Меню

Управление током с помощью напряжения

Принципы управления тиристорами и симисторами

Начнем с простейших схем. В простейшем случае, для управления тиристором достаточно кратковременно подать постоянный ток определенной величины на его управляющий электрод. Схематически механизм подачи этого тока можно показать, изобразив ключ, который замыкается и подает питание, подобно выходному каскаду микросхемы или транзистору.

Это простой с виду способ, однако мощность управляющего сигнала требуется здесь немалая. Так, в нормальных условиях для симистора КУ208 этот ток должен составлять минимум 160 мА, а для тринистора КУ201 — быть не менее 70 мА. Таким образом, для напряжения 12 вольт и при среднем токе, скажем, в 115 мА, мощность управления уже составит 1,4 Вт.

Тиристор КУ202

Требования к полярности управляющего сигнала таковы: тринистору требуется положительное относительно катода управляющее напряжение, а симистору (симметричному тиристору) — такое же по полярности, как в текущий момент на аноде, либо отрицательное для каждого из полупериодов.

Управляющий электрод симистора не шунтируют, тринистора — шунтируют резистором на 51 Ом. Современные тиристоры требуют все меньше управляющего тока, и очень часто можно встретить схемы, где ток управления тринисторами снижен до примерно 24 мА, а у симисторов — до 50 мА.

Может случиться так, что оголтелое снижение тока в цепи управления скажется на надежности работы прибора, поэтому тиристоры разработчикам порой приходится подбирать индивидуально для каждой схемы. В противном случае, для открытия тиристора малым током, напряжение на его аноде должно будет быть в этот момент велико, что приведет к вредному броску тока и к помехам.

Схема управления тиристором

Подключение симистора

Недостаток управления по описанной выше простейшей схеме — налицо: присутствует постоянная гальваническая связь цепи управления с силовой цепью. Симисторы в некоторых схемах допускают присоединение одного из выводов цепи управления — к нулевому проводу. Тринисторы же допускают такое решение лишь с добавлением к цепи нагрузки диодного моста.

В итоге мощность, подаваемая на нагрузку, снижается двукратно, поскольку напряжение к нагрузке подается лишь в один из периодов сетевой синусоиды. На практике имеем то, что схемы с управлением тиристорами постоянным током без гальванической развязки узлов почти не используются, за исключением случаев, где управление по какой-то веской причине необходимо реализовать именно так.

Управление тиристором

Управление симистором

Распространенное решение для управления тиристором — когда на управляющий электрод напряжение подается прямо с анода через резистор путем замыкания ключа на несколько микросекунд. Ключом здесь может выступать высоковольтный биполярный транзистор, маленькое реле или фотосимистор.

Такой подход приемлем при относительно высоком напряжении на аноде, он удобен и прост, даже если нагрузка содержит реактивную составляющую. Но есть и недостаток: неоднозначные требования к токоограничительному резистору, который должен быть по номиналу небольшим, чтобы включение тиристора происходило ближе к началу полупериода синусоиды, однако при первом включении не при нулевом напряжении сети (в отсутствие синхронизации), на него может прийти и 310 вольт, а ведь ток через ключ и через управляющий электрод тиристора не должен превысить максимально допустимых для них величин.

Сам тиристор откроется ни напряжении Uоткр = Iоткр*Rогр. В итоге возникнут помехи, а напряжение на нагрузке немного уменьшится. Расчетное сопротивление резистора Rогр уменьшают на величину сопротивления цепи нагрузки (включая индуктивную ее составляющую), которая оказывается соединена последовательно с резистором в момент включения.

Но в случае с нагревательными приборами в расчет принимают тот факт, что в холодном состоянии их сопротивление десятикратно меньше чем в рабочем разогретом. Кстати, в силу того, что у симисторов ток включения по положительной и отрицательной полуволнам может чуть-чуть отличаться, на нагрузке может появиться небольшая постоянная составляющая.

Тиристоры

Время включения тринисторов обычно составляет не более 10 мкс, поэтому для экономичного управления мощностью нагрузки можно подавать последовательность импульсов со скважностью 5, 10 или 20 для частот 20, 10 и 5 кГц соответственно. Мощность будет уменьшаться в от 5 до 20 раз.

