Четырехквадрантный источник питания с любой полярностью напряжения и тока

Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2018

Обычные источники питания работают только в первом квадранте, отдавая в нагрузку положительное напряжение и положительный ток, или, в случае преднамеренно перепутанной полярности, статически в третьем квадранте как «отрицательный» источник питания. Однако обычный источник не может работать ни во втором квадранте в качестве регулируемой нагрузки для источника отрицательного питания, ни в четвертом квадранте в качестве, например, тестера, разряжающего батарею заданным постоянным током. Кроме того, он не способен плавно переходить из режима в режим в ответ на изменения нагрузки или управляющие воздействия.

Схема на Рисунке 1 с топологией выхода, похожей на обычный аудио усилитель мощности, используя «комплементарную» конфигурацию проходного транзистора, предоставляет возможность полноценной работы в четырех квадрантах. В слаботочных конструкциях комплементарная секция может представлять собой просто выход операционного усилителя, а в случаях, когда требуются более высокие токи, можно использовать внешние мощные MOSFET. Задача управления выходом в различных режимах становится очень простой, если за основу схемы управления источником питания взять мощный операционный усилитель LT1970, интегрированные цепи обратной связи которого способны ограничивать выходной ток.

Рисунок 1.	Используя в выходном каскаде мощный операционный усилитель, можно сделать четырехквадрантный источник питания.

Четырехквадрантный источник питания обеспечивает регулировку напряжения в пределах, по крайней мере, ±16 В при выходном токе до ±2 А. На Рисунке 1 изображен базовый блок регулятора, основанного на микросхеме LT1970. На Рисунке 2 показан управляемый пользователем аналоговый блок, в котором используются микросхемы опорного источника LT1790-5 и счетверенного прецизионного операционного усилителя LT1882. Вся схема работает от мощного стабилизированного источника питания ±17 В (на Рисунке 2 не показан). Потенциометры V_SET и I_LIMIT обеспечивают перестраиваемые пользователем буферизованные сигналы управления: V_CONTR и I_CONTR, соответственно (Рисунок 2). Сигнал V_CONTR, который может регулироваться в диапазоне от –5 В до +5 В, усиливается схемой регулятора LT1970 до номинального выходного диапазона ±16.5 В. Сигнал I_CONTR может регулироваться от 0 до 5 В. Максимальному порогу ограничения тока соответствует напряжение 5 В. Подстроечные резисторы V_CSNK и V_CSRC ослабляют сигналы точной установки токов полной шкалы I_CONTR для втекающего и вытекающего режимов, соответственно (Рисунок 1).

Рисунок 2.	Дополнительная схема позволяет устанавливать диапазон напряжения и пороги ограничения тока для выходного каскада на Рисунке 1.

Падение напряжения на токоизмерительном резисторе 0.1 Ом, включенном в цепь нагрузки, служит сигналом обратной связи для LT1970 в процессе ограничения выходного тока. С токоизмерительным резистором такого сопротивления установка подстроечных резисторов V_CSNK и V_CSRC в максимальное положение позволяет LT1970 ограничивать ток на уровне примерно ±5 A, но, поскольку для данного приложения требуется максимальный ток 2 А, при калибровке подстроечные резисторы следует повернуть приблизительно на 40% от начального положения. Чтобы предотвратить конфликты внутреннего управления при низком выходном токе, в LT1970 установлен минимальный порог ограничения тока, который соответствует току измерительного резистора примерно 40 мА. Еще одной приятной особенностью микросхемы LT1970 является наличие статусных флагов, которые, в данном случае, обеспечивают простой способ управления светодиодом на передней панели, указывающим на активность ограничителя тока. LT1970 имеет раздельные выводы питания, позволяющие отделить питание выходного каскада от питания аналоговых цепей управления. Гибкость конфигурации этой микросхемы дает возможность напрямую измерять выходной ток операционного усилителя с помощью резистора, подключенного к входами SENSE+ (вывод 4) и SENSE– (вывод 6). Совокупность функций, поддерживаемых микросхемой, дает удобное средство управления MOSFET выходного каскада класса B с использованием обратной связи по току, когда выходной ток операционного усилителя преобразуется в управляющий потенциал затвора, благодаря чему MOSFET открываются лишь на столько, чтобы помочь операционному усилителю поддержать необходимый выходной ток.

Поскольку источники питания по своей природе должны работать на большие емкостные нагрузки, а именно, на схемы с большой суммарной емкостью блокировочных конденсаторов, и любое чрезмерное напряжение может повредить схему, особое внимание следует обращать на коррекцию операционного усилителя, минимизирующую выбросы при любых параметрах нагрузки. Как и в большинстве операционных усилителей, устойчивость к емкостной нагрузке обеспечивается внутренними и внешними петлями обратной связи LT1970. При этом сам ОУ отвязан от нагрузки резисторами. Для получения сигнала обратной связи по постоянному току для LT1970 используется дифференциальное измерение напряжения, исключающее ошибку регулирования, обусловленную сопротивлениями последовательных проводов. Для контроля в реальном времени условий в нагрузке к схеме можно подключить пару недорогих цифровых щитовых измерительных приборов (Рисунок 1). (Два цифровых прибора не имеют общих точек подключения, что может усложнить их питание). Заметим, что выбранное сопротивление токоизмерительного резистора оптимально для щитовых измерительных приборов с наиболее распространенным диапазоном полной шкалы ±200 мВ и позволяет отображать выходные токи, например, до ±1.999 А. Небольшое предостережение… При использовании этой схемы вместо обычного одноквдрантного источника для питания чувствительной электроники рекомендуется подключить катод обратно смещенного диода Шоттки, такого, например, как 1N5821, к более положительной выходной клемме. В качестве альтернативы в конструкции можно использовать отключающее реле и схему секвенсора питания, защищающие нагрузку от любых обратных выбросов во время включения и выключения общего источника питания.

Регулируемый источник питания является незаменимым инструментом в любой лаборатории электроники. Во многих случаях он может быть еще полезнее, если дает возможность непрерывно регулировать полярность через 0 В, настраивать ограничение тока или делать и то, и другое при любых направлениях тока. Эти дополнительные возможности обеспечивают удобные методы управления или нагрузки разрабатываемых или тестируемых схем, для которых в противном случае могло бы потребоваться такое специальное или очень нестандартное оборудование, как устройства активной нагрузки или генераторы смещения постоянного тока. Все эти функции легко реализовать, если в качестве основы линейного регулятора использовать универсальный операционный усилитель LT1970, имеющий встроенные цепи обратной связи, предназначенные для ограничения выходного тока.

Материалы по теме