Впервые эта замечательная схема встретилась мне в лабораторном блоке питания на 50 вольт 1 ампер (https://members.shaw.ca/novotill/index.htm). Впоследствии я нашел этот же подход в промышленном лабораторном источнике HY3020E (30 вольт 20 ампер). Вот она в упрощенном варианте:

Операционный усилитель DA1 сравнивает напряжение на делителе R2-R4 c напряжением на его инвертирующем входе. Если выходное напряжение увеличивается, то напряжение на неинвертирующем входе DA1 станет меньше напряжения на инвертирующем. DA1 своим выходным напряжением закроет транзистор VT1, что приведет к уменьшению выходного напряжения. Регулировка выходного напряжения может осуществляется изменением величины опорного напряжения Vref или резистора R4.

Выходной ток создает на резисторе R3 падение напряжения. Пока это напряжение меньше опорного Iref, на выходе DA2 положительное напряжение, близкое к напряжению питания DA2. Диод изолирует выход DA2 от затвора выходного транзистора. Как только падение напряжения на R3 превысит опорное напряжение Iref, выходное напряжение DA2 уменьшится и через диод начнет закрывать выходной транзистор VT1. При этом выходной ток уменьшится до такой величины, что вызванное им падение напряжения на R3 сравняется с опорным напряжением Iref. Регулируя Iref возможно регулировать величину выходного тока.

При ограничении тока величина выходного напряжения становится меньше заданного. Пытаясь привести его в норму, DA1 увеличит свое выходное напряжение почти до положительного напряжения питания ОУ. Но у него это не получиться, поскольку DA2 не позволяет увеличиваться управляющему напряжению на затворе выходного транзистора, тем самым ограничивая ток. Все потуги DA1 падают на резисторе R1. В режиме ограничения тока этот резистор как бы подключен к положительному полюсу источника питания и служит нагрузкой DA2.

Для питания операционных усилителей должен быть применен отдельный маломощный двуполярный источник питания, общая точка которого соединяется с положительным выходом OUT+. Величина напряжения этого источника должна быть подходящей для питания ОУ и полного открытия выходного транзистора. Выходное стабилизированное напряжение формируется из нестабилизированного напряжения Vin. Благодаря применению дополнительного источника питания возможно применение обычных операционных усилителей в высоковольтных источниках питания (например 50 вольт). Схема очень гибка в применении. Величина выходного напряжения не зависит от напряжений питания ОУ. Она определяется только величиной опорного напряжения Vref и делителем R2R4. Величина выходного тока определяется опорным напряжением Iref и величиной резистора R3.

Благодаря включению полевого транзистора повторителем дополнительная частотная компенсация схемы не требуется при применении ОУ с единичным коэффициентом усиления. Отсутствие дополнительной компенсации обеспечивает работу ОУ на полной скорости и, следовательно, быстрое переключение от ограничения напряжения к ограничению тока и обратно.

На базе рассмотренной схемы был построен лабораторный источник питания с диапазоном регулирования напряжения 0-30 V и тока 0-0.5A .

Схема в точности повторяет рассмотренную ранее упрощенную схему. Опорное напряжение генерируется с помощью TL431 и равно 3,3 вольта. Опорное напряжение токового ограничения регулируется переменным резистором R5. R7 используется для регулирования напряжения. VD1 – VD4, C2, C3 используются для получения питающего ОУ двуполярного напряжения.

Транзистор VT1 служит для индикации ограничения тока включением светодиода оранжевого цвета, а также он используется в триггерной защите. Триггерная защита работает следующим образом. При ограничении тока напряжение на выходе DA2:A падает, что приводит к открыванию транзистора VT1 и свечению светодиода VD6. Положительное напряжение, возникающее при этом на коллекторе VT1, через R20, S1, VD8 поступает на инвертирующий вход DA2:A. Это напряжение имитирует большое падение напряжения на токоизмерительном резисторе, что приводит к полному закрытию выходного транзистора и снижению выходного напряжения до 0. После срабатывания триггерной защиты выходное напряжение отсутствует до ее отключения. Триггерная система защиты включается и отключается кнопкой с фиксацией S1. При отключенной триггерной защите обычное ограничение тока продолжает работать. После того как величина напряжения восстановится, триггерную защиту можно снова включить. Конденсатор C8 служит для задержки включения триггерной защиты на несколько миллисекунд.

Транзистор VT4 служит для быстрого разряда выходного конденсатора в случае отсутствия нагрузки при уменьшении выходного напряжения. Вместо него может быть использована обычная резистивная нагрузка сопротивлением 1-2 килоома соответствующей мощности. Применение транзистора исключает выделение дополнительной мощности на нагрузочном резисторе во время работы. При нормальном напряжении он закрыт. Открывается он только тогда, когда происходит уменьшение выходного напряжения за счет регулировки. При применении обычного полевого транзистора на базу транзистора может подаваться обратное напряжение значительной величины (>5 вольт). В этом случае транзистор должен быть защищен дополнительным диодом.

Схема легко масштабируется. Для выбора другого максимального напряжения необходимо изменить сопротивление R10 в делителе.

Для изменения максимального тока следует пропорционально изменить R17, учитывая, что при максимальном токе падение напряжение на нем должно быть 0,5 вольт.

Меняя ток или напряжение необходимо выбирать соответствующий нестабилизированный источник.

