Схемы стабилизации тока: Схемы стабилизаторов тока для светодиодов на транзисторах и микросхемах

Вопрос 3. Стабилизатор тока.

Схема стабилизатора тока показана на рис.6.3. На базе транзистора VT поддерживается постоянный потенциал, задаваемый параметрическим стабилизатором на стабилитроне VD. Нагрузка R_н включена в коллекторную цепь транзистора VT, который работает по схеме ОБ, где I_к=I_э.

Т ок эмиттера I_э определяется напряжением U_эб=U₀—R₂I_э

Благодаря этому устанавливается режим работы

I_э=(U₀—U_эб)/R₂=const

У современных транзисторов 1, таким образом, получается устройство, выходной ток которого I_вых=I_кI_э, не зависит от R_н, а определяется только U₀

и R₂. Режим стабилизации поддерживается до тех пор, пока транзистор VT работает в активном режиме, т.е. U_вхU+I_выхR_н, где U — напряжение насыщения транзистора.

Отсюда максимальное значение сопротивления нагрузки, при котором сохраняется рабочий режим стабилизатора

R_{н max}= .

Коэффициент стабилизации тока

K_ст=I_вых/(U_вхh₂₂).

Выходное сопротивление стабилизатора

R_вых= .

Контрольные вопросы

1. Каково назначение электронных стабилизаторов?

2. Как устроен и как работает параметрический стабилизатор напряжения и тока?

3. Поясните назначение элементов схемы компенсационного стабилизатора напряжения?

4. От каких элементов зависит коэффициент стабилизации?

5. Как можно осуществить регулирование U_вых стабилизатора напряжения?

6. Поясните принцип действия стабилизатора тока.

7. Как можно изменить выходной ток стабилизатора?

8. Почему стабилизатор тока может работать только на нагрузку с R меньше R_нmax?

9. Почему стабилизатор тока и стабилизатор напряжения имеют разные выходные сопротивления?

Тема: Усилительный каскад на биполярном транзисторе.

Каскад усиления переменного тока по схеме ОЭ построен на биполярном транзисторе n—p—n

(рис.7.1). Расчет каскада сводится к выбору точки покоя на статической линии нагрузки, определению величин R_к и R_Б по заданным параметрам нагрузки, например, U_{m вых} и R_н, и напряжению источника питания E_к.

В ыбранная точка покоя должна обеспечить требуемую величину тока в нагрузке, напряжения на нагрузке без нелинейных искажений и удовлетворять предельным параметрам транзистора. Поэтому ток покоя:

I_кпI_mнU_{m вых}/R_н

Напряжение покоя обычно выбирается U_кэп=E_к/2, чтобы обеспечить максимальное выходное напряжение без искажений.

Уравнение статической линии нагрузки

I_к=

Л инию нагрузки можно построить в координатах I_к, U_кэ по двум точкам. Одна из них — точка покоя П, координаты которой определены. Вторая может быть получена согласно уравнению — если принять I_к=0, то U_кэ=E_к. Построение статической линии нагрузки показано на рис.7.2 (линия ав).

Чтобы обеспечить заданный режим покоя, надо рассчитать величины R_к и R_Б:

R_к= ;

R_Б= ; I_Бп=I_Кп/h₂₁

При работе каскада в режиме холостого хода и i_вх=I_mвхsin

t рабочая точка перемещается по статической линии нагрузки в обе стороны от точки покоя. Амплитуда переменной составляющей напряжения коллектор-эмиттер или равного ей выходного напряжения не может быть больше E_к/2.

При работе каскада на нагрузку в коллекторную цепь параллельно R_к включается R_н. Поэтому режим работы каскада меняется. Рабочая точка перемещается по динамической линии нагрузки, уравнение которой

;

Динамическая линия нагрузки должна проходить через точку покоя П (частный случай — i_кэ=0). Вторую точку можно получить, задавшись приращением i_к и подсчитав изменение напряжения U_кэ относительно координат точки покоя. Динамическая линия нагрузки показана на рис.7.2 (

c-d). Очевидно, что угол между осью U_кэ и динамической линией нагрузки тем больше, чем меньше R_н (при R_н=0 он составит 90). В связи с этим предельная амплитуда выходного напряжения U_{вых пр} с уменьшением R_н становится меньше E_к/2. Это может вызвать появление нелинейных искажений. Если заданное значение U_{m вых}, больше, чем U_{вых пр}, чтобы избежать нелинейных искажений, надо сместить точку покоя. Увеличивают I_кп и анализ повторяют.

