Стабилизатор напряжения LM4041 выдает себя за прецизионный источник тока

LM4041 существует уже более 20 лет. В течение десятилетий это классическое устройство, продававшееся в основном как прецизионный регулируемый параллельный регулятор, нашло применение и в альтернативных приложениях. К ним относятся компараторы напряжения, устройства защиты от перенапряжения, ограничители напряжения и т. д. Напряжение, напряжение, напряжение – всегда ли это должно быть напряжением? Это становится утомительным. Несомненно, эта популярная прецизионная микросхема, хотя и, надо признать, довольно – гм – «зрелая», должна обладать нераскрытым потенциалом для выполнения задач, которые не начинаются с напряжения.

В представленной на Рисунке 1 схеме регулятору 4041 предлагается, возможно, странная, а может быть, даже новая роль. Это прецизионный источник тока.

Рисунок 1.	Как ни странно, «КАТОД» служит в качестве измерительного вывода для активного регулирования источника тока.

Приведенная выше блок-схема показывает, как работает 4041 на концептуальном уровне.

Вытекающий ток равен

I_S > 0, V+ < 15 В, I_S < 20 мА.

Последовательное соединение вычитает напряжение внутреннего прецизионный опорного источника 1.24 В из внешнего входного напряжения на выводе КАТОД. Внутренний операционный усилитель вычитает входное напряжение V_C на выводе FB из этой разности, затем усиливает результат и подает на проходной транзистор. Если он положительный [(V+ – 1.24) > V_C], транзистор включается и шунтирует ток, идущий от КАТОДА к АНОДУ. В противном случае транзистор выключается.

Когда 4041 включен традиционным способом (вывод FB подключен к КАТОДУ, а АНОД заземлен), схема работает так, как и должен работать параллельный регулятор напряжения, поддерживая на КАТОДЕ напряжение внутреннего опорного источника 1.24 В. Но что произойдет, если вывод FB будет подключен к постоянному управляющему напряжению V_C < (V+ – 1.24 В), а КАТОД, вместо того, чтобы быть подключенным к FB, будет свободно висеть на токоизмерительном резисторе R1?

А произойдет то, что вместо напряжения будет регулироваться ток. Поскольку напряжение V_C фиксировано и не может быть увеличено, чтобы выполнить условие FB = КАТОД – 1.24 В, напряжение на КАТОДЕ должно быть уменьшено до значения, при котором будет достигнуто это равенство. Чтобы это произошло, должен проходить запрограммированный ток I_S, который равен

На Рисунке 2 показано, как можно использовать эту взаимосвязь (при условии, что напряжение шины 5 В достаточно точно), чтобы плавающий катод 4041 стабилизировал источник постоянного тока:

Он также иллюстрирует, как добавление бустерного транзистора Q1 может удовлетворить потребности приложений, требующих тока или мощности, выходящих за скромные пределы возможностей 4041. Обратите внимание, что точность 4041 не пострадает, поскольку, независимо от доли тока I_S, которая будет ответвляться в Q1, токи суммируются обратно перед входом в R1.

Рисунок 2.	Бустерный транзистор Q1 может выдерживать ток, намного превосходящий значения, ограниченные возможностями микросхемы 4041.

На Рисунке 3 показано, как можно реализовать цифровое линейное программирование тока I_S с помощью ШИМ.

Рисунок 3.	Схема, показывающая как ЦАП управляет током IS. IS = D ампер, где D – коэффициент заполнения ШИМ. Резисторы, отмеченные звездочкой, должны иметь точность 1% или лучше.

Входящий сигнал ШИМ 5 В, 10 кГц управляет транзистором Q2, который, коммутируя резистор R5, создает переменное среднее сопротивление, равное R5/D, где D – коэффициент заполнения импульсов ШИМ. Благодаря опорному напряжению 2.5 В микросхемы Z1 через сток Q1 течет ток от 0 до 1.22 мА. Он суммируется с постоянным током смещения 1.22 мА, идущим через резистор R4, и сдвигается по уровню транзистором Q1, чтобы получить управляющее напряжение V_C от 1.22 до 2.44 В для источника тока Z2.

Результатом является поступающий в заземленную нагрузку выходной ток I_S, линейно регулируемый в диапазоне от 0 до 1 А и численно равный значению D в амперах. Соответствующие напряжения составляют от 0 до 12 В. Для получения 8-битной точности используется фильтр пульсаций ШИМ 2-го порядка из статьи «Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием» [1].

Элементы R3C1 образуют первый каскад фильтра пульсаций, а R7C2 – второй. Приведенные значения емкости конденсаторов C1 и C2 подобраны для частоты ШИМ (F_PWM), равной 10 кГц, чтобы обеспечить время установления до 8-битной точности 6 мс. Если используется другая частота ШИМ, емкости обоих конденсаторов нужно масштабировать на величину 10 кГц/F_PWM.

Горячей темой является то, что транзистор Q4 может рассеивать более 10 Вт, поэтому не экономьте на площади радиатора.

Транзистор Q3 обеспечивает функцию безопасного отключения. Он запрещает управление затвором Q1, когда напряжение шины +5 В падает ниже примерно 3 В, отключая источник тока и защищая нагрузку при выключении питания логики контроллера.

Рисунок 4.	Дополнительные потенциометры регулировки нуля и диапазона позволяют выполнять однопроходную калибровку для достижения максимальной точности.

На Рисунке 4 добавлены потенциометры регулировки нуля и диапазона, позволяющие выполнять однопроходную калибровку для достижения максимальной точности:

1. При D = 0% однооборотным потенциометром НОЛЬ установите ноль выходного тока.
2. При D = 100% однооборотным потенциометром КАЛИБОВКА установите выходной ток 1 А.
3. Готово.

Ссылка

1. Stephen Woodward. Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices LM4041
2. Datasheet Diodes TL431
3. Datasheet Fairchild KSD1691
4. Datasheet Microchip TN0104