Недостаток таков: тиристор может включиться и не в начале полупериода. Это чревато бросками тока и помехами. И еще, даже если включение происходит точно перед началом нарастания напряжения от нуля, в этот момент ток управляющего электрода может не достичь еще величины удержания, тогда тиристор выключится сразу по окончании импульса.

В итоге, тиристор будет сначала включаться и выключаться на короткие интервалы, пока наконец ток не примет синусоидальную форму. Для нагрузок с индуктивной составляющей ток может не достичь величины удержания, что накладывает ограничение снизу на длительность управляющих импульсов, и затраты мощности особо не снизятся.

Развязку управляющей схемы от сети обеспечивает так называемый импульсный запуск, который можно легко сделать прибегнув к установке маленького развязывающего трансформатора на ферритовом колечке диаметром менее 2 см. Важно, что напряжение изоляции такого трансформатора должно быть высоким, а не просто как в любом импульсном трансформаторе промышленного производства.

Схема управления тиристором

Управление симистором

Чтобы действительно существенно понизить требуемую на управление мощность, придется прибегнуть к более точному управлению. Ток управляющего электрода необходимо выключать именно в момент включения тиристора. Когда ключ замыкается, тиристор включается, а когда тиристор начал проводить ток, микросхема прекращает подачу тока через управляющий электрод.

Такой подход действительно экономит энергию на управление тиристором. Если в момент замыкания ключа напряжение на аноде еще не достаточное, тиристор не будет открыт микросхемой (напряжение должно стать немного больше половины напряжения питания микросхемы). Напряжение включения регулируется подбором резисторов делителя.

Для управления подобным образом симистором, необходимо отслеживать и полярность, поэтому в схему добавляется блок из пары транзисторов и трех резисторов, фиксирующий момент прохождения напряжения через ноль. Более сложные схемы находятся за рамками данной статьи.

Источник



Управление тиристором, принцип действия

Тиристор — устройство, обладающее свойствами полупроводника, в основе конструкции которого лежит монокристаллический полупроводник, имеющий три или больше p-n-переходов.

Его работа подразумевает наличие двух стабильных фаз:

  • «закрытая» (уровень проводимости низкий);
  • «открытая» (уровень проводимости высоки).

Тиристоры — устройства, выполняющие функции силовых электронных ключей. Другое их наименование — однооперационные тиристоры. Данный прибор позволяет осуществлять регуляцию воздействия мощных нагрузок посредством незначительных импульсов.

Согласно вольт-амперной характеристике тиристора, увеличение силы тока в нём будет провоцировать снижение напряжения, то есть появится отрицательное дифференциальное сопротивление.

Кроме того, эти полупроводниковые устройства могут объединять цепи с напряжением до 5000 Вольт и силой тока до 5000 Ампер (при частоте не более 1000 Гц).

Тиристоры с двумя и тремя выводами пригодны для работы как с постоянным, так и с переменным током. Наиболее часто принцип их действия сравнивается с работой ректификационного диода и считается, что они являются полноценным аналогом выпрямителя, в некотором смысле даже более эффективным.

Разновидности тиристоров отличаются между собой:

  • Способом управления.
  • Проводимостью (односторонняя или двусторонняя).

Общие принципы тиристорного управления

В структуре тиристора имеется 4 полупроводниковых слоя в последовательном соединении (p-n-p-n). Контакт, подведённый к наружному p-слою — анод, к наружному n-слою — катод. Как результат, при стандартной сборке в тиристоре максимально может быть два управляющих электрода, которые крепятся к внутренним слоям. Соответственно подключённому слою проводники, по типу управления устройства делятся на катодные и анодные. Чаще используется первая разновидность.

Ток в тиристорах течёт в сторону катода (от анода), поэтому соединение с источником тока осуществляет между анодом и плюсовым зажимом, а также между катодом и минусовым зажимом.

Тиристоры с управляющим электродом могут быть:

  • Запираемыми;
  • Незапираемыми.

