Что такое источник тока
Источник (стабилизатор) тока держит через нагрузку постоянный ток независимо от того, как меняются её сопротивление и напряжение питания. Это зеркальная противоположность источнику напряжения: там фиксировано напряжение, а ток «плавает» — здесь наоборот. Простейший способ получить такой узел на микросхеме — взять регулируемый стабилизатор напряжения LM317 или специализированную ИС LM334 и замкнуть обратную связь через один резистор. Микросхема удерживает на нём постоянное опорное напряжение Vref, а раз по закону Ома постоянное напряжение на постоянном сопротивлении даёт постоянный ток, через нагрузку течёт ровно то значение, которое вы задали. Это особенно удобно с нелинейной нагрузкой вроде светодиода, у которого ток резко зависит от малого изменения напряжения — источник тока сам подстраивается и держит ток стабильным.
R = Vref / I мощность на R = Vref · I
LM317: Vref = 1,25 В LM334: Vsense = 67,7 мВ (при 25 °C)
Как считается резистор и мощность
Ток задаётся единственным резистором: I = Vref / R, откуда R = Vref / I. У LM317 опорное напряжение между выводами OUT и ADJ равно 1,25 В, у LM334 напряжение на резисторе задания — около 67,7 мВ при 25 °C. Делим опорное напряжение на нужный ток и берём ближайший стандартный номинал; если требуется высокая точность, резистор набирают из пары. Небольшой собственный ток покоя вывода ADJ (у LM317 порядка 50–100 мкА) добавляется к заданному и слегка завышает результат, но на токах в десятки миллиампер этой поправкой можно пренебречь.
На самом резисторе рассеивается мощность P = Vref · I. Для LM317 это всего 1,25 В, умноженные на ток, поэтому резистор греется умеренно. А вот саму микросхему нагревает куда большая мощность — произведение тока на разницу вход-выход (Uвх − Uвых) · I; именно её отводит корпус или радиатор, и именно она, а не резистор, обычно ограничивает максимальный ток на практике. Кроме того, источник работает как задумано только при достаточном запасе по напряжению: питание должно превышать сумму напряжения на нагрузке, опорного напряжения на резисторе и минимального падения на самой микросхеме (для LM317 — около 3 В). Если запаса не хватает, ток «проседает» ниже заданного.
LM317, LM334 и схемы на транзисторе или ОУ
LM317 удобен для токов примерно от 10 мА до 1,5 А. Большое опорное напряжение 1,25 В делает схему помехоустойчивой, но требует заметного падения на резисторе; кроме того, микросхеме нужен минимальный ток нагрузки в несколько миллиампер, поэтому на совсем малые токи её не ставят. LM334 работает от единиц микроампер до ~10 мА, его опорное напряжение мало, зато ток пропорционален абсолютной температуре и растёт примерно на 0,3 % на каждый градус — для точных задач его термокомпенсируют.
Источник тока строят и на дискретных элементах. На биполярном транзисторе ток коллектора задаёт напряжение на эмиттерном резисторе (см. смещение транзистора), а схема на операционном усилителе (усиление ОУ) с токоизмерительным резистором держит ток точнее и не привязана к Vref конкретной ИС. Простейший ограничитель тока получается даже на стабилитроне и одном транзисторе. Ещё проще двухвыводной токозадающий диод (стабилизатор тока на полевом транзисторе), но его ток задан при изготовлении и резистором не настраивается. Выбор схемы зависит от требуемого тока, точности и запаса по напряжению питания.
Справочные данные: ток → резистор
Для LM317 (Vref = 1,25 В) удобно держать под рукой готовые пары «ток — резистор». Ближайший номинал из ряда E24 слегка сдвигает реальный ток, что для питания светодиодов обычно некритично. Для LM334 те же токи получаются с резисторами примерно в 18 раз меньше — пропорционально отношению опорных напряжений (67,7 мВ против 1,25 В).
| Ток I | R = 1,25 / I | Ближайший E24 | Мощность на R |
| 10 мА | 125 Ом | 120 Ом | 12,5 мВт |
| 20 мА | 62,5 Ом | 62 Ом | 25 мВт |
| 50 мА | 25 Ом | 24 Ом | 62,5 мВт |
| 100 мА | 12,5 Ом | 12 Ом | 0,125 Вт |
| 500 мА | 2,5 Ом | 2,4 Ом | 0,625 Вт |
| 1 А | 1,25 Ом | 1,2 Ом | 1,25 Вт |
Как применять на практике
Самое частое применение — питание светодиодов постоянным током: яркость и срок службы зависят именно от тока, а не от напряжения, поэтому источник тока стабильнее обычного гасящего резистора для светодиода, особенно когда меняются напряжение питания или температура. Одну цепочку последовательно включённых светодиодов удобно кормить одним стабилизатором тока; при разветвлении на несколько веток учитывают разброс между ними (см. соединение светодиодов). Зарядка маломощных аккумуляторов, смещение датчиков, генераторы линейно нарастающего напряжения — тоже классические задачи стабилизатора тока.
Выбирая резистор задания, проверьте его допустимую мощность и дератинг (мощность резистора) — на больших токах P = Vref · I доходит до ватта и выше. Саму микросхему при значительных токах ставят на радиатор. Точный номинал берут из ряда E24/E96 или набирают парой резисторов. Если нужно несколько одинаковых токов, обычно проще поставить отдельный стабилизатор на каждую ветку, чем делить один.
Частые ошибки
Первая — ставить LM317 на слишком малый ток: ниже ~10 мА собственный ток покоя микросхемы делает выход нестабильным, для микротоков нужен LM334. Вторая — забывать про мощность и падение напряжения на самой микросхеме: при большой разнице вход-выход греется её корпус, а не резистор задания. Третья — считать LM334 прецизионным при перепадах температуры: его ток заметно уходит с нагревом. Четвёртая — превышать предельный ток LM317 в 1,5 А. Пятая — брать резистор задания без запаса по рассеиваемой мощности и получать перегрев на больших токах.
Пример
По умолчанию в калькуляторе выбраны LM317 и ток 20 мА. Резистор: R = 1,25 / 0,02 = 62,5 Ом, ближайший стандартный номинал — 62 Ом (даёт реальные ~20,2 мА). Мощность на резисторе: 1,25 · 0,02 = 25 мВт, так что подойдёт резистор 0,125 Вт. Для LM334 на те же 20 мА понадобится R = 0,0677 / 0,02 ≈ 3,4 Ом.
См. также: стабилизатор LM317 · резистор для светодиода · мощность резистора · ряды E24/E96 · все калькуляторы
|
