Стабилизатор тока на двух транзисторах (схема, плата, сборка, испытание)

Схема простейшего стабилизатора тока

Принципиальная схема простого источника тока на двух транзисторах

Выше представлена очень простая схема линейного стабилизатора тока на двух транзисторах: полевом и биполярном, первый силовой, он управляет нагрузкой (на схеме светодиод), а второй (маломощный) полупроводниковый прибор задаёт режим работы первого.

Принцип работы (работа стабилизатора тока)

Пусть наша нагрузка это R, будем считать, что её сопротивление почти не изменяется (R = const), ток мы хотим неизменный (I = const), а что у нас остаётся – только выходное напряжение на источнике тока, его то и будет подбирать схема, причём не просто от балды, а именно такое, при котором через вышеупомянутою нагрузку R потечёт ровно тот ток I, на который рассчитано устройство.

Модель платы источника тока

А вот разбор работы самой схемы:

после подключения источника питания через резистор R1 открывается полевой транзистор, через резистор R2-открытый канал сток-исток VT1 и нагрузку (светодиод) течёт ток. Чем больший ток, тем больше будет падать напряжения на резисторе, и когда оно достигнет значения открытия VT2 (для кремниевого биполярного примерно 0,60-0,75 В) тот откроется, через его ЭК потечёт ток от минуса к затвору VT1, тем самым прикрыв его, но не полностью, ведь R1 никуда не девается.

Примечание. Детали для данного экземпляра взяты со старых плат, в частности мощный полевой N-канальный транзистор MTD20N06V в DPAK (TO-252) исполнении с материнки, у него сопротивление открытого канала 65 мОм, а максимальное длительно приложенное напряжение затвор-исток 20 Вольт, питается схема от БП 12 Вольт (скачки напряжения не более нескольких Вольт), поэтому диод Зенера не понадобится. Биполярный транзистор – это известный BC847A в SOT-23 корпусе. Резистор R1 = 11 кОм, R2 = 2 Ом типоразмера 1205 и мощностью 0.25 Вт. Этот экземпляр предназначен для стабилизированного тока:

Iстаб = UБЭ * R2 = 0.6 В * 2 Ом = 300 мА

Испытание

3D модель платы стабилизатора тока и реализация

Дорожки были начерчены маркером, поэтому плата немного отличается от разработанной, крепления под винтики сделаны не были. Подключаем устройство к источнику питания (у меня был трансформатор 12В с диодным мостом и конденсатором), теперь зная, что ток относительно невелик я тупо замкнул выход амперметром, рассчитанным на измерение постоянного тока до 20А, показания ниже:
 

Ток короткого замыкания при R=2 Ом

Это адекватный результат для такой схемы. Далее были подключены по очереди два светодиода 10 Вт с различным напряжением питания. Для СД с одним кристаллом напряжение вышло  Uвых = 2.72 В при токе Iвых = 0.31 А, при этом на входе Uпит = 10.88 В, т.е. рассеивается примерно:

P1 = (Uпит - Uвых)*Iвых = (10.88-2.72)*0.31 = 8.16*0.31 = 2.53 Вт

Для второго светодиода, в котором три кристалла соединены последовательно Uвых = 10.32 В, Iвых = 0.29 А при Uпит = 11.22 В, получаем:

P2 = (Uпит - Uвых)*Iвых = (11.22-10.32)*0.31 = 0.9*0.31 = 0.279 Вт

Когда входное напряжение как можно меньше отличается от нужного напряжения питания для обеспечения требуемого тока, тогда и достигается высокий КПД (со вторым СИД η = 92%) при простоте исполнения.

Заменим резистор, определяющий выходной ток источника тока на 470 Ом, тогда получим выходной ток:

Iвых = UБЭ/R2 = 0.6 / 471 = 1276 мкА

Проверка амперметром:

Выходной ток 1.323 мА при резисторе 470 Ом

Таким образом при питании 12 В подключаем светодиод 5 мм, через него проходит ток ~1.3 мА, через два/три светодиода ток будет такой же, ведь напряжения питания хватает для этого.

