Высококачественный источник тока

Всегда изобретательный и плодовитый г-н Вудворд предложил «Источник постоянного тока на основе регулятора LM317, программируемого ШИМ» [1], – интригующий программируемый источник постоянного тока, который вызвал оживленную дискуссию в разделе комментариев. Возник парадокс дзен: если добавление конденсатора между землей и выводом ADJ LM317 снижает пульсации тока, проходящего из источника в нагрузку, и одновременно уменьшает импеданс, воспринимаемый нагрузкой (делая источник тока менее «идеальным»), является ли это лучшим или худшим «источником постоянного тока»? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо учесть, что конденсатор также замедляет реакцию на изменения тока нагрузки, возникающие в результате изменения коэффициента заполнения ШИМ. В конце концов, ответ зависит от применения. Но я уверен, что у мастера дзен на этот вопрос есть лучший ответ, чем «это зависит от».

Даже без конденсатора постоянная времени и нелинейный характер схемы с ШИМ-управлением имеют ограничения при использовании в качестве источника сигналов переменного тока. Конечно, из названия статьи ясно, что питание нагрузки переменным током не было основной целью. Но один из комментаторов интересовался возможностью питания как переменным, так и постоянным током.

Базовый источник тока на LM317

Я задался вопросом, может ли подсхема, состоящая из LM317 и резисторов R_S и R_C, стать основой для такой схемы, если она будет питаться подходящим управляющим током. На Рисунке 1 первым шагом в исследовании этого вопроса было моделирование базового источника тока на основе LM317, состоящего из элементов U1 и R_S1, управляющих нагрузкой R_L1. (См. Рисунок 18 в техническом описании LM317). Ток нагрузки составляет 10 мА.

Рисунок 1.	Серия схем на LM317 была исследована в симуляторе и на испытательном стенде на предмет пригодности в качестве источника тока.

Широкополосный коэффициент подавления пульсаций питания (PSRR) схемы был смоделирован, измерен в омах и определен как отношение переменного напряжения источника V₁ к переменному току через резистор R_L1. От постоянного тока до почти 1 кГц результат немного превышал 100 кОм, снизившись до чуть менее 10 кОм на частоте 10 кГц. Пока все хорошо. Далее была протестирована подсхема-кандидат, содержащая микросхему U2. Идеальный источник постоянного тока I₁ с бесконечным сопротивлением (выбранным таким, чтобы источник не влиял на характеристики подсхемы) включен так, чтобы нагрузка R_L2 также получала 10 мА постоянного тока. Я ожидал примерно такого же значения PSRR. Но, к моему удивлению, выходной импеданс от постоянного тока до 1 кГц упал до чуть менее 2 кОм, а на 10 кГц – до чуть более 100 Ом!

При более внимательном рассмотрении оказалось, что через вывод ADJ микросхемы LM317 вообще не протекал ток, даже номинальные 50 мкА, указанные в техническом описании. В результате ни через R_C2, ни через вывод ADJ не протекал переменный ток, который объяснял бы падение PSRR. Очевидно, что файл LM317 [2], который я использовал для моделирования, не подходил для оценки PSRR. Есть и другие файлы, которые я изучу позже, но пока я решил провести старые добрые лабораторные испытания.

Лабораторные испытания

Схема, которую я тестировал на PSRR, – это та, центральным элементом которой является U3. Результат оказался гораздо ближе, но и лучше, чем у смоделированного U1: 500 кОм в диапазоне от постоянного тока до 1 кГц, снижение до 360 кОм на 10 кГц и до 80 кОм на 50 кГц. Но, занимаясь лабораторными исследованиями, я начал внимательно присматриваться к некоторым другим вещам.

Схема U3 работает, вычитая падение напряжения V_DROP на резисторе R_C3 из опорного напряжения V_REF микросхемы LM317 (разность напряжений на выводах OUT и ADJ) и прикладывая V_REF – V_DROP к резистору R_S3. Особое внимание следует уделять точности V_DROP, что является достаточно сложной задачей. Но есть еще напряжение V_REF; каковы его границы?

Я решил сделать несколько измерений на постоянном токе. У меня есть восемь микросхем Texas Instruments LM317KCS (корпус TO-220), все маркированные одинаковым кодом даты. Используя схему U4, я измерил выходное напряжение V_O каждой из них, установив напряжение источника V₄ равным 12 В DC. V_O варьировалось от 1.243 В до 1.263 В, то есть разброс составил 20 мВ. Для одной из микросхем я на 5 минут установил напряжение V₄ равным 15 В, а затем в течение такого же времени подавал на U4 25 В.