Динамические параметры каскада:

к_и= ;

;

к_р=к_ик_i.

Защита стабилизатора тока от перегрузки

Стабилизаторы тока широко используются в различных устройствах. Их схемы бывают простыми и не очень. Но в любом случае будет лучше, если он будет иметь защиту от перегрузки. Проблема, которую мы рассмотрим, заключается в следующем, есть у нас стабилизатор напряжения с ограничение тока нагрузки. То есть такому стабилизатору не страшны короткие замыкания на его выходе.

Но в режиме КЗ на регулирующем транзисторе такого стабилизатора будет выделяться большая мощность, это потребует применение соответствующего теплоотвода, что повлечет за собой увеличения размеров устройства, ну и его цены. А иначе – тепловой пробой структуры мощного транзистора.

Для примера возьмем простую схему стабилизатора тока на микросхеме, показанную на рисунке 1.

Все в общих чертах. Ток стабилизации, в соответствии с формулой 1, равен 1А. Допустим, нормальное сопротивление нагрузки 6 Ом. Тогда при токе в 1А на микросхеме упадет напряжение, равное: U = IxR — IxRн = 12-1,25-6 = 4,75В.

Соответственно на микросхеме выделится мощность P = UxI = 4,75Вт. Если замкнуть выход стабилизатора тока, то на микросхеме уже будет падать напряжение 10,75В и соответственно мощность, выделяющаяся на микросхеме будет равна 10,75Вт. Вот на эту мощность и надо рассчитывать радиатор, тогда надежность вашего устройства будет на высоте. Но, что делать, если нет возможности установить радиатор бо’льших размеров? Правильно! Надо еще ограничить и мощность, выделяемую на микросхеме. Можно перед данной схемой поставить следящий стабилизатор, который бы в случае КЗ брал на себя часть выделяющейся тепловой мощности, но это сложновато. Лучше мы сделаем полное отключение стабилизатора при КЗ на его входе. Зная, что мощность равна произведению на ток, а ток мы выставляем сами и он стабилизирован, то мы будем следить за падение напряжения на регуляторе тока.

Схема регулируемого стабилизатора тока взята из статьи «Блок питания для шуруповерта». Подробно о работе данного регулируемого стабилизатора тока можно прочитать в статье «Регулируемый стабилизатор тока на LM317».

Работа схемы защиты от превышения мощности

Для обеспечения защиты стабилизатора тока вводим в схему всего пять деталей. Транзистор VT1, выполняющий роль ключа и полностью отключающий стабилизатор во время режима КЗ. Здесь применен MOSFET транзистор с каналом P. При небольших токах, порядка одного, двух ампер, подойдет IRFR5505

При больших токах лучше применить транзистор с большим рабочим током стока и меньшим сопротивлением открытого канала. Например — IRF4905

Тиристорный оптрон, можно отечественный – АОУ103 с любой буквой, можно подобрать импортный, например — TLP747GF

Стабилитрон, любой маломощный, дочитаете статью до конца и сами себе, если потребуется, выберете нужный. R1 – это резистор, через который на затвор ключа, подается отрицательное открывающее напряжение. R2 – резистор, ограничивающий ток светодиода тиристорного оптрона. Да, если входное напряжение будет больше 20В, то параллельно тиристору оптрона необходимо поставить еще один стабилитрон на 12В, который будет защищать переход затвор – исток ключевого транзистора.

Так как у большинства транзисторов MOSFET максимально допустимое напряжение этого перехода 20В.

Для примера возьмем случай зарядки двенадцативольтового аккумулятора стабильным током 3А. При подаче напряжения питания на схему транзистор VT1 будет открыт, так как на его затвор поступает отрицательное напряжение и схема работает в нормальном режиме. Падение напряжения на ключе учитывать не будем из-за его малой величины. При таких условиях на самом стабилизаторе тока будет падать мощность Р = (20 — 12)∙I= 8 ∙ 3 = 24Вт. При КЗ мощность увеличится до 60Вт, если без защиты. Многовато, и для транзистора VT2 не безопасно, поэтому после 30Вт мы отключим стабилизатор, поставив в цепь защиты стабилитрон с напряжением стабилизации 10В. Таким образом, мы получаем схему с защитой не только от КЗ, но и от превышения допустимой мощности рассеяния на стабилизаторе тока. Допустим, по каким либо причинам, совершенно нам не нужным, начало падать сопротивление нагрузки. Это вызовет увеличение падения напряжения на стабилизаторе и соответственно мощности рассеяния на нем.

Но как только напряжение между входом и выходом превысит 10 вольт, «пробьется» стабилитрон VD1, через светодиод оптрона U1 потечет ток. Излучение светодиода откроет фототиристор, который зашунтирует переход затвор – исток ключевого транзистора. Тот в сою очередь закроется и отключит схему стабилизатора. Возвратить схему в рабочее состояние можно будет, или отключением питания и повторным подключением, или кратковременным закорачиванием фототиристора, например кнопкой. Таким образом, отслеживая напряжение между входом и выходом стабилизатора тока, вы можете сами с помощью стабилитронов на разные напряжения стабилизации, установить нужный вам порог ограничения по мощности.

Эта схема применима практически ко всем стабилизаторам, хоть по току, хоть по напряжению. Ее можно встроить уже в готовый стабилизатор, не имеющий защиты от КЗ.
Успехов и удачи. К.В.Ю.

Скачать статью

stabilizator-toka-s-zashhitoj-ot-kz (1548 Загрузок)

Просмотров:7 239

Метки: Защита, Стабилизатор тока

схема, регулируемая, импульсная, конструкция и назначение

Яркость светодиодных источников зависит от протекающего тока, который в свою очередь зависит от напряжения питания. В условиях колебаний нагрузки светильники пульсируют. Для предотвращения этого используется специальный драйвер — стабилизатор тока. В случае поломок элемент можно изготовить самостоятельно.

Содержание

1. Конструкция и принцип действия
2. Разновидности стабилизаторов тока
3. Стабилизаторы резисторные
4. Транзисторные устройства
5. Стабилизаторы тока на полевом работнике
6. Линейные устройства
7. Феррорезионное устройство
8. Особенности текущей зеркальной цепи
9. Стабилизатор компенсационного напряжения
10. . Как приготовление уборов
12. . для светодиодов самостоятельно
13. Драйвер на базе
14. Стабилизатор для автомобильных фар
15. Нюансы расчета тока стабилизатора

Конструкция и принцип работы

Стабилизатор обеспечивает постоянство тока при его отклонении

Стабилизатор обеспечивает постоянство рабочего тока светодиодов при его отклонении от нормы. Предотвращает перегрев и перегорание светодиодов, поддерживает постоянный поток при перепадах напряжения или разрядке аккумулятора.

Простейшее устройство состоит из трансформатора, выпрямительного моста, соединенного с резисторами и конденсаторами. Действие стабилизатора основано на следующих принципах:

• подвод тока к трансформатору и изменение его предельной частоты на частоту сети — 50 Гц;
• Регулировка напряжения на повышение и понижение с последующим выравниванием частоты до 30 Гц.

Высоковольтные выпрямители также участвуют в процессе преобразования. Они определяют полярность. Стабилизация электрического тока осуществляется с помощью конденсаторов. Резисторы используются для уменьшения помех.

Разновидности стабилизаторов тока

Светодиод загорается при достижении порогового значения тока. У маломощных устройств этот показатель составляет 20 мА, у сверхъярких — от 350 мА. Разброс порогового напряжения объясняет наличие разных типов стабилизаторов.

