, значения параметров которых конечны.

Когда длина волны колебаний соизмерима с размерами устройства или его элементов, пространственно локализовать области, в которых проявляются эффекты одного типа, не удается. Это связано с тем, что даже при бесконечно малой длине выделяемых участков, в пределах каждого из них одновременно имеют место несколько названных выше эффектов. Они (параметры) как бы «распределены» по всей цепи. Процессы в таких цепях описываются дифференциальными уравнениями в частных производных. Такие цепи называются цепями с распределенными параметрами.

В общем случае дифференциальное уравнение (ДУ) линейной цепи с сосредоточенными параметрами имеет вид:

где y(t)отклик цепи (искомый ток или напряжение какой-либо ветви); a, a1,an – коэффициенты, определяемые параметрами пассивных элементов и коэффициентами управления зависимых источников; n – наибольшая степень производной. Правая часть уравнения (1.14) есть линейная комбинация функций, описывающих внешнее воздействие на цепьx = x(t), и их производных.

Наибольшее значение порядка (ДУ) цепи n характеризует порядок сложности (порядок цепи). Порядок цепи определяется числом реактивных элементов (емкостей и индуктивностей): n = 1 – цепь первого порядка и т.д.

В теории цепей различают два типа задач: задачи анализа и синтеза цепей. К задачам анализа относятся все задачи, связанные с определением токов, напряжений (откликов) в элементах цепи, если схема и параметры элементов заданы. В задачах синтеза, напротив – известны токи и напряжения в отдельных элементах и требуется определить вид цепи и ее параметры.

В основе методов анализа цепей лежат законы Кирхгофа.

Первый закон Кирхгофа– закон токов в узлах. Он отражает тот факт, что в узлах не могут накапливаться заряды. Он гласит:

алгебраическая сумма токов ветвей, сходящихся в любом узле цепи, равна нулю

где m – число ветвей, сходящихся в узле.

Второй закон Кирхгофа– закон напряжений в контуре. Он гласит:

алгебраическая сумма напряжений ветвей в любом контуре равна нулю

где n – число ветвей, входящих в контур.

Практическое применение законов Кирхгофа рассматривается на практических занятиях по курсу ОТЦ.

МЕТОДЫ АНАЛИЗА СЛОЖНЫХ ЦЕПЕЙ

В дальнейшем будем называть сложными такие цепи, которые содержат более одного контура. Полный анализ сложной цепи заключается в нахождении токов всех ветвей или, что равноценно, в определении потенциалов всех ее узлов, т.е. напряжений между узлами.

На практических занятиях рассматриваются различные методы анализа линейных цепей.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник