Меню

Как смоделировать источник тока

Источник тока управляемый Arduino

В данной публикации я расскажу о разработке программируемого источника тока. Данное устройство можно использовать как эквивалент нагрузки для тестирования и исследования химических источников тока (аккумуляторов, гальванических элементов и батарей на их основе), блоков питания напряжением до 18 вольт и током до 5 ампер. Кроме того, при подключении внешнего источника питания возможна зарядка аккумуляторных батарей и снятие вольт-амперных характеристик различных электронных компонентов, например выпрямительных диодов. Так как источник тока программируемый, то можно задавать любые алгоритмы работы с получением необходимых данных, что очень удобно при проведении различных прикладных исследований и экспериментов (например снятие разрядных и зарядных характеристик аккумуляторов с построением графиков). Да и само по себе устройство предоставляет широкое поле для экспериментов. О примерах применения устройства я расскажу в следующих публикациях, а сейчас остановлюсь на его описании.

1. Характеристики программируемого источника тока

  • два независимых канала стабильного тока (условно канал А и канал В);
  • общий радиатор охлаждения выходных транзисторов;
  • программно-управляемый (по температуре радиатора) вентилятор охлаждения;
  • закрепленный на радиаторе датчик температуры DS18B20;
  • возможность программного переключения тестируемого аккумулятора из режима разряда в режим заряда (только для канала А)
  • возможность подключения внешнего источника напряжения для реализации алгоритмов зарядки аккумуляторов (только для канала А);
  • два программно-управляемых светодиода для реализации необходимой индикации;
  • программно-управляемый зуммер для реализации звуковых оповещений;
  • возможность подключения встраиваемых ампервольтметров для оперативной индикации напряжения и тока;
  • возможность питания всего устройства от порта USB;
  • возможность подключения внешнего питания от 7 до 12 Вольт (рекомендуется для повышения точности измерений и лучшего охлаждения).
Наименование параметра Значение параметра
Максимальное напряжение тестируемых устройств, В Не более 18
Максимальная долговременная суммарная (по двум каналам) рассеиваемая мощность с использованием принудительного охлаждения, Вт* Не более 30
Диапазон устанавливаемого тока, А От 0,1 до 5
Время установки выходного тока, мс Не более 2
Минимальное напряжение тестируемого устройства при входном токе 1.0 А, при котором обеспечивается стабильность тока, В Не более 0.2
Минимальное напряжение тестируемого устройства при входном токе 4.7 А, при котором обеспечивается стабильность тока, В Не более 1

* что бы не превысить максимально-допустимую рассеиваемую мощность необходимо контролировать ток, напряжение и температуру радиатора. Например, при напряжении тестируемого устройства 10 вольт ток не может превышать 3 ампер, при условии, что второй канал не используется. Кроме того, при рассеиваемой мощности более 20 Вт необходимо использовать внешнее питание для увеличения производительности вентилятора охлаждения.

2. Описание принципиальной электрической схемы источника тока

Принципиальная электрическая схема устройства приведена ниже.

Принципиальная электрическая схема программируемого источника тока

Схему устройства можно условно разделить на две части: программируемое устройство управления из семейства Arduino и, непосредственно, разработанная схема, состоящая из силовой части, цепей измерения, коммутации и сигнализации.

2.1. Программируемая управляющая часть на базе Arduino

В качестве устройства управления была выбрана плата Arduino Nano. Выбор платы Arduino Nano обусловлен следующим: на плате установлен микроконтроллер ATmega328 со всей необходимой «обвязкой», имеется стабилизатор напряжения на 5 вольт и током нагрузки до 800 мА, что позволяет питать все устройство в целом от не стабилизированного источника питания напряжением до 12 вольт, имеется разъем USB и установлена микросхема-преобразователь USB-UART, что позволяет программировать и управлять устройством по одному USB кабелю, легкое и понятное программирование устройства с помощью Arduino IDE и наличие большого количества готовых библиотек. Кроме того, плата Arduino Nano имеет минимальные размеры, в некотором смысле ее можно считать даже гибридной микросхемой. Производительности данной платы с учетом используемого языка программирования для разрабатываемого устройства более чем достаточно. Забегая вперед скажу, что конструктивно на плате устройства предусмотрена установка платы Arduino Nano, но это не мешает подключать отдельными проводниками другие платы Arduino, подходящие по функционалу и имеющие достаточное количество необходимых выводов. Учитывая то, что конструктивно силовая и управляющая части устройства разделены и плата Arduino Nano устанавливается на плату источника тока как отдельное устройство, то можно исполнительную силовую часть представлять как некий шилд для платформы Arduino под названием «Управляемый источник тока для Arduino«.

2.2. Силовая часть источника тока

Силовая исполнительная часть устройства двухканальная (по сути мы имеем на одной плате два независимых источника стабильного тока — канал А и канал В) и выполнена на мощных полевых транзисторах IRL2203N, которые регулируют необходимый ток в выходной цепи. Тестируемое устройство, например аккумулятор, подключается к клеммам +Ubat и -Ubat. Стабильность тока при изменении напряжения на стоке достигается за счет использования операционного усилителя (ОУ) DA1. Рассмотрим канал А, регулирующим элементом тока в котором выступает транзистор VT4. На неинвертирующий вход (3) ОУ подается регулируемое напряжение Uрег, посредством которого устанавливается необходимый ток в выходной цепи источника тока. Установленное напряжение сравнивается операционным усилителем с напряжением на инвертирующем входе (2) ОУ, которое снимается с резистора R27. Резистор R27 является «датчиком» тока, протекающим через транзистор VT4 . При этом если падение напряжения на резисторе R27 превысит напряжение на неинвертирующем входе ОУ, то на выходе ОУ напряжение будет понижаться, что приведет к закрыванию транзистора VT4 и уменьшению тока через резистор R27 до тех пор, пока напряжение на резисторе не станет равным напряжению на неинвертирующем входе ОУ. Далее ОУ непрерывно будет изменять напряжение на затворе транзистора VT4 таким образом, что бы напряжение на резисторе R27 оставалось неизменным, что в свою очередь приведет к стабилизации тока через транзистор. Необходимый нам ток в выходной цепи устройства будет определяться следующим выражением: Iвых=Uрег/R27. Напряжение Uрег формируется микроконтроллером на плате Arduino Nano программным способом и корректируется цепями R13C3R15R16. Так как данный микроконтроллер не имеет аналоговых выходов, то изменение напряжения достигается за счет изменения скважности импульсов на выходе D10 платы и последующим выделением постоянной составляющей напряжения с помощью цепи R13C3. Путем изменения скважности импульсов с помощью соответствующей библиотеки для Arduino Nano можно получить и зменение напряжения на конденсаторе C3 от нуля и практически до уровня напряжения питания микроконтроллера (будем считать, что оно равно ровно 5 вольт). При этом, если подать на вход (3) ОУ напряжение 5 вольт, то получим ток в выходной цепи Iвых=Uрег/R27 =5/0,1= 50 ампер , что не входит в наши планы. Предельный ток устройства планировалось ограничить 5 амперами, значит максимальное напряжение на неинвертирующем входе ОУ и, соответственно, на резисторе R27 не должно превышать 0,5 вольт. Для этих целей используется резистивный делитель R15R16. Подстроечным резистором R16 производится калибровка выходного тока, т.е. с его помощью выставляется ток в выходной цепи в 5 ампер при максимальном напряжении, получаемом программно на конденсаторе C3. Благодаря использованию низкоомного резистора R27 и транзистора с низким сопротивлением Сток-Исток удалось достигнуть высокой стабильности тока при минимальном входном напряжении (см. характеристики выше). Резисторы R20,R22 и конденсатор C6 предотвращают самовозбуждение ОУ на высоких частотах. Несколько слов о типах элементов. Силовой транзистор выбран с низким управляемым напряжением из серии IRL так как вся схема питается напряжением 5 вольт. ОУ LMV358ID типа rail-to-rail, то-есть позволяет получить на выходе напряжение практически от нуля до напряжения питания, что в данном случае важно для управления полевым транзистором. Конденсатор C3 выбирался с достаточно стабильным диэлектриком X7R, так как изменение его емкости в больших пределах при различных дестабилизирующих факторах (нагрев, изменение постоянного напряжения) не желательно. Кстати, неплохая статья по этому поводу. Это все, что касается управляемой силовой части устройства.

2.3. Цепи измерения, коммутации и сигнализации

Реле К1 предназначено для переключения тестируемого аккумулятора из режима разрядки в режим зарядки (используется только в канале А). Реле управляется с вывода D12 платы Arduino Nano посредством транзистора VT3. Светодиод HL3 сигнализирует о включении реле. При использовании режима зарядки необходимо подключить внешний источник питания к клеммам +U и -U с напряжением, превышающим максимальное зарядное напряжение аккумулятора минимум на 1 вольт.

Вентилятор охлаждения управляется с вывода D6 платы Arduino Nano посредством транзистора VT2. При этом если устройство питается от внешнего источника питания, то на вентилятор подается именно это напряжение для увеличения скорости вращения, что позволяет рассеивать максимальную мощность, указанную в характеристиках устройства.

Так же на плате расположены два светодиода (HL1, HL2) и зуммер (HA1), которые могут использоваться на усмотрение пользователя для индикации различных режимов работы источника тока.

Цифровой датчик температуры DS18B20 закреплен на радиаторе и позволяет контролировать температуру последнего и программно задавать алгоритм включения вентилятора охлаждения.

Для измерения напряжения используются аналоговые входы A0, A1, A2 платы Arduino Nano. Так как предусмотрено измерение напряжения до 18 вольт, то для уменьшения напряжения используются соответствующие резистивные делители — R7R8, R9R10, R11R12.

Конденсаторы C1 и C2 обеспечивают устойчивость работы встроенного в плату Arduino Nano интегрального стабилизатора напряжения. Диод VD4 защищает устройство от случайной переполюсовки внешнего источника питания.

В конструкции источника тока предусмотрено подключение встраиваемых ампервольтметров. Подключаются они к клеммным колодкам XS2 и XS4 (для каждого канала свой отдельный прибор). На Али их продается великое множество. Я использовал такой:

На схеме на контактных колодках XS2 и XS4 обозначены цвета проводников указанного ампервольтметра. При использовании других приборов необходимо их подключать в соответствии с инструкцией.

3. Конструкция устройства

Для установки электронных компонентов источника тока была разработана печатная плата размерами 100х78 мм. Плата была разведена в программе Sprint Layout 5.0. Ниже на фото показана плата с установленными компонентами. Часть компонентов схемы установлено со стороны печатных проводников с обратной стороны платы. Транзисторы установлены на общем радиаторе через теплопроводящие прокладки НОМАКОН. Транзисторы находятся под радиатором в горизонтальном положении. Там же под радиатором закреплен датчик температуры DS18B20. Скачать файл платы в формате Sprint Layout 5.0 можно в конце статьи.

Источник



Как разработать прецизионный источник тока на операционных усилителях

В данной статье обсуждается схема источника тока, управляемого напряжением, для которой требуются всего два операционных усилителя и несколько резисторов.

В теории цепей источники напряжения и источники тока одинаково идеальны и одинаково просты в реализации. Вы просто рисуете круг, а затем добавляете знаки плюс и минус для напряжения или стрелку для тока. Теперь у вас есть элемент схемы, который генерирует заданное напряжение во всех условиях или обеспечивает заданный ток во всех условиях.

В реальной жизни источники не идеальны, и, кроме того, приблизиться к теоретическому источнику напряжения значительно проще, чем к теоретическому источнику тока. Источники напряжения бывают простыми, такими как аккумулятор, стабилитрон или резистивный делитель напряжения в сочетании с буфером.

Источники тока, напротив, обычно требуют некоторой продуманной схемы и большего внимания к деталям своей работы.

Архитектуры источников тока

Для создания источника тока существуют различные способы. Прежде чем мы рассмотрим схему с двумя операционными усилителями, давайте кратко рассмотрим некоторые другие варианты. Вы можете узнать обо всех них подробнее, кликнув на соответствующие ссылки.