Стабилизаторы резисторные

Стабилизатор КРЭН

Для регулируемого стабилизатора токовых параметров маломощных светодиодов используется схема КРЭН. Он предусматривает наличие элементов КР142ЕН12 или LM317. Процесс выравнивания осуществляется при силе тока 1,5 А и входном напряжении 40 В. При нормальном тепловом режиме резисторы рассеивают мощность до 10 тс. Их собственная потребляемая мощность составляет около 8 мА.

Узел LM317 поддерживает постоянное значение напряжения на основном резисторе, регулируемое подстроечным резистором. Основной, или токораспределительный элемент, может стабилизировать проходящий через него ток. По этой причине стабилизаторы на КРЭН используются для зарядки аккумуляторов.

Значение 8 мА не меняется даже при колебаниях тока и напряжения на входе.

Транзисторные устройства

Схема транзисторного регулятора напряжения

Транзисторный регулятор предусматривает использование одного или двух элементов. Несмотря на простоту схемы, при колебаниях напряжения не всегда бывает стабильный ток нагрузки. При его увеличении на одном транзисторе напряжение резистора повышается до 0,5-0,6 В. после этого начинает работать второй транзистор. В момент его открытия первый элемент закрывается, а сила и величина проходящего через него тока уменьшаются.

Второй транзистор должен быть биполярным.

Две схемы на транзисторах разной проводимости, в которых стабилитроны заменены двумя обычными диодами VD1, VD2

Для реализации с химией с заменой стабилитронов применяются:

• диоды VD1 и VD2;
• резистор R1;
• резистор R2.

Подача тока через светодиодный элемент задается резистором R2. Резистор R1 служит для достижения линейного участка ВАХ диодов по отношению к току базового транзистора. Для того чтобы транзистор оставался стабильным, напряжение питания не должно быть меньше суммарного напряжения диодов +2-2,5 В.

Для получения тока 30 мА через 3 последовательно соединенных диода с напряжением 3,1 В по прямой линии подается 12 В. Сопротивление резистора должно быть равно 20 Ом при мощности рассеяния 18 мВт.

Схема нормализует режим работы элементов, уменьшает пульсации тока.

Схема на советских транзисторах. Допустимое напряжение советских КТ940 или КТ969 до 300 В, что подходит, если источником света является мощный SMD элемент. Параметры тока задаются резистором. Напряжение стабилитрона 5,1 В, мощность 0,5 В.

Недостатком схемы является падение напряжения при увеличении силы тока. Его можно устранить, заменив биполярный транзистор низкоимпедансным МОП-транзистором. Мощный диод заменен на IRF7210 на 12 А или IRLML6402 на 3,7 А.

Стабилизаторы тока на полевик

Стабилизатор напряжения на полевых транзисторах

Полевой элемент имеет короткозамкнутые исток и затвор, встроенный канал. При использовании полевого контроллера (ИРЛЗ 24) с 3 выводами на вход подается напряжение 50 В, на выход 15,7 В.

Потенциал земли используется для подачи напряжения. Параметры выходного тока зависят от начального тока стока и не привязаны к истоку.

Линейные устройства

Стабилизатор или делитель постоянного тока воспринимает нестабильное напряжение. На выходе линейное устройство выравнивает его. Он работает по принципу постоянного изменения параметров сопротивления для выравнивания питания на выходе.

К преимуществам эксплуатации можно отнести минимальное количество деталей, отсутствие помех. Недостатком является низкий КПД при разнице мощности питания на входе и выходе.

Устройство феррорезонансное

Стабилизатор переменного тока устаревшего образца, схема которого представлена ​​конденсатором и двумя катушками — с ненасыщенным и насыщенным сердечником. На насыщенный (индуктивный) сердечник подается постоянное напряжение, не зависящее от параметров тока. Это облегчает выбор данных для второй катушки и емкостного диапазона стабилизации питания.

Устройство работает по принципу качелей, которые сложно сразу остановить или раскачать сильнее. Напряжение подается по инерции, поэтому может быть падение нагрузки или обрыв в цепи питания.