Показательным свойством незапираемых приборов является отсутствие у них реакции на сигнал с управляющего электрода. Единственный способ закрыть их — снизить уровень протекающего сквозь них тока так, чтобы он уступал силе тока удержания.

Читайте также:  Моторчик печки потребление тока

Управляя тиристором следует учитывать некоторые моменты. Устройство данного типа сменяет фазы работы с «выключен» на «включён» и обратно скачкообразно и только при условии внешнего воздействия: при помощи тока (манипуляции с напряжением) или фотонов (в случаях с фототиристором).

Чтобы разобраться в данном моменте необходимо помнить, что у тиристора преимущественно имеется 3 вывода (тринистор): анод, катод и управляющий электрод.

upravlenie-tiristorom

Уэ (управляющий электрод) как раз таки и отвечает за то, чтобы включать и выключать тиристор. Открытие тиристора происходит при условии, что приложенное напряжение между А (анодом) и К (катодом) становится равным или превосходит объём напряжения работы тринистора. Правда, во втором случае потребуется воздействие импульса положительной полярности между Уэ и К.

При постоянной подаче питающего напряжения тиристор может быть открыт бесконечно долго.

Чтобы перевести его в закрытое состояние, можно:

  • Снизить уровень напряжения между А и К до нуля;
  • Понизить значение А-тока таким образом, чтобы показатели силы тока удержания оказались больше;
  • Если работа цепи построена на действии переменного тока, выключение прибора произойдёт без постороннего вмешательства, когда уровень тока сам снизится до нулевого показания;
  • Подать запирающее напряжение на Уэ (актуально только в отношении запираемых разновидностей полупроводниковых устройств).

Состояние закрытости тоже длится бесконечно долго, пока не возникнет запускающий импульс.

Конкретные способы тиристорного управления

  • Амплитудный .

Представляет собой подачу положительного напряжения изменяющейся величины на Уэ. Открытие тиристора происходит, когда величины напряжения довольно, чтобы пробиться через управляющий переход тока спрямления (Iспр.). При помощи изменения величины напряжения на Уэ, появляется возможность изменения времени открытия тиристора.

Главный недочёт этого метода — сильное влияние температурного фактора. Кроме того, для каждой разновидности тиристора потребуется резистор другого вида. Этот момент не добавляет удобства в эксплуатации. Помимо этого время открытия тиристора возможно корректировать лишь пока длится первая 1/2 положительного полупериода сети.

  • Фазовый.

upravlenie-tiristorom

Заключается в смене фазы Uупр (в соотношении с напряжением на аноде). При этом применяется фазовращательный мост. Главный минус — малая крутизна Uупр, поэтому стабилизировать момент открытия тиристора можно лишь ненадолго.

  • Фазово-импульсный .

Рассчитан на преодоление недостатков фазового метода. С этой целью на Уэ подаётся импульс напряжения с крутым фронтом. Данный подход в настоящее время наиболее распространён.

Тиристоры и безопасность

Из-за импульсности своего действия и наличия обратного восстановительного тока тиристоры очень сильно повышает риск перенапряжения в работе прибора. Помимо этого опасность перенапряжения в зоне полупроводника высока, если в других частях цепи напряжения нет вовсе.

Поэтому во избежание негативных последствий принято использовать схемы ЦФТП. Они препятствуют появлению и удержанию критический значений напряжения.

upravlenie-tiristorom

Двухтранзисторная модель тиристора

Из двух транзисторов вполне можно собрать динистор (тиристор с двумя выводами) или тринистор (тиристор с тремя выводами). Для этого один из них должен иметь p-n-p-проводимость, другой — n-p-n-проводимость. Выполнены транзисторы могут быть как из кремния, так и из германия.

Соединение между ними осуществляется по двум каналам:

  • Анод от 2-го транзистора + Управляющий электрод от 1-го транзистора;
  • Катод от 1-го транзистора + Управляющий электрод от 2-го транзистора.

Если обойтись без использования управляющих электродов, то на выходе получится динистор.

Совместимость выбранных транзисторов определяется по одинаковому объёму мощности. При этом показания тока и напряжения должны быть обязательно больше требуемых для нормального функционирования прибора. Данные по напряжению пробоя и току удержания зависят от конкретных качеств использованных транзисторов.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Похожее

Обзор светодиодного оборудования

impulsnyj-diod

Что такое импульсный диод? Импульсные блоки питания

Какие системы видеонаблюдения лучше всего?