Рисунок 1 Схема взята из технического описания LT3085 Рисунок 1 – Схема применения LT3085, взята из технического описания LT3085

Другой вариант – схема на основе усилителя, которую я обсуждал в предыдущей статье о том, как разработать простой, управляемый напряжением, двунаправленный источник тока. Схема на основе усилителя отдаленно напоминает схему с двумя операционными усилителями, но один из усилителей представляет собой не операционный усилитель, а измерительный (инструментальный усилитель).

Рисунок 2 – Схема источника тока, программируемого напряжением. взята из технического описания LT1102 Рисунок 2 – Схема источника тока, управляемого напряжением. взята из технического описания LT1102

Наконец, у нас есть источник тока Хауленда, который был тщательно проанализирован в статье, написанной доктором Серджио Франко.

Рисунок 3 Схема источника тока Хауленда Рисунок 3 – Схема источника тока Хауленда

Схема с двумя операционными усилителями

Я нашел эту схему, которая описывается как «прецизионный источник ток», в старой заметке к применению от Analog Devices. Она производит ток на двунаправленном выходе, прямо пропорциональный входному напряжению.

Ниже показана принципиальная схема:

Рисунок 4 Схема прецизионного источника тока Рисунок 4 – Схема прецизионного источника тока

В этой схеме мне нравятся несколько вещей. Во-первых, необходимы только два типа компонентов: операционные усилители и резисторы.

Во-вторых, используются операционные усилители одинаковой модели. В этой схеме используются два операционных усилителя, тогда как в источнике Хауленда используется только один. Но тот факт, что оба операционных усилителя могут быть одной модели, является преимуществом, потому что вы можете использовать микросхему с двумя операционными усилителями и тем самым минимизировать любые расходы (дополнительная стоимость и место на плате) для второго операционного усилителя.

В-третьих, четыре из пяти резисторов (R2, R3, R4, R5) могут иметь одинаковые номиналы, и тогда коэффициент усиления по отношению тока к напряжению регулируется только одним резистором (R1). Номинал R2–R5 не является критическим, и поэтому вы можете адаптировать схему к компонентам, которые у вас уже есть в лаборатории. Однако имейте в виду, что резисторы более высокой точности будут давать в результате более точный источник тока.

В-четвертых, входное напряжение дифференциальное. Это дает вам некоторую гибкость в том, как вы подаете управляющее напряжение, и это позволяет вам использовать возможности двунаправленного выхода тока схемы без необходимости генерировать управляющее напряжение, которое находится ниже уровня земли.

Основы работы источника тока с двумя операционными усилителями

Чтобы проанализировать источник тока на двух операционных усилителях, мы будем использовать его реализацию в LTspice.

Рисунок 5 Источник тока на двух операционных усилителях. Схема LTspice Рисунок 5 – Источник тока на двух операционных усилителях. Схема LTspice

Здесь я использую «идеальный однополюсный операционный усилитель» из LTspice. Сначала я попробовал это с OP-77, но симуляция не прошла должным образом. Возможно, возникла проблема с макромоделью OP-77, потому что у меня есть другая версия схемы, в которой используется операционный усилитель LT1001A, и она моделируется правильно.

Схемы источника постоянного тока обычно полагаются на некоторый тип обратной связи, который заставляет источник напряжения вырабатывать заданный ток независимо от сопротивления нагрузки (простой пример этого вы можете увидеть в управляемом напряжением светодиодном драйвере).

В источнике тока с двумя операционными усилителями U1 усиливает дифференциальное управляющее напряжение, а U2 сконфигурирован как повторитель напряжения, который измеряет напряжение на нагрузке и подает его обратно на входной каскад.

Показанная выше конфигурация источников напряжения создает дифференциальное входное напряжение, которое изменяется от +250 мВ до –250 мВ. Согласно уравнению, приведенному в примечании к применению, выходной ток должен изменяться от 2,5 мА до –2,5 мА, поскольку AV = 1 и R1 = 100 Ом, и это именно то, что мы наблюдаем:

Рисунок 6 Зависимость выходного тока от входного дифференциального напряжения Рисунок 6 – Зависимость выходного тока от входного дифференциального напряжения

Одна вещь, на которую вам нужно обратить внимание в этой схеме, – это выходное напряжение U1. Весь ток нагрузки исходит от U1. Если пренебречь очень небольшими токами, которые протекают через резистор обратной связи R4 и на неинвертирующий вход U2, напряжение на выходе U1 будет равно Iвых, умноженному на сумму сопротивления нагрузки и сопротивления R1.