Особенности схемы токового зеркала

Классическая схема токового зеркала

Токовое зеркало, или рефлектор, построено на паре транзисторов согласованного типа, т.е. с одинаковыми параметрами. Для их производства используется один светодиодный полупроводниковый кристалл.

Схема токового зеркала по уравнению Эберса-Молля. Принцип работы заключается в том, что базы транзисторов объединены, а эмиттеры перекинуты на одну шину питания. В результате параметры переходного напряжения связи база-транзистор-эмиттер равны.

Преимуществами схемы являются равный диапазон стабильности и отсутствие падения напряжения на эмиттерном резисторе. Параметры проще установить, используя ток. Недостатком является эффект Эрли — привязка выходного напряжения к напряжению коллектора и его колебания.

Цепь токового зеркала Вильсона. Токовое зеркало может стабилизировать постоянное значение выходного тока и реализовано следующим образом:

1. Транзисторы №1 и №1 включены по принципу стандартного токового зеркала.
2. Транзистор № 3 фиксирует потенциал коллектора элемента № 1 на удвоенном значении параметра падения напряжения на диоде.
3. Будет меньше напряжения питания, подавляющего эффект Эрли.
4. Коллектор транзистора №1 используется для установки режима схемы.
5. Выходной ток зависит от транзистора № 2.
6. Транзистор № 3 преобразует выходной ток в нагрузку переменного тока.

Транзистор № 3 не может быть согласован с другими.

Компенсационный стабилизатор напряжения

Компенсационный стабилизатор напряжения

Выпрямитель работает по принципу обратной связи по напряжению. Полное или частичное напряжение соответствует опоре. В результате регулятор выдает ошибку параметров напряжения, устраняя колебания яркости светодиодов. Устройство состоит из следующих элементов:

• Регулирующий элемент или транзистор, который вместе с сопротивлением нагрузки образует делитель напряжения. Эмиттерный индекс транзистора должен превышать ток нагрузки в 1,2 раза.
• Усилитель — управляет ОМ, выполнен на базе транзистора №2. Маломощный элемент согласован с мощным по составному принципу.
• Источник опорного напряжения — в схеме применен стабилизатор параметрического типа. Он уравнивает напряжения стабилитрона и резистора.
• Дополнительные источники.
• Конденсаторы — для сглаживания пульсаций, устранения паразитного возбуждения.

Компенсационные стабилизаторы напряжения работают по принципу увеличения входного напряжения при дальнейшем увеличении токов. Выключение первого транзистора увеличивает сопротивление и напряжение зоны коллектор-эмиттер. После приложения нагрузки она выравнивается до номинального значения.

Устройства на микросхемах

Микросхема 142ЕН5

Для стабилизирующих устройств используется микросхема 142ЕН5 или LM317. Он позволяет выравнивать напряжение, получая сигнал обратной связи от датчика, подключенного к сети тока нагрузки.

В качестве датчика используется сопротивление, при котором регулятор может поддерживать постоянное напряжение и ток нагрузки. Сопротивление датчика будет меньше сопротивления нагрузки. Схема используется для зарядных устройств, по ней и спроектирована светодиодная лампа.

Стабилизаторы импульсные

Импульсное устройство отличается высоким КПД и создает высокое напряжение потребителей при минимальных параметрах входного напряжения. Для сборки используется микросхема MAX 771.

Один или два преобразователя будут регулировать силу тока. Делитель выпрямительного типа выравнивает магнитное поле, снижая допустимую частоту напряжения. Для подачи тока на обмотку светодиодный элемент подает сигнал на транзисторы. Стабилизация выхода осуществляется посредством вторичной обмотки.

Как сделать стабилизатор тока для светодиодов своими руками

Изготовление стабилизатора для светодиодов своими руками осуществляется несколькими способами. Новичку желательно работать с простыми схемами.

Драйвер на основе

Вам нужно будет выбрать трудновыжигаемую микросхему — LM317. Она будет выполнять роль стабилизатора. Второй элемент представляет собой переменный резистор сопротивлением 0,5 кОм с тремя выводами и ручкой.

