Управляемый ШИМ источник тока 1 А/20 В со следящим предварительным регулятором

Эта схема повторяет другую, описанную в статье «Источник тока 1 А/20 В, управляемый ШИМ» [1]. Как и в предыдущей схеме, для создания программируемого источника тока 1 А/20 В в этой конструкции объединены регулируемый стабилизатор LM3x7 и ШИМ-ЦАП. В этом проверенным временем шедевре Боба Пиза используются точный внутренний источник опорного напряжения, а также функции защиты от перегрузок и перегрева.

Однако в отличие от предыдущего варианта, которому требовался плавающий сетевой адаптер 24 В, в этом сиквеле используется привязанный к земле повышающий предварительный регулятор, который может работать от стабилизированной или нестабилизированной шины питания 5 В. Предыдущая линейная конструкция имеет плохой КПД, который при управлении низковольтными нагрузками фактически падает до единиц процентов. В данной версии пререгулятор исправляет это, отслеживая разность входного и выходного напряжения на LM3x7 и поддерживая ее на постоянном уровне 3 В. Это обеспечивает достаточный запас напряжения, падающего на LM3x7, одновременно минимизируя потери мощности и излишнее тепловыделение.

Вот как это работает. Поклонники LM317 узнают на Рисунке 1 традиционную топологию источника постоянного тока на микросхеме LM317, которая поддерживает ток I_OUT = V_ADJ/R_S, заставляя напряжение на выводе ADJ быть на 1.25 В более отрицательным (или менее положительным), чем на выводе OUT. Он отлично работал на протяжении 50 лет, но, конечно, единственный способ изменить I_OUT – это изменить R.

Рисунок 1.	Классический источник постоянного тока на микросхеме LM317, где IOUT = VADJ/RS = 1.25 В/RS.

На Рисунке 2 показан другой (более простой) способ сделать ток I_OUT программируемым. Схема позволяет управлять амперными токами I_OUT с помощью всего лишь нескольких миллиампер управляющего тока I_C.

Рисунок 2.	Модификация, которая делает ток источника регулируемым: IOUT = (VADJ – ICRC)/RS – IC.

На Рисунке 3 показана конкретизация этой идеи и ее практическое воплощение. Обратите внимание, что R_S = R4 и R_C = R5.

Рисунок 3.	Источник тока U2 программируется ШИМ-ЦАП на микросхеме U1 и питается от следящего пререгулятора U3.

Ток управления IC на Рисунке 2 обеспечивается комплементарной парой транзисторов Q2, Q3. Поскольку Q3 обеспечивает компенсацию температурного коэффициента транзистора Q2, он должен находиться в плотном тепловом контакте со своим партнером. Q4 выполняет некоторую компенсацию нелинейности, отчасти корректируя кривизну формируемого тока управления микросхемой Q2. Цепочка из трех последовательных диодов 1N4001 создает смещение для транзисторов Q2 и Q4.

Предполагается, что входная частота ШИМ составляет 10 кГц или около того. Назначением конденсаторов C1 и C2 является фильтрация пульсаций, в чем некоторую дополнительную помощь оказывает прием аналогового вычитания, впервые описанный в статье «Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием» [2].

Что касается следящего предварительного регулятора: управление микросхемой U3 для поддержания запаса в 3 В, необходимого для защиты U2 от потери регулирования, основано на транзисторе Q1, действующем как простой дифференциальный усилитель. Транзистор Q1 управляет выводом обратной связи FB микросхемы U3, поддерживая на нем напряжение V_FB = 1.245 В. Следовательно (если V_BE – напряжение смещения база-эмиттер транзистора Q1, обычно равное примерно 0.6 В при токе эмиттера порядка 500 мкА)

где

U2_IN – напряжение на выводе IN микросхемы U2,
U2_OUT – напряжение на выводе OUT микросхемы U2.

Обратите внимание: если вы хотите использовать эту схему с другим предварительным регулятором и другим V_FB, просто настройте:

Наконец, замечание о перенапряжении. Источники тока способны (без каламбура!) поднять выходное напряжение до разрушительного уровня (разрушительного для внутреннего коммутатора U3 и последующих схем), если лишить их соответствующей нагрузки. Резисторы R11 и R12 защищают от этого, используя встроенную цепь защиты от повышенного напряжения микросхемы U3, которая в случае потери нагрузки ограничивает максимальное напряжение холостого хода примерно до 30 В.

Ссылки

1. Stephen Woodward. Источник тока 1 А/20 В, управляемый ШИМ
2. Stephen Woodward. Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием

Материалы по теме

1. Datasheet Fairchild LM317
2. Datasheet Microchip MIC2253
3. Datasheet Texas Instruments SN74AC04
4. Datasheet ON Semiconductor 2N4401
5. Datasheet ON Semiconductor 2N4403
6. Datasheet Vishay SSA24-E3/61T