Это напряжение может легко превысить то, что фактически может генерировать выходной каскад операционного усилителя, особенно если вы используете шины ±3 В или ±5 В, а не аналоговые напряжения питания ±12 В или ±15 В, которые, как я полагаю, раньше были более распространены.

Из-за этого ограничения я бы сказал, что источник тока с двумя операционными усилителями является подходящим выбором для приложений с низким сопротивлением нагрузки и/или небольшими выходными токами.

Заключение

Мы кратко рассмотрели схему двунаправленного источника тока, которая имеет разумные требования к перечню элементов и включает в себя входной каскад дифференциального управляющего напряжения. В следующей статье мы будем использовать LTspice для более подробного анализа производительности этой схемы.

Источник

Бурыкин Валерий

Жизнь в динамике

Генератор тока (источник тока). Различия и сходства стабилизаторов тока и напряжения.

Стабилизатор напряжения.


Рис. 1 Схема идеального источника напряжения.


Рис. 2 Функциональная схема реального источника напряжения.

Генератор тока.


Рис. 3 Функциональная схема идеального источника тока.


Рис. 4 Практические схемы простых генераторов тока на биполярных транзисторах.

Что нужно для расчёта источника тока.

Пример расчета простого генератора тока на биполярном транзисторе

Пример расчета:


Рис. 7 Генератор тока с внутренним источником напряжения.


Рис. 8 Генератор тока с дифференциальным усилителем.


Рис. 9 Регулируемый генератор тока.


Рис. 10 Функциональная схема стабилизатора напряжения.


Рис. 11 Простой источник опорного напряжения.


Рис. 12 Схема ИОН с повышенной стабильностью Uоп.


Рис. 13 Один из вариантов подключения датчиков к генератору тока.

10 response to «Генератор тока (источник тока). Различия и сходства стабилизаторов тока и напряжения.»

By: Александр Posted: 03.05.2020

Здравствуйте. Скажите,как посчитали: При Rбал. = 2 кОм и дельта Uпит. = 18 В, дельта Uоп. составит 0,53 В.

Динамическое сопротивление стабилитрона:
rст = 60 Ом (См. таблицу выше)

dI = dU/2кОм = 9мА
dUоп. = dI * rст. = 0.009 * 60 = 0.54 В
Простите на 0,01V ошибся. Но я считал навскидку.

By: АЛЕКС Posted: 16.01.2020

А во! — Вразумте дядько разницу между генератором тока и напряжения или как там ЭДС, а также, что подразумить глядя на батарейку — это источник тока и источник ЭДС, а где там вооще то есть напряжение и что мы в первую очередь можем определить и измерить.
Может это курица и яйцо ;))

То есть дядько Вам сейчас в своём ответе должен пересказать всю статью?
Там есть объяснение в чём разница.
А к чему Вы приплели здесь ЭДС. Это вообще овощ с другого огорода и к созданию электронных схем никакого отношения не имеет.
Если Вам это точно интересно то вот Вам ссылка: https://samelectrik.ru/chto-takoe-eds-obyasnenie-prostymi-slovami.html

By: triak Posted: 01.08.2020

нас в институте учили так — если внутреннее сопротивление источника близко к нулю, — это источник напряжения.
Если внутреннее сопротивление источника близко к бесконечности, — это источник тока.
Любая реальная батарейка, аккум или выход выпрямителя — где-то между.
Пока при снижении сопротивления нагрузки (т.е. увеличении нагрузки) напряжение на ней не падает (а только растёт ток через неё) — это она питается от хорошего источника напряжения.
Если при изменении величины нагрузки остаётся стабильным ток через неё (по при этом меняется напряжение, и ИСТОЧНИК НЕ ПЕРЕГРЕВАЕТСЯ и не сгорает) — она питается от хорошего источника тока

Ну так в статье как раз об этом и рассказано. Только вот в статье дано математическое обоснование всему этому и примеры расчетов.
Что касается батарейки, аккумуляторов, солнечных элементов, различных электрогенераторов без схем управления и т.д. и т.п., то они действительно находятся между генератором напряжения и генератором тока. Называются такие источники источниками ЭДС.

