В нескольких статьях рассматривались инновационные способы использования традиционных микросхем для реализации программируемых источников тока [1-3]. Эта идея показана на Рисунке 1.
 |
|
| Рисунок 1. | Два независимых источника тока: один для нагрузок, привязанных к более отрицательному напряжению, а другой – к более положительному. Источники тока ISUB управляют величинами токов, подаваемых в нагрузки. |
Каждая микросхема работает, поддерживая напряжение VREF = 1.25 В (±50 мВ в диапазоне токов нагрузки, напряжений питания и рабочих температур) между выводами OUT и ADJ. ISUB – это программируемые источники тока (с ШИМ- или иным способом управления), которые создают падения напряжения VSUB на резисторах RSUB.
Учитывая, что через выводы ADJ протекают токи IADJ (обычно 50 мкА, а максимальное значение составляет 100 мкА), токи нагрузки могут быть следующими:
Когда ток ISUB равен нулю, ток нагрузки достигает своего максимального значения IMAX, и его погрешность составляет всего ±50 мВ/1250 мВ = ±4%. Но когда ISUB увеличивается, чтобы получить требуемый ток IMAX/10, погрешность возрастает до ±40%; заданная доля от 1.25 В вычитается, но неизвестная часть ±50 мВ остается. Если требуется ток IMAX/25, фактический ток нагрузки может находиться в диапазоне от 0 до удвоенного требуемого значения. На самом деле ситуация немного хуже, поскольку неопределенность тока IADJ составляет существенную часть от максимального значения ISUB, обычно не превышающего нескольких миллиампер.
Обход ограничений точности опорных напряжений
Несмотря на невысокую точность опорных напряжений, эти микросхемы обладают преимуществом встроенного защитного ограничения тока при перегреве. Поэтому желательно найти способ обхода ограничения их точности. Именно такой способ показан на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Два независимых регулятора тока. Значения токов ISUB программируются и часто реализуются с помощью ШИМ. Диоды, подключенные к выводам ADJ, защищают микросхемы LM во время запуска. Развязывающие конденсаторы по питанию емкостью 0.1 мкФ для микросхем U1 и U3 не показаны. |
Идея трехдиодной цепочки была заимствована из статей, перечисленных в разделе Ссылки. Она гарантирует, что даже при самых низких токах нагрузки (минимальный рабочий ток микросхем LM составляет не более 10 мА) напряжения на выводах ADJ не будут выходить за пределы шин питания.
Рабочий диапазон входных сигналов операционного усилителя OPA186 выходит за пределы обеих шин питания (рекомендуемое максимальное напряжение между которыми составляет 24 В), а его выходные сигналы при нагрузках менее 1 мА могут изменяться в пределах 120 мВ от шин.
Максимальное входное напряжение смещения, включая температурный дрейф и нестабильность напряжения питания, составляет менее ±20 мкВ. Входной ток менее ±5 нА означает, что при сопротивлении RSUB, равном 1 кОм или менее, общее входное напряжение смещения в 2000 раз лучше, чем ±50 мВ микросхемы LM.
Включение микросхем LM в цепь обратной связи этого операционного усилителя повышает точность выходного тока примерно в той же пропорции (но см. Дополнение).
Адаптация конструкции Джима Уильямса для регулятора тока
Джим Уильямс, известный своими аналоговыми разработками, опубликовал руководство по применению [4], в котором LM317 включается в цепь обратной связи регулятора напряжения на основе операционного усилителя LT1001. Ничто не мешает адаптировать эту идею к регулятору тока. Типовое произведение коэффициента усиления на полосу пропускания (GBW) усилителя LT1001 составляет 800 кГц, что почти равно 750 кГц у OPA186, поэтому проблем с устойчивостью не ожидается. Их и не было, когда схема LM317 тестировалась на стенде с операционным усилителем LM358 (с типовым значением GBW, равным 700 кГц), который был у меня под рукой.
Как и в случае с конструкциями, показанными на Рисунке 1, убедитесь, что микросхемы LM имеют радиатор, достаточный для обеспечения надежной работы. Включение микросхем в контур обратной связи не поможет, если сработает схема защиты от перегрева. Однако, пока предельная температура не превышена, эта схема повышает не только точность тока нагрузки, но и импедансы входных выводов, а также улучшает подавление шумов как источника питания, так и источника опорного напряжения LM.
Обратите внимание, что определенного уменьшения погрешности опорного напряжения можно добиться за счет некоторого увеличения рассеиваемой мощности, используя резисторы RSNS с меньшим сопротивлением. Можно также преобразовать схему в прецизионный стабилизатор напряжения, заменив цепочку из трех диодов резистором и переместив нагрузку между выводом OUT и выводом питания резистора RSNS.
Дополнение
В формуле для тока нагрузки отсутствует один член. В схеме на Рисунке 2 к току нагрузки добавляется неизвестная и неучтенная величина тока вывода ADJ.
Учитывая, что, согласно техническому описанию, минимальный рабочий ток LM и, следовательно, минимальный ток через нагрузку составляет 10 мА при 25 °C, максимальный ток вывода ADJ в 100 мкА – это пустяк. Тем не менее, могут быть приложения, где было бы желательно это учитывать. Возможное решение показано на Рисунке 3, хотя его испытаний я не проводил.
 |
|
| Рисунок 3. | Замена диодов, подключенных к выводам ADJ, на полевые транзисторы обеспечивает защиту микросхем LM при запуске. |
Полевые транзисторы '201 и '270 направляют токи выводов ADJ через резисторы RSNS, на которых они могут быть измерены и учтены как части токов, проходящих через нагрузку. Вместо полевых транзисторов можно было бы использовать более дешевые биполярные транзисторы (которые перенаправили бы почти все токи IADJ), но для этого потребовался бы дополнительный диод, подключенный последовательно с цепочкой из трех диодов.
Ссылки
- Stephen Woodward. Перекрестное соединение комплементарных источников тока для уменьшения ошибки саморазогрева
- Stephen Woodward. Источник отрицательного тока с ШИМ на входе и LM337 на выходе
- Stephen Woodward. Источник постоянного тока на основе регулятора LM317, программируемого ШИМ
- AN2 - Performance Enhancement Techniques for Three-Terminal Regulators
Купить OPA186 на РадиоЛоцман.Цены