Питание светодиода 5мм от источника ток

Ещё сделал небольшой график зависимости выходного стабильного тока от напряжения питания стабилизатора тока. Сначала происходит выход на номинальный ток (когда напряжения питания не хватает для Iст), а потом всё прекрасно, при изменении напряжения в три раза (с 10 до 30 В) изменение тока всего на 0.64 мА или 4.22%.

График зависимости тока стабилизации от входного напряжения

Увеличение стабильности

Улучшенная схема источника тока с температурной стабилизацией

При работе часть энергии рассеивается, происходит нагрев платы и компонентов схемы, параметры плывут, а главное изменяется напряжение насыщения ( UБЭ) транзистора VT2, те самые ~0,7 В будут изменяться, что приведёт к изменению выходного тока.

ТКН (Температурный Коэффициент Напряжения) pn-перехода транзистора отрицательный, при повышении температуры UБЭ будет уменьшаться. Для термостабилизации вводим дополнительно элемент с положительным ТКН – стабилитрон (с Uст > 6.5 В), тогда при нагреве напряжение на одном компоненте (VT2) будет уменьшаться, а на другом (D1) увеличиваться, таким образом получается компенсация. В совершенстве ТКН обоих приборов должен быть равен по величине и противоположным по знаку, а нагрев происходить одинаково (именно поэтому они расположены рядом на плате).

Принципиальная схема улучшенного источника тока

Также добавлен ещё один транзистор VT3, который выступает источником тока для VT2, что придаст ещё большей стабильности, т.к. при изменении напряжения питания в определённом диапазоне ток базы VT2 почти не будет изменяться.

Печатные платы

Печатная плата стабилизатора тока

Только шелкография: pcb_current_source_silk.pdf
Только дорожки: pcb_current_source_solder.pdf
Дорожки и шелкография: pcb_current_source_solder_silk.pdf

Печатная плата стабилизатора тока с компенсацией при изменении температуры

Только шелкография: pcb_current_source_silk.pdf
Только дорожки: pcb_current_source_improved_solder.pdf
Дорожки и шелкография: pcb_current_source_improved_solder_silk.pdf

Всё уместилось на маленьком кусочке (3 на 2 см) фольгированного текстолита, тепло отводится путём крепления всей платы на кусок алюминия винтами, спроектирована она с расчётом на крепёж M2, чтобы легко и надёжно закрепить её или попросту приклеить к теплоотводу теплопроводящим клеем (Stars 922). При необходимости её можно легко уменьшить почти в два раза раза два.

Простой источник тока на компонентах поверхностного монтажа

Список компонентов

Обозначение Описание Купить на Aliexpress

VT1 Мощный полевой транзистор 10pcs 2SK3919 TO-252 K3919 TO252
Цена: 0.98$ + 0.32$ = 1.3$

VT2 Маломощный транзистор 100pcs/lot BC847B SOT-23 BC847 SOT SMD 847B SOT-23
Цена: 0.79$

R1, R2 Резисторы 1205 0.25 Вт (пачка 660 шт.) 1206 SMD Resistor Kit Assorted Kit 1ohm-1M ohm 1% 33valuesX 20pcs=660pcs
Цена: 3.20$

Теплопроводящий клей Stars 922 Star-922 Thermal Paste Thermal Grease Silicone
Цена: 1.54$

Видео

В конечном счете

Такой условный источник тока можно использовать как стабилизатор тока для светодиодов в автомобиле (12 В-14,4 В), с помощью него подключать лазеры к какому-то трансформатору или ИБП со скачущим напряжением в несколько вольт или использовать в схемах зарядных устройств. Но, как вы поняли использовать данное устройство можно с любой другой нагрузкой, требующей стабильного значения электрического тока. Этот стабилизатор рассеивает “лишнюю” энергию в виде теплоты, что может быть неприемлемо в ситуациях, когда разница напряжений большая и протекающий ток не мал, но, например, в условиях когда входное напряжение не сильно превышает выходное и ток стабилизации мал, почему бы и нет?

Простой стабилизатор тока на smd-компонентах

89
RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...