6 thoughts on “ Управление тиристором, принцип действия ”

Здравствуйте.
Очень полезная и интересная статья!
Спасибо Вам за эту информацию.

Еще,например, существует в природе редкий КУ112В с полевым транзистором на управляющем электроде, который закрывается только при приложении обратного напряжения (например, на отрицательном полупериоде на аноде). Прерывание тока через такой тиристор ничего не дает, он остается открытым. Запереть отрицательным напряжением на управляющем электроде так же невозможно, производитель об этом позаботился, непонятно зачем.

Идея написать статью положительная. Ноесли сказал А, то надо бы говорить и Б.
Для амплитудного и фазово-импульсного метода управления надо показать схемы этих методов.
Тиристоры и безопасность.
«…схемы ЦФТП…». КПСС знаю, ВЛКСМ знаю, СССР знаю, РФ знаю, ЕГЭ знаю, ЦФТП… не знаю)))
Не надо лениться в скобочках давать расшифровку сокращениям и аббревиатурам. Или сразу писать выражение полностью и каждое слово с большой буквы. Коммунистическая Партия Советского Союза.
Двухтранзисторная модель тиристора. По словесному описанию такой тиристор собрать и даже представить невозможно. А раз так, то теряется вообще весь смысл этого словесного описания. Да и в самом описании «данные по напряжению пробоя и току удержания зависят» не только «от конкретных качеств использованных транзисторов», но и от обвязки транзисторов.
«…Помимо этого время открытия тиристора возможно корректировать лишь пока длится первая 1/2 положительного полупериода сети…» — это как?
«…Первая 1/2 положительного полупериода сети»))). А почему нельзя корректировать время открытия во второй половине положительного полупериода? Что этому мешает? Зачем же вводить пользователей в заблуждение?
Очень похоже на то, что статью писал человек, учившийся в современной системе образования ЕГЭ, и статья куплена на какой-то торговой площадке статей, на рынке или базаре и даже не проверены грамматические опечатки. Не говоря уже о смысловой стороне дела.
Мало того, что современное правительство оболванивает народ своей системой образования ЕГЭ, так и сам народ оболванивает себя между собой собой своей собственной безграмотностью и необразованностью.

Здравствуйте. Спасибо за то, что читаете нас. Хорошо написали комментарий, может быть и статьи пишете?

В дополнение. И сам сайт создан безграмотно. На грамотно созданном сайте комментатору даётся возможность предварительного просмотра своего комментария с целью дать возможность устранить опечатки. Или что-то изменить. А тут ничего такого. При этом возможность модерации владельцем сайта и удаления негативных комментариев есть)))

Источник

Arduino.ru

Как сделать управление силой тока через ШИМ?

CollSpack аватар

Очень важно иметь токовое управление. Разрабатываемый прибор имеет повышенное требование к уровню пульсаций и при минимальном значении ШИМ сильно падает КПД устройства.

Для примера, проблема четко заметна если подключить куллер. При максимальном значении ШИМ — работает отлично, а при снижении периода пульсации начинает сильно пищать на частоте работы ШИМ (на слух около 500 Гц).

Каким образом сделать управление силой тока через ШИМ от Ардуино?

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

Намного более дельные советы вы получите, если будете обсуждать не сферическую ардуину в вакууме, а конкретную конструкцию.

Так например проблемы с писком комповых кулеров примитивно решаются сглаживающим электролитом, подключенным параллельно питанию кулера.

Ну а если нужно именно управление током, то логика такова — собираете классический иточник тока на одном транзисторе и в качестве порного источника используете не стабилитрон, а например конденсатор, через токоограничительный резюк подключенный к ШИМ-выходу Дуни.

Ну а подробнее говорить сложно, пока не понятно, что именно вам надо..

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

А может просто увеличить частоту ШИМ ? Например, есть библиотека https://code.google.com/p/arduino-pwm-frequency-library/downloads/list — одна из многих, позволяющих менять частоту.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

А может просто увеличить частоту ШИМ ?

