РадиоЛоцман - Все об электронике

Диодный источник тока

Платон Константинович Денисов, г. Симферополь

simferopol1970@gmail.com

Вебинар «Экономичные решения МЕAN WELL для надежных разработок» (30.09.2021)

Идеальный источник тока позволяет получить ток, не зависящий от сопротивления нагрузки. Параметры диодного источника тока, обуславливающие область применения прибора, рассматриваются в этой статье.

Для упрощения электрических схем удобно использовать диодные источники тока, представляющие собой двухвыводной компонент с низкой стоимостью, устанавливаемый в цепи схем последовательно с различными компонентами. Такое схемное решение проблемы стабилизированного тока привлекает простотой и повышением устойчивости работы разрабатываемых схем приборов. Один полупроводник этого класса, в зависимости от типа, обеспечивает стабилизацию тока на уровне от 0.1 до 30 миллиампер. Термина и схемного обозначения для наименования этих полупроводниковых приборов в соответствии с ГОСТ найти не удалось. В иллюстрациях к статье пришлось применить схемное обозначение обычного диода.

Один из примеров использования – питание светодиода. Диодный источник тока, включенный последовательно светодиоду, обеспечивает стабильную и надежную работу светодиода. Одна из особенностей диодного источника тока – работа в диапазоне напряжений от 1.8 до 100 В, позволяющая защитить светодиод от выхода из строя при импульсных изменениях напряжения повышает надежность светодиодного индикатора и расширяет диапазон допустимых отклонений питания. Яркость и оттенок свечения светодиода зависят от протекающего тока. Стабилизация тока питания светодиода позволяет задать требуемый режим работы с неплохой точностью. С помощью диодных источников тока можно построить индикатор или осветительную лампу, предназначенную для питания от сети переменного тока 220 В. Такой прибор будет иметь постоянную яркость свечения при значительном падении напряжения питания. Низкая потребляемая мощность и длительный срок службы являются неоспоримыми преимуществами светодиодных ламп по сравнению с лампами накаливания и газонаполненными осветительными приборами.

Применение резистора в цепи питания светодиода для индикации питания двигателя постоянного тока микродрели приводило к быстрому выходу индикатора из строя. Использование диодного источника тока позволило получить надежную работу индикатора и постоянную яркостью свечения. Требуемый режим можно получить, меняя тип диодного источника тока, или включая 2 - 3 штуки параллельно. Превышение диодным источником тока стоимости резистора на несколько центов оправдывает увеличение надежности работы индикатора.

Простая схема зарядного устройства аккумулятора получается при параллельном включении диодных источников тока.

При питании входного светодиода оптрона через резистор пульсации напряжения питания схемы приводят к колебаниям яркости, которые накладываются на фронт входного прямоугольного импульса. Напряжение питания схемы всегда содержит пульсации. Если пульсации питающего напряжения 5 В имеют уровень 50 мВ, то пульсации напряжения на светодиоде будут около 13 мВ.

При большом быстродействии оптрона пульсации напряжения питания приведут к искажению информации, передаваемой через оптрон.

Применение диодного источника тока для питания светодиода, входящего в состав оптрона, позволяет снизить искажения цифрового сигнала, передаваемого через оптрон.

Для создания источника опорного напряжения используются диодный источника тока и резистор. Применение источника стабильного тока улучшает параметры источника опорного напряжения и дает возможность включать источник опорного напряжения в схемы с большими колебаниями напряжения питания. Схема с низким уровнем шумов и возможностью точно установить требуемое значение опорного напряжения с помощью переменного сопротивления показана на рисунке.

Вольтамперная характеристика помогает понять работу диодного источника тока. Режим стабилизации начинается при превышении напряжения 1.8 В на выводах прибора. При напряжениях более 100 В происходит пробой прибора. Отклонение тока стабилизации от номинального, в зависимости от экземпляра прибора, составляет ±10 процентов. При изменении напряжения от 1.8 до 100 В ток стабилизации меняется на 5 процентов. Диодные источники тока, выпускаемые некоторыми производителями, изменяют ток стабилизации при изменении напряжения до 20 процентов. Чем выше ток стабилизации, тем больше отклонение при изменении напряжения. Параллельное включение пяти приборов, рассчитанных на ток 2 мА, позволяет получить более высокие параметры, чем у одного на 10 мА.