Сборка осуществляется по следующему алгоритму:

1. Припаяйте провода к средней и концевой клеммам резистора.
2. Переведите мультиметр в режим сопротивления.
3. Измерить параметры резистора — они должны быть равны 500 Ом.
4. Проверьте целостность соединений и соберите цепь.

На выходе будет модуль мощностью 1,5 А. Для увеличения тока до 10 А можно добавить полевого оператора.

Стабилизатор автомобильных фар

Стабилизатор L7812

Для работы потребуется линейное устройство в виде микросхемы L7812, две клеммы, конденсатор 100н (1-2 шт.), текстолитовый материал и термоусадочная трубка. Изготовление производится шаг за шагом:

1. Выбираем схему для L7805 из даташита.
2. Отрежьте от печатной платы кусок нужного размера.
3. Разметьте дорожки, сделав насечки отверткой.
4. Припаяйте элементы так, чтобы вход был слева, а выход справа.
5. Сделать корпус из термотрубки.

Стабилизирующее устройство выдерживает нагрузку до 1,5 А и монтируется на радиатор.

Кузов автомобиля используется как радиатор за счет соединения центрального выхода кузова с минусом.

Нюансы расчета стабилизатора тока

Стабилизатор рассчитывается исходя из напряжения стабилизации U и тока (среднего) I. Например, напряжение входного делителя 25 В, на выходе нужно получить 9 В. В расчеты входят:

1. Подбор по справочнику стабилитрона. Ориентируются на напряжение стабилизации: Д814В.
2. Поиск среднего тока I по таблице. Он равен 5 мА.
3. Расчет напряжения питания как разницы между стабильным напряжением входа и выхода: UR1 = Uвх — Uвых, или 25-9 = 16 В.
4. Полученное значение разделить по закону Ома на ток стабилизации по по формуле R1 = UR1/Iст, или 16/0,005 = 3200 Ом, или 3,2 кОм. Номинал элемента будет 3,3 кОм.
5. Расчет максимальной мощности по формуле ПР1=УР1*Iст, или 16х0,005=0,08.

Ток и выход стабилитрона проходят через резистор, поэтому его мощность должна быть в 2 раза больше (0,16 кВт). Исходя из таблицы, этот номинал соответствует 0,25 кВт.

Самостоятельная сборка стабилизатора для светодиодных приборов возможна только со знанием схемы. Новичкам рекомендуется использовать простые алгоритмы. Рассчитать элемент по мощности можно по формулам из школьного курса физики.

5-минутный метод стабилизации любого контура управления | 2020-01-28

Плохая стабильность контура управления приводит к ухудшению коэффициента ослабления источника питания, переходной характеристики, выходного шума и, для цепей со смешанными сигналами, ухудшению джиттера. Примеры приложений и эталонные проекты в технических описаниях часто не содержат информации о стабильности, и измерения часто показывают, что стабильность низкая.

Одним из методов проектирования устойчивых контуров управления является создание точной модели широкополосного моделирования и использование компенсации нуля полюса для оптимизации запаса по фазе, запаса по усилению и запаса устойчивости.

Это трудоемкий процесс, и большая часть данных, необходимых для создания точной модели, не публикуется. Другая проблема заключается в том, что многие схемы полностью интегрированы без доступа к контурам управления для измерения. Информация о характеристиках устойчивости в таблицах данных и литературе по эталонным проектам часто ограничена или отсутствует.

В этой статье объясняется быстрый способ стабилизации контура управления менее чем за 5 минут без каких-либо знаний о внутренней схеме детали.

Оценка стабильности

Существуют хорошо зарекомендовавшие себя методы оценки стабильности систем черного ящика. Одним из методов является определение стабильности на основе импеданса, которое популярно для оценки стабильности импульсных преобразователей в сочетании с входными фильтрами. ¹

Другим методом оценки стабильности является неинвазивный запас стабильности, который представляет собой алгоритм математического преобразования на основе импеданса, разработанный мной и доступный в Picotest для многих современных векторных анализаторов цепей (VNA).