— Товарищ Сталин, выявлен человек, как две капли воды похожий на вас.

Читайте также:  Двигатель постоянного тока электромагнитная полезная мощность

— Есть, товарищ Сталин!! Будет исполнено!!

[после небольшой паузы]

— Товарищ Сталин, а может его просто побрить?

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

Тогда, логичнее всего не током играться, а именно что сглаживать пульсации.. Вариантов для этого множество.

Возможно придется ограничить программно нижние пределы регулирования, если на практике они окажутся малоэффективными.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

Во первых, давайте на забывать про инерционность, тепловые системы как правило достаточно инерционны.

Во вторых, что значит «нельзя так» ? Если элемент Пельтье в каком то диапазоне (неважно напряжений или ШИМ) перестает отбирать тепловую энергию, тоесть попросу говоря не работает, то этот диапазон полюбому нельзя использовать= ограничить программно, чтоб неэффективные значения были невозможны.

А минимальноые рабочие значения устанавливаются как минимальные возможные. Что тут невозможного?

Что означает «вопрос еще актуален»? Вы хотите по прежнему рулить источником тока? Вы хотите преобразовывать ШИМ в пост. напряжение на элементе (уменьшать пульсации)? Сформулируйте ваше ТЗ)))

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

CollSpack аватар

И так всегда. Нужно не минимизировать влияние проблемы, а устранить ее в корне. Я получу вывих головного мозга если начну обьяснять принцип по котором работает мой прибор. У меня задача — это выжать максимум КПД с Пельтье.
Как можно максимально сгладить пульсации?
В идеале нужно сделать токовое управление. Подскажите плз!

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

Простой регулятор тока через нагрузку с управлением от МК (посредством ШИМ-сигнала) можно выполнить по такой схеме:

Элементы C1, C2, R3, R4 превращают ШИМ-сигнал в постоянное напряжение, пропорциональное коэффициенту заполнения. Так получается опорное напряжение для этой схемы. Резистор R3 является измерительным и схема всегда будет стремиться выравнять напряжение падения на нем с тем самым опорным напряжением, которое получается из ШИМ-сигнала. От величины R3 будет зависеть, какой максимальный ток сможет течь через нагрузку при 100% заполнении управляющего ШИМ-сигнала. Например, при значении резстора 0.68 ом, изменяя коэффициент заполнения ШИМ-сигнала от 0 до 100% можно будет регулировать ток через нагрузку от 0 до 7.35А.

Операционник указанный на схеме имеет отвратительное свойство возбуждаться при работе на емкостную нагрузку. Емкостной нагрузкой здесь является затвор полевика. Чтобы задавить паразитные колебания, в схему ведены корректирующие элементы R1, R2 и C3.

Регулятор не является быстродействующим. Скорость реакции (время с момента изменения коэфф. заполнения до установки нового значения тока через нагрузку) составляет 100..200 миллисекунд.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

а DC-DC step с управлением не прокатит? низкоомный сопрот в обратную связь (с ОУ ест-нно). из ШИМа аналог сделать. ну почти верхняя схема, тока КПД надеюсь повыше и требования к входному пониже, в смысле диаппазон шире (чтоб на транзисторе не рассеивать)

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

просто убрать ШИМ 🙂 и превратить его в ЦАП

Элементы C1, C2, R3, R4 превращают ШИМ-сигнал в постоянное напряжение, пропорциональное коэффициенту заполнения. Так получается опорное напряжение для этой схемы.