Дешевые диодные источники тока представляют собой отобранные по току полевые транзисторы, у которых затвор соединен с истоком. Обобщенная зависимость прямого и обратного тока от прямого и обратного напряжения изображена на рисунке. Диодный источник тока превращается в обычный диод при смене полярности напряжения, приложенного к его выводам. 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 диодного стабилизатора тока может достигать 50 мА, а у некоторых типов и 100 мА. Это свойство позволяет разработать несложный преобразователь синусоидального сигнала в прямоугольный.

Амплитуда выходного сигнала, форма которого близка к прямоугольной, задается напряжением стабилизации стабилитрона. Диодный источник должен обеспечить номинальный ток, необходимый для работы стабилитрона. В файле математической модели Electronics Workbench 5.12, прилагаемом к статье, показана работа преобразователя. Преобразование синусоидального сигнала в треугольный сигнал осуществляет схема, в которой стабилитроны заменены конденсатором.

Удвоенная амплитуда (разность потенциалов между максимумом и минимумом) равняется

It/C,

где

I – ток стабилизации диодных источников тока,
t – время изменения напряжения между минимумом и максимумом,
С – емкость конденсатора.

В файле математической модели Electronics Workbench 5.12, прилагаемом к статье, показана работа преобразователя.

Для стабилизации токов порядка ампера применяется схема, силовой элемент которой мощный транзистор. Диодный источник тока стабилизирует напряжение на резисторе 200 Ом и на выводе базы транзистора 2Т819. Изменение сопротивления резистора R1 от 0.2 до 10 Ом изменяет ток, поступающий в нагрузку. С помощью этой схемы можно получить ток, ограниченный максимальным током транзистора или максимальным током источника питания. Выбор диодного источника тока с возможно большим номинальным током стабилизации улучшает стабильность выходного тока схемы. Изменение резистора R1 на 1-2 Ом сильно меняет значение тока. Этот резистор должен быть большой мощности, изменение сопротивления из-за нагрева приведет к отклонению выходного тока от заданного значения. Резистор 200 Ом можно заменить переменным для точной настройки выходного тока или для построения регулируемого источника стабильного тока. Для улучшения стабильности тока транзистор 2Т819 усиливается вторым транзистором меньшей мощности. Транзисторы соединяются по схеме составного транзистора Дарлингтона. При использовании составного транзистора минимальное напряжение стабилизации увеличивается. В файле математической модели Electronics Workbench 5.12, прилагаемом к статье, показана работа мощного источника тока.

Улучшенным вариантом диодного источника тока является схема на полевом транзисторе с автоматическим смещением, где резистор обеспечивает обратную связь по току и увеличивает обратное смещение затвора, что приводит к работе транзистора на более предпочтительном участке характеристики, расположенном ниже характеристики начального тока стока. По графику выходной характеристики полевого транзистора КП312А видно как можно управлять током насыщения, меняя напряжение между затвором и истоком. Ток, протекающий через схему стабилизации, создает на резисторе напряжение затвор-исток. Изменяя сопротивление резистора можно задать стабилизируемый ток. Включение в цепь истока резистора снижает отклонение стабилизируемого тока до двух процентов.