By: Алекс Posted: 15.01.2020

Упс:)
<>
— Из тогот, что Uстаб=Uбэ+Uэ и постоянном напряжением Uiсточ. МОЖНО сделать вывод:, — что повышая Rнагр ток проходящий через Rэ будет падать и ни о какой стабилизации тока нет и речи касательно самых первых примитивных схем. Источнику негде взять повышение напряжения соразмерно повышения Rнагр.

УПС:)
А Вы статью вообще читали в каком состоянии?
Ведь в ней об этом говорится и в расчётах это учитывается.
Да, есть граничные условия для напряжения питания и максимальной величины Rнагр.
При определённом Uпит. есть некоторый диапазон 0

By: Юрий Posted: 28.04.2019

Идеального генератор тока и напряжения в природе не существует.Все зависит он нагрузки, когда мы можем говорить об одном или о другом.Точнее об соотношении нагрузки и внутреннего сопротивления источника.То,что вы приводите в конце статьи- это перевод .Возможно даже машинный.Что же к этому придираться?

Я придираюсь к тем кто публикует такие переводы.
Или их также публикуют машины?

Но на самом деле если Вы наберёте в поиске запрос «генератор тока»
То таких, как Вы говорите «переводов» найдёте море, да практически
все результаты поиска будут из них состоять.

Источник

Как промоделировать работу двунаправленного источника тока, управляемого напряжением

Рассмотрим моделирование интересного источника тока, созданного на основе операционного усилителя и инструментального усилителя.

В данной статье исследуются работа и динамические характеристики источника тока, построенного на базе операционного усилителя и инструментального усилителя.

В предыдущей статье я представил интересную схему источника тока, которую нашел в старой заметке к применению Linear Tech. Как вы можете видеть на схеме ниже, инструментальный усилитель в петле обратной связи операционного усилителя заставляет выход операционного усилителя генерировать ток нагрузки, который не зависит от сопротивления нагрузки.

Рисунок 1 – Схема источника тока, программируемого напряжением. взята из технического описания LT1102 Рисунок 1 – Схема источника тока, управляемого напряжением

Данная схема обеспечивает высокую точность и хорошие динамические характеристики, а также обеспечивает приятную простую взаимосвязь между управляющим входным напряжением и генерируемым током нагрузки.

Прежде чем перейти к работе и динамическим характеристикам схемы, рассмотрим, как выглядит эта схема в LTspice.

Связанная информация

Для получения дополнительной справочной информации, ознакомьтесь со следующими ресурсами:

Реализация в LTspice

Моя версия этой схемы в LTspice показана ниже.

Рисунок 2 Схема источника тока в LTspice Рисунок 2 – Схема источника тока в LTspice

  • К счастью, LTspice включает макромодели тех компонентов, которые использовались в оригинальной схеме. Если вы хотите включить в эту схему другие усилители, я настоятельно рекомендую вам выбирать компоненты с имеющимися макромоделями. Моя интуиция подсказывает мне, что это такая схема, которую сначала следует смоделировать перед сборкой.
  • Как видите, выводы 2 и 7 LT1102 в настоящее время отключены. Это настраивает компонент для фиксированного коэффициента усиления 100, и результирующая передаточная функция будет Iнагр = Vупр/(R1×100). Если вы соедините вывод 2 с землей, а вывод 7 с выводом 8, коэффициент усиления LT1102 будет 10, и в этом случае передаточная функция станет Iнагр = Vупр/(R1×10).
  • Управляющее напряжение, показанное на схеме выше, представляет собой линейно изменяющееся напряжение от –5 В до +5 В за период 100 мс. Это управляющее напряжение будет использоваться для демонстрации низкочастотных характеристик схемы.

Низкочастотный режим

На графике ниже показано, как источник тока реагирует на медленно меняющееся входное напряжение. Как и ожидалось, ток нагрузки линейно увеличивается от –5 мА до +5 мА.