Производители операционных усилителей обычно предоставляют кривую зависимости сопротивления изоляции от емкости нагрузки. Это косвенный способ обеспечения стабильности, основанный на их знании выходного сопротивления операционного усилителя. ²

Все эти оценки работают по одному и тому же принципу и вычисляют стабильность на основе взаимодействия импедансов между двумя элементами. Как только мы определим стабильность, мы можем использовать принципы упомянутых выше методов оценки в обратном порядке, чтобы разработать стабильное решение. Инженеры ВЧ используют этот метод для проектирования генераторов, определяя стабильность как нулевую и вычисляя отрицательное сопротивление, необходимое для точного противодействия реальному сопротивлению кристалла. Основание нашего решения на этих хорошо зарекомендовавших себя и широко опубликованных методах оценки ставит нас на прочную основу.

Эквивалентная схема

Устройства с выходным напряжением, включая операционные усилители, источники опорного напряжения, а также импульсные и линейные регуляторы, выглядят индуктивными, если смотреть на их выходы. Эквивалентная схема представляет собой источник напряжения, включенный последовательно с резистором и катушкой индуктивности. Дестабилизирующей нагрузкой выступает конденсатор с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Регуляторы тока также выглядят как резонансная схема LC. В данном случае регулятор тока емкостной. Дестабилизирующая нагрузка регулятора тока представляет собой катушку индуктивности с последовательным сопротивлением. Эквивалентная схема, поддерживающая как регуляторы тока, так и регуляторы напряжения, показана на  9.0073 Рисунок 1 .

Рисунок 1. Эквивалентная схема, показывающая индуктивность и емкость, связанные с индуктивностью регулятора напряжения, емкостью регулятора тока и реактивной нагрузкой.

В этом моделировании L установлен на 1 мкГн, а C на 1 мкФ. Этот выбор нормализует волновое сопротивление резонанса на уровне 1 Ом.

Схема на Рисунке 1 моделируется при сканировании резистора R1, а затем отдельном сканировании резистора R2. Результаты, показанные на Рисунок 2 , покажите минимумы, когда R1 или R2 равны 1,22. И поскольку это нормализовано, R1 или R2 будут установлены на 1,21 * Zo.

Два других случая, заслуживающих внимания, показаны на Рис. 3 . Один случай, когда каждый резистор настроен на половину от 1,22 или 0,61 Ом каждый, что приводит к красной кривой (1,1 Ом пик). Во втором случае, когда каждый резистор настроен на соответствие характеристическому импедансу 1 Ом, получается плоский импеданс (1 Ом пик). Это основной принцип подключения ВЧ-источников с сопротивлением 50 Ом к ВЧ-нагрузкам с сопротивлением 50 Ом с использованием кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом.

Рисунок 3. Существует определенная зависимость от того, где расположен резистор. Обратите внимание, что существует особый случай, когда последовательный резистор и ESR соответствуют характеристическому импедансу (sqrt(L/C)), что приводит к плоскому импедансу. Когда резисторы равномерно распределены между ESR и последовательным сопротивлением, пиковое сопротивление на 10 процентов превышает характеристическое сопротивление.

Мы можем применить эти знания для стабилизации любого контура управления всего за несколько минут. Нам нужно только определить значение выходной индуктивности источника (операционный усилитель, источник опорного напряжения, регулятор напряжения). Самый быстрый способ определить это — измерить импеданс с дестабилизирующей нагрузкой или без нее. У вас может быть несколько вариантов в зависимости от ВАЦ, который вы используете для измерения.

Пример измерения, выполненного на преобразователе постоянного тока, показан на Рис. 4 . OMICRON Lab Bode 100 может напрямую отображать индуктивность; его можно оценить по точке импеданса 3 дБ, показанной курсором 1, или по резонансной частоте 157 кГц при установленном конденсаторе 15 мкФ.

Рис. 4. Индуктивность регулятора напряжения может быть получена множеством способов, в зависимости от используемого ВАЦ. Bode 100, используемый для этого примера, может отображать его напрямую, что является предпочтительным. Его также можно аппроксимировать по резонансной частоте с конденсатором или по точке импеданса 3 дБ, как отмечено курсорами.