     

Схема, обладающая более высокими характеристиками, состоит из двух полевых транзисторов. Транзистор VT1 обеспечивает уменьшение колебаний напряжения на стоке VT2. Транзистор VT1 должен иметь более высокий начальный ток стока, так как в истоковую цепь входит резистор и сопротивление канала VT2. Также большой начальный ток стока необходим для работы транзистора на линейном участке выходной характеристики, находящемся между вертикальной осью тока и пунктирной линией напряжения насыщения. Транзистор VT2 стабилизирует ток через сток-исток транзистора VT1, что не позволяет транзистору VT2 перейти в режим насыщения. Таким образом, транзисторы задают режимы работы друг друга. При увеличении напряжения на полюсах схемы сопротивление канала VT1 возрастает. При увеличении напряжения, приложенного к выводам схемы, сопротивление сток-исток транзистора VT2 возрастает и отрицательное напряжение затвор-исток транзистора VT1 увеличивается по модулю. Сопротивление сток-исток транзистора VT1 возрастает, большая часть напряжения падает на транзисторе VT1. В файле математической модели Electronics Workbench 5.12, прилагаемом к статье, показана работа схемы. Меняя в программе Electronics Workbench 5.12 напряжение источника питания интересно пронаблюдать значение тока и напряжения на транзисторах VT1 и VT2.

Диодные источники тока выпускаются многими производителями полупроводников. Параметры некоторых типов приведены в таблице.

Наименование
Номинальный ток
табилизации,
мА ±10%
Минимальное напряжение
на выводах в режиме
стабилизации, В
Максимальное
импульсное
напряжение, В
Изготовители
0.22
1.0
100
Microsemi,
CDI
1
1.35
100
2
1.85
100
3
2.25
100
3.9
2.6
100
4.7
2.9
100
5.1
3.67
80
CDI
10
7.2
50
E-153
15
4.3
50
Semitec
L-1822
20
3.9
50
L-2733
30
4.2
50

Внешний вид диодных источников тока

1N5283
1N5297
1N5305
1N5309
1N5312
1N5314
E-153
L-1822
L-2733

Используя данные таблицы, легко убедится, что соединенные параллельно 5 компонентов 1N5305 позволят стабилизировать ток на уровне 10 мА, как и компонент СDLL257, но минимальное напряжение работы в случае пяти 1N5305 составит 1.85 В, что важно для схем с напряжением питания 3.3 или 5 вольт. Компонент 1N5305 более доступен, включение параллельно группы стабилизаторов тока позволяет снизить нагрев разрабатываемого прибора и, как следствие, отодвинуть верхнюю границу температурного диапазона.
При использовании диодных источников тока при напряжениях более напряжения пробоя для увеличения рабочего напряжения применяется последовательное включение совместно с параллельно включенными выравнивающими резисторами. Отклонение тока стабилизации от номинального в этой схеме не превышает 2%. Минимальное и максимальное напряжение работы увеличивается в количество раз, равное числу включенных последовательно диодных источников тока.

Обычный диодный источник тока при изменениях напряжения может давать отклонения стабилизируемого тока на 5-20%, более высокими характеристиками обладают источники тока на операционных усилителях, позволяющие получить точность стабилизации 0.5% и точнее, но это уже тема совсем другой статьи.

Загрузки

Файлы математических моделей Electronics Workbench 5.12

Ссылки

http://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/178331/MICROSEMI/1N5309.html
http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/57458/CDI-DIODE/1N5309.html
https://www.rlocman.ru/i/File/dat/American_Power_Devices/Diodes_Rectifiers_Single/1N5314.pdf
http://www.centralsemi.com/PDFs/products/cclm0035-5750.pdf
http://www.centralsemi.com/PDFs/other/ec051semiconductora.pdf
http://www.bryansk.ru/km

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

Запись вебинара «Микросхемы для защиты цепей питания: ограничители всплесков напряжения и тока, контроллеры горячей замены, идеальные диоды»
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Последовательное включение источников тока... Чет меня сомнения гложут.
  • Интересно!
  • а при паралелльном включении диодов разве выравнивающие резисторы не нужны?.
  • Я пожалуй, единственный из отписавшихся в этой теме, кто прочитал статью до конца. Слово "диодный" не должно вводить в заблуждение. Это автор назвал его так, в том смысле, что у него два вывода. На самом деле в качестве "диодного источника тока" подразумевается старый знакомый источник тока на полевом транзисторе либо специальный диод с растянутой прямой веткой ВАХ, но не обычный выпрямительный диод.