и подать на схему упралени пельтье. готвых в гугле должно быть море с подробным описанием — как вариант.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

Почти третий порядок по фильтрации, схема действительно отличная. Но мне, ИМХО, всегда жалко выходной транзистор 🙂 ему нужен будет карлсон, Пельтье всегда покушать любят. А чтобы меньше кушали, нужен источник питания (без пульсаций) с минимальным достаточным напряжением.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

без осциллографа не стоит и начинать ИМХО

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

без осциллографа не стоит и начинать ИМХО

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

CollSpack аватар

Простой регулятор тока через нагрузку с управлением от МК (посредством ШИМ-сигнала) можно выполнить по такой схеме:

Элементы C1, C2, R3, R4 превращают ШИМ-сигнал в постоянное напряжение, пропорциональное коэффициенту заполнения. Так получается опорное напряжение для этой схемы. Резистор R3 является измерительным и схема всегда будет стремиться выравнять напряжение падения на нем с тем самым опорным напряжением, которое получается из ШИМ-сигнала. От величины R3 будет зависеть, какой максимальный ток сможет течь через нагрузку при 100% заполнении управляющего ШИМ-сигнала. Например, при значении резстора 0.68 ом, изменяя коэффициент заполнения ШИМ-сигнала от 0 до 100% можно будет регулировать ток через нагрузку от 0 до 7.35А.

Операционник указанный на схеме имеет отвратительное свойство возбуждаться при работе на емкостную нагрузку. Емкостной нагрузкой здесь является затвор полевика. Чтобы задавить паразитные колебания, в схему ведены корректирующие элементы R1, R2 и C3.

Регулятор не является быстродействующим. Скорость реакции (время с момента изменения коэфф. заполнения до установки нового значения тока через нагрузку) составляет 100..200 миллисекунд.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

Ссылка на даташит, там нужно поднимать напряжение затвора ( Fig.7. Typical transfer characteristics ) 5 вольт ему маловато от ардуино. Или делать несколько каскадов – ардуино потянет значительное количество таких схем на один выход ШИМа (Rн>47кОм). Или ставить ОУ в режиме компаратора с повышением выходного напряжения (>5В).

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии
  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

между этой схемой и ардуино, установить компаратор, на выходе которого будет тот-же ШИМ но с выходом, скажем 9В, а не 5В — это позволит поднять напряжение управления на затворе, сейчас 0,68Ом*7,35А= 4,998В на инвертирующем входе усилителя тока. При 9В ШИМ в схеме будет уже 13А, а транзистор тянет до 23А, можно немного убавить соротивление R3, и/или поменять транзистор.

  • Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность отправлять комментарии

между этой схемой и ардуино, установить компаратор, на выходе которого будет тот-же ШИМ но с выходом, скажем 9В, а не 5В — это позволит поднять напряжение управления на затворе, сейчас 0,68Ом*7,35А= 4,998В на инвертирующем входе усилителя тока. При 9В ШИМ в схеме будет уже 13А, а транзистор тянет до 23А, можно немного убавить соротивление R3, и/или поменять транзистор.

Жаль, нет лички, и придется ТС немного посмущать высокоумной дискуссией. 🙂 Но раз уж дело может дойти до паяльника, вопрос нужно прояснить, а то соберет «дитя» подаренный приемник, а он не играет. Не годится. Надо, чтобы сразу играл. 🙂

Чтобы обеспечить ток в 7,5 А на стоке силового полевика согласно фиг. 5 даташита нужно подать ему на затвор 7 В относительно истока. Подавать это напряжение будет ОУ со своего ВЫХОДА. Напряжение на выходе ОУ возмется от цепи ПИТАНИЯ ОУ. ОУ общего назначения на свои нужды при этом откусит около 2 В. При максимальном токе на токозадающем резисторе будет падать напряжение почти (для простоты совсем) равное выходному напряжению пина Ардуины, т.е. 5 В. Чтобы открыть на такой ток полевик на затвор ему нужно подать 7 В. Т.е. на выходе ОУ относительного общего провода должно быть 7 В + 5 В = 12 В. ОУ на свои нужды возьмет 2 В. Итого напряжение ПИТАНИЯ ОУ должно быть не менее 12 В + 2 В = 14 В. Лучше 17-20 В. ОУ подобрать обычный, не низковольтный.

Кстати, что важно, цепи питания нагрузки (Пельтье) и ОУ могут, а лучше и должны, быть совершенно разными. От разных источников, только с соблюдением полярности.