Рисунок 3 Зависимость выходного тока от входного напряжения Рисунок 3 – Зависимость выходного тока от входного напряжения

Мы можем оценить низкочастотную точность схемы, применив математическую передаточную функцию к управляющему напряжению, а затем построив график разницы между теоретическим выходным током и смоделированным выходным током.

Рисунок 4 Разница между теоретическим выходным током и смоделированным выходным током Рисунок 4 – Разница между теоретическим выходным током и смоделированным выходным током

Таким образом, мы наблюдаем ошибку примерно 45 мкВ с незначительным изменением в диапазоне входного напряжения от –5 В до +5 В. Мне это кажется неплохо, учитывая различные неидеальности, которые присутствуют в двух усилителях (хотя я не знаю, как именно эти неидеальности включены в макромодели).

Однако эта ошибка предполагает, что R1 составляет ровно 10 Ом. Поскольку R1 (вместе с коэффициентом усиления инструментального усилителя) определяет коэффициент пропорциональности между управляющим напряжением и выходным током, вы должны использовать резистор с очень низким допуском, если хотите, чтобы реальная передаточная функция повторяла теоретическую передаточную функцию. С другой стороны, если это одноразовый проект, прототип или что-то подобное, вы можете просто измерить сопротивление R1 и затем сгенерировать управляющее напряжение на основе измеренного значения сопротивления вместо идеального значения.

Я провел еще несколько моделирований с разными значениями сопротивления нагрузки, и общая тенденция состоит в том, что по мере увеличения сопротивления нагрузки ошибка уменьшается. Например, ошибка при Rнагр = 600 Ом составляет примерно 19 мкВ.

Динамические характеристики

Данный источник тока основан на отрицательной обратной связи, которая по своей сути включает некоторую задержку, связанную с установлением режима, а усилители имеют ограничения по полосе пропускания и скорости нарастания. Следовательно, не следует ожидать, что эта схема будет переводить быстрые изменения входного напряжения в столь же быстрые изменения выходного тока.

Однако, учитывая все обстоятельства, выход имеет хорошую способность воспроизводить резкие изменения управляющего напряжения, и также важно отметить, что эти резкие изменения не создают возбуждения схемы.

Чтобы смоделировать динамический отклик, я изменил источник напряжения на импульсный, который изменяется от 0 В до 5 В с временем нарастания/спада 1 мкс. Ниже показан входной сигнал вместе с результирующим сигналом выходного тока.

Рисунок 5 Динамические характеристики при Rнагр = 600 Ом Рисунок 5 – Динамические характеристики при Rнагр = 600 Ом

В примечании к применению Linear Tech динамический отклик этой схемы описывается как «хорошо контролируемый», и я согласен. Выходной ток увеличивается и уменьшается равномерно, а крутизна 0,65 мА/мкс не вызывает претензий. Нет «звона» на переднем или заднем фронте, а амплитуда выбросов очень мала.

Одна интересная деталь, которую я заметил, показана на следующем графике. После спада выходному току требуется (относительно) много времени, чтобы вернуться к ожидаемому значению 0 мА.

Рисунок 6 Поведение при восстановлении при C = 0,05 мкФ Рисунок 6 – Поведение при восстановлении при C = 0,05 мкФ

Вы можете сократить это время восстановления, уменьшив емкость конденсатора, но это приведет к менее «управляемой» переходной характеристике:

Рисунок 7 Поведение при восстановлении при C = 0,005 мкФ Рисунок 7 – Поведение при восстановлении при C = 0,005 мкФ

Заключение

С помощью LTspice мы собрали некоторую полезную информацию о характеристиках «источника тока Джима Уильямса» (как объяснялось в предыдущей статье, это не официальное название, но оно более привлекательно, чем название, используемое в приложении к применинию – «Программируемый напряжением, источник тока с опорной точкой на земле», ориг. «Voltage Programmable, Ground Referred Current Source»).

Было бы интересно посмотреть, как эта схема работает с более «современными» усилителями. Если вы проводите моделирование или стендовое тестирование с отличающейся реализацией, не стесняйтесь делиться своими мыслями и опытом в комментариях ниже.

Источник

Читайте также:  Источник тока сторонние силы приводят в движение