Верньерный ГСТ капельного типа на диапазон 10^-6…10^-11 А

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2018

Михаил Шустов, г. Томск

Приведены теоретические основы и практические схемы генераторов стабильного тока с возможностью плавного или ступенчатого регулирования тока в нагрузке от 1 мкА до 10 пА

Генератор стабильного тока (ГСТ) – электронная схема, предназначенная для обеспечения неизменного тока через нагрузку вне зависимости от ее сопротивления. Для выполнения этого условия последовательно с сопротивлением нагрузки R_Н включают сопротивление R_ГСТ, Рисунок 1, где R_ГСТ >> R_Н. При выполнении этого условия ток через нагрузку можно определить из выражения

или

где E – напряжение источника питания (внутренним сопротивлением источника питания пренебрегаем).

Рисунок 1.	Классическая схема простейшего генератора стабильного тока.

В качестве ГСТ используют как высокоомные резисторы, так и схемы более сложного построения с использованием полупроводниковых (транзисторы, микросхемы) и иных элементов [1, 2].

Общим недостатком ранее известных ГСТ является сложность регулировки стабилизированного тока через нагрузку, а также обеспечения ультрамалых токов через нее. Представленные ниже ГСТ содержат два новых технических решения, способных решить эту проблему. Первое – использование «капельного» механизма формирования тока ГСТ; второе – возможность верньерного расширения диапазона регулирования тока на 1–2 порядка.

Рисунок 2.	Принцип работы ГСТ капельного типа.

На Рисунке 2 проиллюстрирован принцип работы ГСТ капельного типа. В разрыв цепи R_ГСТ, R_Н включен ключевой элемент S₁, управляемый от генератора прямоугольных импульсов с плавно или дискретно регулируемым коэффициентом заполнения D (Duty cycle):

где

t – длительность;
T – период импульса.

В итоге ток через сопротивление нагрузки равен

В случае, если коэффициент заполнения регулируется дискретно с шагом 1%, ток нагрузки можно ступенчато менять в пределах двух порядков от 0.01 до 1.00 от I_ГСТ. Конденсатор С1 предназначен для сглаживания пульсаций тока в нагрузке, причем саму нагрузку во избежание броска разрядного тока через нее предпочтительнее включать, используя кнопку (переключатель) SA1.

На Рисунке 3 показана возможность более тонкого регулирования тока ГСТ капельного типа за счет использования электронного аналога верньера. Напомним, верньером называют механическое или электронное устройство, предназначенное для плавного или ступенчатого расширения диапазона регулирования или измерения прецизионных контрольно-измерительных и иных устройств.

Рисунок 3.	Принцип работы двухступенчатого верньерного ГСТ капельного типа.

Для реализации верньерной растяжки диапазона регулирования тока ГСТ в схему вводят второй коммутатор S2, включенный последовательно с первым S1, Рисунок 3. Частоты управляющих сигналов коммутаторов должны различаться в 10(100) раз, что обеспечит растяжку диапазона регулирования на 1(2) порядка. На выходах коммутаторов без использования сглаживающего конденсатора С1 будут наблюдаться пакеты импульсов, регулируемые по ширине как самих пакетов, так и вложенных внутри пакетов импульсов высокой частоты.

При условии, что коэффициенты заполнения управляющих импульсов D1 и D2 коммутаторов S1 и S2 регулируются, соответственно, в равных пределах от 0.01 до 1.00, ток через сопротивление нагрузки можно определить как

I = D1∙D2∙I_ГСТ = 0.0001…1.00∙I_ГСТ.

Практическая схема простейшего варианта ГСТ капельного типа изображена на Рисунке 4. В качестве генератора управляющих сигналов с плавно изменяемым коэффициентом заполнения от 0 до 100% может быть использован, например, генератор [3], питаемый напряжением 15 В.

Рисунок 4.	ГСТ капельного типа, обеспечивающий регулируемый ток в цепи нагрузки от 1 мкА до 10 нА.

На Рисунке 5 приведена практическая схема верньерного ГСТ капельного типа на диапазон токов нагрузки 10^–6…10^–11 А. В этом ГСТ использована еще одна новация: разветвитель токов, в котором 90% тока протекает по одной из ветвей разветвителя, а 10% – по цепи нагрузки. Сопротивление нагрузки в этом случае не должно превышать значения 0.01(R2+R3) или 6…7 кОм. Для ГСТ (Рисунок 4 и Рисунок 5, SA1 в положении ×1.0) сопротивление нагрузки не должно превышать 150 кОм, или не более 1% от номинала сопротивления R1.

Рисунок 5.	Верньерный ГСТ капельного типа, обеспечивающего регулируемый ток в цепи нагрузки от 1 мкА до 100 пА с возможностью ступенчатого понижения тока в нагрузке на порядок.

Поскольку переходные процессы коммутации и инерционность переключения ключей коммутаторов могут вносить искажения в работу ГСТ, слишком высокие частоты при проектировании ГСТ выбирать не следует.

Отметим, что в верньерном ГСТ капельного типа могут быть использованы дополнительные ступени деления тока на «капли» и их серии, а также многоветвенные разветвители токов. В качестве R_ГСТ можно использовать не только высокоомные резисторы, в том числе более высоких номиналов, но и иные двухполюсники – генераторы тока.

Литература

Материалы по теме