Применение logic level мощного транзистора обусловлено напряжением питания операционного усилителя +-6 вольт. Обычный полевой транзистор может быть применен при увеличении напряжения питания ОУ до +-10-12 вольт. Также в качестве управляющего транзистора можно использовать биполярный транзистор, включенный по схеме Дарлингтона. Его частота единичного усиления должна в 3-5 раз превосходить частоту единичного усиления ОУ для обеспечения стабильности. Поэтому в случае использования биполярного транзистора типа TIP147 с его типичной частотой единичного усиления 3MHz лучше использовать ОУ LM358 или даже OP07. В качестве управляющего транзистора может быть применено несколько параллельно включенных транзисторов с применением выравнивающих сопротивлений в эмиттерах. Управляющий транзистор должен охлаждаться радиатором. В своем блоке питания я применил полевые транзисторы и отностительно быстрые ОУ TL082. Маломощные транзисторы могут быть использованы практически любые высокочастотные. Постоянные резисторы – мощностью 0,125 вата, за исключением R17 (керамический 3 или 5 ватт) и R23 (1 или 2 ватта). Переменные резисторы применены с линейной характеристикой регулирования.

Нестабилизированный источник собран по следующей схеме.

Перед первым включением рекомендуется проверить отсутствие замыканий на плате и вообще в схеме. Сначала проверяется работа нестабилизированного источника без подключения стабилизатора. Первое включение блока питания проводят без нагрузки с переменными резисторами в среднем положении и выключенным S1. Необходимо проверить напряжения питания ОУ, опорное напряжение 3,3 вольта. Напряжение на выходе DA2A должно быть близко к положительному источнику, на выходе DA2B, на затворе – на грани открывания регулирующего транзистора (0,5 – 3 вольта). Выходное напряжение должно регулироваться резистором R7.

После этого нужно установить напряжение 3-5 вольт и подключить нагрузку. Я использовал лампочку на 24 вольта, но можно использовать и другую нагрузку с током миллиампер 100 при 24 вольтах. При подключении лампочки выходное напряжение не должно измениться. Установив напряжение 7-12 вольт, резистором R5 необходимо плавно уменьшать выходной ток. При каком то значении источник должен перейти в режим ограничения тока. В этом режиме светодиод VD6 должен включиться и напряжение на выходе DA2A должно упасть до 0 – 2 вольт. На выходе DA2B напряжение должно быть близко к напряжению положительного источника питания ОУ. Вращая R7, убедиться в изменении тока (яркости свечения лампы).

В режиме ограничения тока регулировка напряжения в сторону увеличения не должна оказывать влияния на ток в нагрузке. При уменьшении напряжения, как только ток уменьшится до величины, заданной резистором R5, источник должен перейти в режим регулировки напряжения – светодиод VD6 должен погаснуть

После этого можно проверить работу системы защиты в режиме короткого замыкания. При соединении выходных клемм источник должен перейти в режим ограничения тока - загореться VD6.

После этих проверок можно считать, что источник работает правильно. Необходимо только проверить максимальные значения токов и напряжений. Максимальное напряжение лучше проверять на нагрузке, близкой к максимальной. На регулирующем транзисторе должен быть запас как минимум в несколько вольт при минимальном сетевом напряжении. Если этого нет, то можно либо уменьшить максимальное выходное напряжение, либо просто иметь в виду, что при максимальной нагрузке напряжение может быть нестабилизированным. Для уменьшения максимального выходного напряжения параллельно R10 припаивается еще один резистор. Поскольку я применял smd резисторы 0805, я просто напаял его сверху дополнительно. Если максимальное напряжение нужно увеличить – то ту же операцию можно провести с R9. Конечно же можно и перепаять эти сопротивления заново с другими номиналами. Если разрабатывается блок питания с другим диапазоном напряжений, то нужно изменять, прежде всего, R10.

Перед проверкой максимального тока выходное напряжение уменьшается до минимума, а регулятор тока выкручивается на максимум. Максимальный ток проверяется в режиме короткого замыкания – амперметр подключается на выход. Должна сработать защита. Если этого не произошло, регулятор напряжения нужно выставить в среднее положение. Максимальный ток подбирается резистором R4. При подборе нужно следить, что бы напряжение на R5 было в диапазоне 0,4 – 0,6 вольта. То есть этим резистором осуществляется точная подгонка. Для грубого изменения максимального тока необходимо менять сопротивление шунта R17.

Потом проверяется триггерная защита. Если замкнуть кнопку s1, а потом выходные клеммы, должен загораться светодиод VD6. При устранении короткого замыкания светодиод должен продолжать гореть. Напряжение на выходе должно оставаться около 0. После срабатывания триггерной защиты источник вновь может быть возвращен в рабочее состояние кратковременным размыканием S1.

Блок питания собран в корпусе из под АТХ источника. На фото видны регулирующие резисторы, оба мощных транзистора на радиаторе (один из них через прокладку), кнопка S1, сдвоенный светодиод (над клеммами), шунт, выходные клеммы, печатная плата.

Опорное напряжение не случайно выбрано 3.3 вольт. Это стандартное напряжение питания многих микроконтроллеров. Микроконтроллер может использоваться для генерации опорных регулируемых напряжений. В этом случае регулировку выходного напряжения можно осуществлять цифровыми методами. Об этом я надеюсь рассказать в следующей статье.

 

Файлы:
Дополнительные материалы

Все вопросы в Форум.