По истечении этих временных интервалов измерения показали падение напряжения V_O на 27 мВ. Это больше, чем 5 мВ при 25 °C, которые соответствуют указанной в техническом описании нестабильности выходного напряжения по входу, равной 0.04% на 1 В изменения входного напряжения. Тогда я перепроверил свои измерения, но получил тот же результат. Из всех этих измерений невозможно определить интервал значений V_REF для различных экземпляров микросхем, токов нагрузки, входных напряжений и температур перехода произвольной схемы. Ну и, конечно, «месть Ноя»: каждые 40 дней параметр долговременной стабильности может подарить нам 1% ухода V_REF: 12.5 мВ. Рассмотрев все это, я остановился для V_REF на указанном в техническом описании диапазоне опорного напряжения 1.25 В ± 50 мВ. Так в чем же влияние этой неопределенности?

Последствия

Нам нужен реально программируемый источник питания, поэтому давайте пока остановимся на конфигурации U2 и отложим рассмотрение замены I₁ программируемым источником тока. Независимо от сопротивлений резисторов, ток I_LOAD, отдаваемый этой схемой в нагрузку, равен:

где I_ADJ – ток вывода ADJ. Максимальное значение тока I_LOAD (I_MAX) имеет место, когда ток I₁ равен нулю. Когда схему просят выдать ток I_MAX/10, величина (I_ADJ – I₁)×R_C в идеале должна составлять примерно 0.9×V_REF. Но теперь I_LOAD равен 125 ± 50 мВ; отклонение составляет ±40%! Ситуация ухудшится еще больше, если требуется ток меньше I_MAX/10. Я приветствую любые предложения о том, как справиться с наблюдаемыми здесь ограничениями точности и рабочего диапазона. Но пока давайте рассмотрим схему на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Пара Дарлингтона Q1/Q2 питает током нагрузку V_LOAD с нулевым сопротивлением. Элементы R2, R5, R4 и C2 обеспечивают устойчивость и должны быть проверены в собранных схемах. Резистор R1 устанавливает минимальное смещение Q1 по постоянному току.

Источник напряжения V_Supply на Рисунке 2 обеспечивает схему питанием 12 В DC. V_IN служит источником постоянного напряжения 10, 100 и 1000 мВ, создающим постоянный ток 10, 100 и 1000 мА через V_LOAD. Каждый источник напряжения в схеме создает синусоиду с частотой 1, 10, 100, 1000 или 10000 Гц для оценки PSRR (Рисунок 3), выходного сопротивления (Рисунок 4) и передаточной функции входного сигнала (Рисунок 5); но одновременно активен только один источник.

Рисунок 3.	Зависимость сопротивлений PSRR в омах от частоты, наблюдаемых со стороны V_LOAD при трех различных значениях постоянного тока. Более высокие значения сопротивления связаны с большей близостью к идеальным источниками тока. Точки на кривых представляют результаты моделирования.

Рисунок 4.	Сопротивления в омах, наблюдаемые со стороны V_LOAD при трех различных постоянных токах. Более высокие значения сопротивления связаны с большей близостью к идеальным источниками тока. Точки на кривых представляют результаты моделирования.

Рисунок 5.	Частотная зависимость полной проходной проводимости от V_IN до V_LOAD. Целевое значение – 1.0000. Точки на кривых представляют результаты моделирования.

Амплитуды синусоид на V_LOAD и V_Supply в активном состоянии составляют 1 В пик-пик, тогда как для V_IN амплитуда составляет 1 мВ; таким образом, при суммировании с тремя различными постоянными напряжениями источника V_IN результирующие напряжение и ток останутся положительными. Все измерения в симуляторе относятся к токам через V_LOAD. В Таблице 1 приведены смоделированные и желаемые постоянные токи, протекающие через эту нагрузку.

Таблица 1.	Желаемые и смоделированные постоянные токи схемы. Входные напряжения смещения операционных усилителей и другие аспекты схемы будут вносить дополнительные, не учтенные здесь ошибки.
Желаемый ток, мА Смоделированный ток, мА 10 10.011 100 100.009 1000 999.987

Входное напряжение смещения операционного усилителя AD4084-2 в наихудшем случае составляет 300 мкВ. Два таких усилителя вместе могут вносить в ток нагрузки погрешность до ±600 мкА. Также следует учитывать отклонения номиналов резисторов R_C1, R_C2 и R_SM. Ограниченный коэффициент передачи тока транзистора 2N3906 может «украсть» из нагрузки до 10 мкА; замена его на BC857C может значительно уменьшить эту величину. При этом я старательно избегал обсуждения того, как формировать сигналы, выдаваемые источником напряжения V_IN, которые, несомненно, будут вносить свои погрешности. Но целью этой статьи было исследование потенциальных источников тока, способных работать как с переменным, так и с постоянным током, и я считаю, что представленный здесь кандидат заслуживает рассмотрения.

Ссылка

1. Stephen Woodward. Источник постоянного тока на основе регулятора LM317, программируемого ШИМ
2. LM317 simulation file LM317A_002.zip

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices ADA4084-2
2. Datasheet Texas Instruments LM317A
3. Datasheet ROHM 2SAR586J
4. Datasheet Microchip DN2540
5. Datasheet ROHM RUC002N05