После определения индуктивности установите общее сопротивление равным 1,4* характеристического импеданса. Это значение варьируется от 1 до 1,4 в зависимости от конкретной схемы, но использование 1,4 всегда будет хорошим выбором.

Общее сопротивление можно определить как:

В случае регуляторов напряжения и эталонов напряжения можно выбрать как емкость, так и ESR, поэтому существует множество вариантов. Большие конденсаторы приведут к меньшему максимальному импедансу. Выходное сопротивление регулятора напряжения схемы на рис. 4 составляет 57 нГн и 26 мОм. Конденсатор 15 мкФ с ESR 10 мОм. Это можно определить из таблицы данных, предполагая, что она указывает ESR, но более точно это видно из минимумов импеданса на частоте 700 кГц на рисунке 3 при измерении импеданса.

Последовательное сопротивление равно 26 мОм, которое можно вычесть из требуемого полного сопротивления:

Эквивалентная схема на рис. 4 смоделирована с использованием измеренного ESR конденсатора 10 мОм с рассчитанным ESR 61 мОм. Результаты, показанные на Рисунок 5 , подтверждают, что установка ESR на 61 мОм уменьшила максимум в резонансе менее чем на 10 процентов выше расчетного характеристического импеданса 62 мОм.

Рис. 5. Моделирование с использованием индуктивности и последовательного сопротивления из измерения, показанного на рис. 4, а также нагрузочного конденсатора моделируется здесь на КРАСНОЙ кривой. Установка ESR конденсатора, как указано здесь, приводит к 10-процентному пиковому превышению характеристического импеданса, что является хорошим балансом между стабильностью и производительностью.

Резюме

Этот метод стабилизации контура управления требует только одного быстрого измерения и прост в применении ко всем типам цепей.

1. Определить индуктивность цепи регулятора напряжения или емкость регулятора тока путем прямого измерения

2. Если конденсатор определен, найти резистор

3. Если конденсатор не определен, выбрать его на основе на требуемом волновом сопротивлении

4. Установите ESR конденсатора на 1,4*Zo — последовательное сопротивление

Стабильность затем можно подтвердить с помощью традиционной диаграммы Боде, NISM или отклика на ступенчатую нагрузку.

Пример, который я здесь использовал, доступен бесплатно на видеоканале Keysight How To.4 Эта полная имитационная модель (см. Рис. 6 ) позволяет напрямую моделировать график Боде для двух случаев, показанных на Рис. 5 (см. Рис. 7  и 8 ).

Рис. 6. Схема примера преобразователя постоянного тока LM20143 из видеоканала Keysight EE Power Integrity.

Это является причиной пика импеданса, показанного на рис. 4.9.0074

60 градусов обычно считаются оптимальным балансом между стабильностью и производительностью.

Советы

Обязательно измерьте индуктивность или емкость активной цепи в нескольких рабочих условиях. Многие схемы будут меняться в зависимости от рабочего напряжения или рабочего тока.

Перед тем, как выбрать одно для своей схемы, рекомендуется измерить множество устройств. Индуктивность или емкость активной цепи могут сильно различаться в зависимости от производителя и/или детали. Чем меньше емкость регулятора тока и чем меньше индуктивность регулятора напряжения, тем лучше. Они уменьшают волновое сопротивление, требуя меньшего последовательного сопротивления для стабильности.

Есть два соотношения, которые могут оказаться полезными:

1. Выходная индуктивность импульсного регулятора не равна индуктивности выходного фильтра, но пропорциональна индуктивности фильтра. Уменьшение значения индуктивности фильтра приведет к пропорциональному уменьшению выходного импеданса, используемого для оценки стабильности.

2. Индуктивность линейного стабилизатора, опорного напряжения или операционного усилителя обратно пропорциональна рабочему току. Добавление нагрузочного резистора может значительно уменьшить представленную индуктивность, что приведет к уменьшению емкости конденсаторов. Это особенно верно для схем, которые могут работать при очень низком выходном токе.