Читайте также:  Амфитон 75у 202с ток покоя

Если запаса по напряжению у источника питания ОУ нет, то, как это ни парадоксально на первый взгляд, для работоспособности схемы напряжение с выхода Ардуино нужно не увеличить, а. понизить, уменьшив пропорционально сопротивление токозадающего резистора. Поделим, числа чисто для примера, выходное напряжение с Ардуино в 5 раз, и уменьшим в пять раз сопротивление токозадающего резистора. Тогда при токе в нагрузке 7,5 А на резисторе будет падать не 5 В, а только 1 В. При сохранении остальных допущений, напряжение питания ОУ может быть не 14 В, а 10 В. Питание Пельтье собственное — независимое.

Уменьшение напряжения на токозадающем резисторе уменьшит и рассеиваемую на нем мощность, что положительно скажется на термостабильности, габаритах и попытке отпаяться от платы при максимальных нагрузках. 🙂 Совсем сильно вниз идти тоже нельзя, вырастут шумы, сильнее будет сказываться дрейф ОУ. Баланс, стало быть, надо блюсти. Если есть обоснованные исходные требования, то предварительно и посчитать все аккуратно не грех.

Источник

Удобное управление током нагрузки с помощью преобразователя напряжения в ток

Данная статья представляет простой способ точного управления током через светодиод (или через типовую резистивную нагрузку).

Как вы, наверное, заметили, в разработке реальной электроники наблюдается определенное преобладание напряжения над током. Что я имею в виду: источники стабильного напряжения распространены и широко доступны, тогда как для создания чего-либо, приближенного к идеальным источникам тока, которые появляются на теоретических принципиальных схемах, требуются определенные усилия. Следовательно, ток, протекающий через нагрузку, обычно определяется амплитудой приложенного напряжения и вольт-амперными характеристиками нагрузки. В случае обычной резистивной нагрузки связь между током и напряжением – это просто сопротивление. Таким образом, ток равен напряжению, деленному на сопротивление. Если сопротивление нагрузки изменяется, ток нагрузки изменяется пропорционально.

Обычно это нормально, но бывают ситуации, в которых мы хотим напрямую задать ток, независимо от характеристик нагрузки. В таких случаях мы можем использовать преобразователь напряжения в ток (ПНТ, или англоязычный термин, VCC, «voltage-to-current converter»), который по сути является источником тока, управляемым напряжением. Мы генерируем сигнал напряжения обычными методами, а затем используем преобразователь напряжения в ток для формирования тока, который зависит только от этого входного напряжения.

Применения

Я не могу придумать слишком много ситуаций, в которых вам нужно было бы использовать преобразователь напряжения в ток для аккуратного управления током через резистивную нагрузку. На самом деле, на данный момент я не могу ничего придумать (не стесняйтесь оставлять комментарии, если у вас есть мысли на этот счет). Линейный характер соотношения тока и напряжения у резистора делает преобразование тока в напряжение несколько избыточным: (прямое) увеличение напряжения, как правило, имеет тот же эффект, что и использование напряжения для увеличения тока.

Однако нет сомнений в том, что преобразователь напряжения в ток – очень удобная схема, когда вы работаете со светодиодами. Светодиод (как и обычный диод) имеет нелинейную вольт-амперную характеристику, и поскольку количество световой энергии, генерируемой светодиодом, определяется током, протекающим через него, напряжение отнюдь не является прямым способом управления яркостью.

Этот вопрос обсуждается в этом техническом обзоре. Если вы прочитаете этот обзор, то увидите, что в качестве преобразователя напряжения в ток я использовал простую схему на операционном усилителе:

Рисунок 1 Регулируемый светодиодный драйвер со стабилизацией тока на операционном усилителе Рисунок 1 – Регулируемый светодиодный драйвер со стабилизацией тока на операционном усилителе

В данной статье я покажу вам другую схему, которая выполняет то же самое. Как они в сравнении между собой? Что ж, в предыдущей схеме используется только один операционный усилитель на светодиод, тогда как в новой используется два, но в наши дни операционные усилители настолько крошечные, что это вряд ли можно считать значительным преимуществом. На самом деле, схема с одним операционным усилителем может даже немного мешать, когда у вас уже есть микросхема с двумя операционными усилителями, потому что вам остается удивительно нетривиальная задача нейтрализовать неиспользуемый усилитель. Я бы не сказал, что одна из этих схем лучше, чем другая, но между ними есть одно важное отличие, которое я объясню в следующем разделе.

