Интернет-журнал 'Домашняя лаборатория', 2008 №2 - Журнал «Домашняя лаборатория»

схеме рис. 5. Во всех источниках тока, кроме схемы рис. 3, имеются жесткие ограничения, накладываемые на величину напряжения на нагрузке, связанные с максимальным выходным напряжением ОУ. В схеме рис. 3 можно получить любое требуемое напряжение на нагрузке путем соответствующего выбора напряжения питания нагрузки Un. При этом нужно учитывать лишь одно ограничение — максимально допустимое коллекторное напряжение транзистора VT1.

Во всех схемах источников тока с ОУ для обеспечения нормальной работы ОУ и для повышения точности установки выходного тока необходимо в качестве регулирующего элемента использовать супер-бета или составные транзисторы.

В ряде случаев требуется сформировать в нагрузке ток, переменный как по величине, так и по направлению. Для таких применений хорошо работает схема [4], приведенная на рис. 8. Эта схема, как и все предыдущие, может быть получена из общей функциональной схемы рис. 1 при условии, что два одинаковых источника тока — один для тока положительной полярности, а другой для отрицательной — работают на общий датчик тока (резистор R6) и общую нагрузку с комплексным сопротивлением Zн и имеют общую цепь обратной связи. В этой схеме выходной ток Iн в точности повторяет форму входного напряжения Uвх и определяется выражением

Iн = ((Uвх + Uн) — Uн)/R6 = Uвх/R6 (9)

При указанных на схеме номиналах источник тока преобразует входное напряжение от —10 до +10 В в ток от —10 до +10 мА. Для достижения высокой точности преобразования нужно использовать резисторы Rl — R6 с допуском не более 1 %. Недостатком приведенной схемы являются жесткие ограничения на величину выходного напряжения, связанные с максимальным выходным напряжением ОУ и определяемые неравенствами

Uвx + Uн < UвыхОУ = UnОУ;

Uвx + Uн < IнR6 + IнRн < Un — UКЭнас = Un. (10)

При UnОУ = Un остается одно неравенство

Uвx+ Uн < Uп. (11)

В этой схеме можно использовать практически любые ОУ с соответствующими цепями коррекции. Следует только учитывать, что более высокая точность преобразования напряжения в ток получается при использовании ОУ с малыми входными токами и малыми напряжениями смещения. В качестве регулирующих транзисторов VT1 и VT2 можно взять любые маломощные транзисторы с максимальным коллекторным напряжением более 30 В и током коллектора 20…150 мА.

Одним из применений источников тока является заряд аккумуляторных батарей. Такой источник должен обеспечивать ток, равный 0,1 от емкости заряжаемой батареи, и продолжительность зарядки 14…15 ч [5, 6]. Известны также способы заряда аккумуляторов асимметричным током [7, 8]. Однако, несмотря на ажиотаж, поднятый вокруг них в литературе, они пока не получили широкого распространения, так как там требуется индивидуальная зарядка каждого из аккумуляторов батареи и сложные методы контроля их степени заряженности по температуре, напряжению, давлению или другим признакам [8]. Это связано с тем, что физико-химические процессы, происходящие в аккумуляторе при зарядке его постоянным и асимметричным токами, различны.

Рассмотрим устройство для зарядки аккумуляторных батарей типа 7Д-0,115 (рис. 9).

Рис. 9. Схема устройства для зарядки аккумуляторных батарей 7Д-0.115

Схема позволяет заряжать батарею постоянным током 11,5 мА, а по окончании зарядки автоматически отключается. Кроме того, есть защита от короткого замыкания в нагрузке. Устройство представляет собой простейший источник тока (см. рис. 2,а) и включает дополнительно ИОН на светодиоде HL1 и автоматическую схему отключения тока по окончании зарядки, которая выполнена на стабилитроне VD1, компараторе напряжения на ОУ DA1 и ключе на транзисторе VT1. Сила зарядного тока (11,5 мА) устанавливается резистором R7 в соответствии с выражением

I = (Ui — UбэVT2 — UбэVT3)/R7 (12)

где Ui — напряжение на светодиоде VD2 при заряде батареи. В процессе зарядки напряжение U2 на неинвертирующем входе ОУ DA1 больше напряжения на инвертирующем входе. Выходное напряжение ОУ близко к напряжению питания, транзистор VT1 открыт и через светодиод течет ток около 10 мА. При зарядке батареи напряжение на ней растет, соответственно растет напряжение на инвертирующем входе ОУ DA1. Как только оно превысит напряжение на неинвертирующем входе, компаратор переключится в другое состояние, закроются транзисторы VT1, VT2, VT3, погаснет светодиод VD2 и прекратится зарядка аккумулятора. Предельное напряжение, при котором прекращается зарядка батареи, устанавливается резистором R2 согласно выражению

Uвых = U2((R8 + R9)/R9) (13)

Для батареи 7Д-0Д15 напряжение срабатывания компаратора устанавливается равным 7x 1,43 = 10 В. Во избежание неустойчивой работы компаратора в зоне нечувствительности можно установить резистор, показанный штриховой линией, сопротивлением 100 кОм.

Схема пригодна и для других типов аккумуляторов. В соответствии с необходимым током нужно лишь подобрать сопротивление резистора R7 согласно выражению (12) и, возможно, более мощный транзистор VT3.

Для целого ряда применений может оказаться полезным универсальный источник постоянного тока, изготовленный авторами. Его схема приведена на рис. 10. Устройство позволяет получать токи в нагрузке от 1 мА до 6 А, а при незначительном изменении параметров схемы, как будет показано далее, и до 9,999 А.

Устройство содержит следующие основные узлы: ИОН, мощный генератор выходного тока, прецизионный задающий узел, а также блок питания и контрольно-измерительные приборы. Мощный генератор выходного тока, формирующий ток в нагрузке, построен на базе высокоточного ОУ по классической схеме. Регулирующий элемент выполнен на транзисторах VT2 и VT3, включенных по схеме Дарлингтона.

Рис. 10. Схема универсального источника тока

ИОН выполнен на высокоточном ОУ DA1 и транзисторе VT1. Он представляет собой повторитель напряжения, выход которого нагружен на ряд одинаковых, последовательно соединенных прецизионных резисторов R4-R12. На вход повторителя приходит постоянное напряжение Uo, поступающее с выхода двухступенчатого параметрического стабилизатора напряжения на опорных диодах VD1 и VD3 серии Д818Е и КС515А через делитель на резисторах R1-R3. На каждом из 9 нагрузочных резисторов R4-R12 падает одинаковое напряжение, равное Uo/9. Таким образом, с выходов этого делителя можно снять десять опорных напряжений в диапазоне от 0 до Uo. Для повышения точности задания нагрузочные резисторы выбраны низкоомными с допуском 0,5…1,0 %. Выходные сигналы ИОН формируют в задающем узле напряжения управления мощным генератором выходного тока.

Прецизионный задающий узел представляет собой сумматор, выполненный на высокоточном ОУ серии К140УД14А. Он обеспечивает суммирование опорных напряжений, снимаемых с делителя R4-R12 с весами 1/1, 1/10, 1/100, 1/1000. Это позволяет установить на выходе ОУ DA2 с помощью переключателей SA1-SA4 любое напряжение от 0 до 1,111 Uo в соответствии с выражением

U = K1∙(Uo/9) + K2∙(Uo/90) + K3∙(Uo/900) + K4∙(Uo/9000)

где К1,