Применение операционных усилителей. Часть 1.

Регулирование тока нагрузки на примере светодиодного драйвера.

Как известно, - для питания светодиодов требуется стабильный ток. Устройство, способное питать светодиоды стабильным током, называется драйвером светодиодов. Эта статья посвящена изготовлению такого драйвера с использованием операционного усилителя.

Итак, главная идея заключается в том, чтобы стабилизировать падение напряжения на резисторе известного номинала (в нашем случае - R3), включенном в цепь последовательно с нагрузкой (светодиодом). Поскольку резистор включен последовательно со светодиодом, то через них протекает одинаковый ток. Если этот резистор подобран таким образом, что он практически не нагревается, то и сопротивление его будет неизменным. Таким образом, стабилизировав падение напряжения на нём, мы стабилизируем и ток через него и, соответственно ток через светодиод.

Схема регулятора тока нагрузки на ОУ

Причём же здесь операционный усилитель? Да при том, что одним из его замечательных свойств является то, что ОУ стремится к такому состоянию, когда разность напряжений на его входах равна нулю. И делает он это путём изменения своего выходного напряжения. Если разность U1-U2 положительна - выходное напряжение будет возрастать, а если отрицательна - уменьшаться.

Представим, что наша схема находится в некоем равновесном состоянии, когда напряжение на выходе ОУ равно Uвых. При этом через нагрузку и резистор протекает ток Iн. Если по каким либо причинам ток в цепи возрастёт (например, если под действием нагрева уменьшится сопротивление светодиода), то это вызовет увеличение падения напряжения на резисторе R3 и, соответственно, увеличение напряжения на инвертирующем входе ОУ. Между входами ОУ появится отрицательная разность напряжений (ошибка), стремясь скомпенсировать которую, операционник будет уменьшать выходное напряжение. Он будет делать это до тех пор, пока напряжения на его входах не станут равными, т.е. пока падение напряжения на резисторе R3 не станет равным напряжению на неинвертирующем входе ОУ.

Таким образом, вся задача свелась к тому, чтобы стабилизировать напряжение на неинверирующем входе ОУ. Если вся схема питается стабильным напряжением Uп, то для этого достаточно простого делителя (как на схеме 1). Раз делитель подключен к стабильному напряжению, то и выход делителя тоже будет стабильным.

Расчёты: Для расчётов выберем реальный пример: пусть мы хотим запитать два сверхъярких светодиода подсветки сотового телефона Nokia от напряжения Uп=12В (отличный фонарик в машину). Нам нужно получить ток через каждый светодиод 20 мА и при этом у нас имеется выковырянный с материнской платы сдвоенный операционный усилитель LM833. При таком токе наши светодиоды светят гораздо ярче, чем в телефоне, но сгорать и не собираются, значительный нагрев начинается где-то ближе к 30 мА. Расчёт будем вести для одного канала операционника, т.к. для второго он абсолютно аналогичен.

напряжение на неинвертирующем входе: U1=Uп*R2/(R1+R2)

напряжение на инвертирующем входе: U2=Iн*R3

из условия равенства напряжений в состоянии равновесия:

U1=U2 => Iн=Uп*R2/R3*1/(R1+R2)

Драйвер светодиодов на ОУ. Фото 1

Как выбирать номиналы элементов?

Во-первых, выражение для U1 справедливо только в том случае, если входной ток операционного усилителя = 0. То есть для идеального операционного усилителя. Чтобы можно было не учитывать входной ток реального ОУ, ток через делитель должен быть по крайней мере раз в 100 больше, чем входной ток ОУ. Величину входного тока можно посмотреть в даташите, обычно для современных ОУ она может составлять от десятков пикоампер до сотен наноампер (для нашего случая input bias current max=1 мкА). То есть ток через делитель должен быть по меньшей мере 100..200 мкА.

Во-вторых, с одной стороны - чем больше R3 - тем более наша схема чувствительна к изменению тока, но с другой стороны - увеличение R3 снижает КПД схемы, поскольку резистор рассеивает мощность, пропорциональную сопротивлению. Будем исходить из того, что мы не хотим падения напряжения на резисторе более 1В.

(Вообще же, если хотят побороться за КПД, то R3 выбирают как можно меньше. Предел уменьшения R3 ограничен таким показателем операционника, как напряжение смещения нуля. Для нормальной работы ОУ, R3 выбирают таким, чтобы минимальное падение напряжения на нём было на пару порядков больше напряжения смещения нуля. Подробнее об этом показателе и его влиянии на работу ОУ читайте в статье про дифференциальный усилитель.)

Драйвер светодиодов на ОУ. Фото 2

Итак, пусть R1=47кОм, тогда с учётом того, что U1=U2=1В, из выражения для U1 получим R2=R1/(Uп/U1-1)=4,272 -> из стандартного ряда выбираем резистор на 4,3 кОм. Из выражения для U2 находим R3=U2/Iн=50 -> выбираем резистор на 47 Ом. Проверим ток через делитель: Iд=Uп/(R1+R2)=234 мкА, что вполне нас устраивает. Мощность, рассеиваемая на R3: P=Iн2*R3=18,8 мВт, что тоже вполне приемлемо. Для сравнения, - самые обычные резисторы МЛТ-0,125 рассчитаны на 125 мВт.

Скачать плату (разводка под SMD)

Как уже было отмечено, описанная выше схема рассчитана на стабильное питание Uп. Что же делать, если питание НЕ стабильное. Самым простым решением является замена сопротивления R2 делителя на стабилитрон. Что важно учитывать в этом случае?

Схема регулятора тока на ОУ. Со стабильным опорным уровнем

Во-первых, важно чтобы стабилитрон мог работать во всем диапазоне напряжения питания. Если ток через R1D1 будет слишком маленьким - напряжение на стабилитроне будет значительно выше напряжения стабилизации, соответственно, выходное напряжение будет значительно выше требуемого и светодиод может сгореть. Итак, нужно, чтобы при Uп min ток через R1D1 был больше или равен Iст min (минимальный ток стабилизации узнаём из даташита на стабилитрон).

R1 max = (Uп min-Uст)/Iст min

Во-вторых, при максимальном напряжении питания ток через стабилитрон не должен быть выше Iст max (наш стабилитрон не должен сгореть). То есть

R1 min =(Uп max-Uст)/Iст max

И, наконец, в-третьих, напряжение на реальном стабилитроне не точно равно Uст, - оно, в зависимости от тока, меняется от Uст min до Uст max. Соответственно, падение на резисторе R3 тоже изменяется от Uст min до Uст max. Это так же следует учитывать, поскольку чем больше ΔUст - тем больше ошибка регулирования тока, в зависимости от напряжения питания.

Схема мощного регулятора тока на ОУ

Ну ладно, с небольшими токами разобрались, а что делать, если нам нужен ток через светодиод не 20, а 500 мА, что превышает возможности операционника? Тут тоже всё достаточно просто - выход можно умощнить с помощью обычного биполярного или полевого транзистора, все расчёты при этом остаются без изменений. Единственное очевидное условие - транзистор должен выдерживать требуемый ток и максимальное напряжение питания.

Ну вот, пожалуй и всё. Удачи! И ни в коем случае не выкидывайте старый радиохлам - у нас впереди ещё много прикольных штуковин.

radiohlam.ruразноесхемы и статьи

Понравилась статья? Поделись с друзьями!

Обсудить эту статью на форуме

 
Rambler's Top100 © 2009 - Материалы сайта охраняются законом об авторском праве