Анализ

Ниже показана схема:

Рисунок 2 Схема преобразователя напряжения в ток на двух операционных усилителях Рисунок 2 – Схема преобразователя напряжения в ток на двух операционных усилителях

Прежде чем переходить к графикам моделирования, рассмотрим принцип действия. Данная схема состоит из двух связанных между собой более или менее повторителей напряжения; Я говорю «более или менее», потому что один из повторителей имеет диод в цепи обратной связи. Нижний повторитель в качестве входного напряжения использует потенциал «земли», поэтому выходное напряжение и, следовательно, напряжение на инвертирующем входе равно 0 В. Это означает, что на нижнем выводе R1 всегда будет на 0 В.

Из упрощения «виртуального короткого замыкания» мы знаем, что два входа операционного усилителя будут иметь одинаковое напряжение. Это означает, что напряжение на верхнем выводе R1 равно управляющему напряжению, и, следовательно, ток через R1 всегда равен Vупр/R1. Но что является источником этого тока? Его, конечно, нельзя получить через инвертирующий вход U1, и единственная другая возможность – это выход U1. Таким образом, ток, текущий с выхода U1, всегда равен Vупр/R1, и, следовательно, ток через светодиод всегда равен Vупр/R1. То же самое было бы применимо, если бы светодиод был заменен резистором или даже катушкой индуктивности. Другими словами, эта схема используется для точного управления током, протекающим через компонент, помещенный в цепь обратной связи U1.

Рисунок 3 Определение величины силы тока через светодиод Рисунок 3 – Определение величины силы тока через светодиод

Основное отличие этой схемы от схемы на одном операционном усилителе заключается в следующем: схема с двумя операционными усилителями является дифференциальной, тогда как схема с одним операционным усилителем является несимметричной. В схеме с одним операционным усилителем входное напряжение всегда измеряется относительно земли. Схема с двумя операционными усилителями позволяет управлять током нагрузки с помощью дифференциального напряжения; это показано на следующей принципиальной схеме, где неинвертирующий вход U2 стал вторым входом схемы и теперь не подключен напрямую к земле.

Рисунок 4 Управление выходным током преобразователя с помощью дифференциального напряжения Рисунок 4 – Управление выходным током преобразователя с помощью дифференциального напряжения

Ниже показана реализация в LTspice, за которой следуют два графика. На первой диаграмме вы можете увидеть только одну кривую, потому что два графика (входное напряжение и ток нагрузки) полностью перекрываются. На второй диаграмме я поместил два графика в отдельных системах координат. Эти графики подтверждают, что ток нагрузки точно соответствует входному напряжению, несмотря на сложные вольт-амперные характеристики диода, и что соотношение между входным напряжением и током нагрузки действительно представляет собой (приятно простое) уравнение, объясненное выше, т.е. Iнагр = Vвх/R1 .

Рисунок 5 Схема преобразователя напряжения в ток на двух операционных усилителях в LTspice Рисунок 5 – Схема преобразователя напряжения в ток на двух операционных усилителях в LTspice Рисунок 6 Временные графики входного напряжения и выходного тока в одной системе координат Рисунок 6 – Временные графики входного напряжения и выходного тока в одной системе координат Рисунок 7 Временные графики входного напряжения и выходного тока в разных системах координат Рисунок 7 – Временные графики входного напряжения и выходного тока в разных системах координат

Заключение

В данной статье представлена и объяснена простая, но эффективная схема использования сигнала напряжения для точного управления током через нагрузку. Эта схема более универсальна, чем схема, которую я использовал ранее, потому что она принимает дифференциальное входное напряжение. Однако помните, что не у каждого операционного усилителя есть входы «rail-to-rail» («от шины к шине»); если отрицательное напряжение питания равно 0 В, некоторые операционные усилители не подойдут для версии преобразователя напряжения в ток с несимметричным входом (т.е. соединенным с землей), обсуждаемой в данной статье.

Если вы хотите сэкономить немного времени, вы можете загрузить мою схему LTspice по ссылке ниже.

Источник