Электронный ключ с регулированием тока в нагрузке.

29 December 2018

Иногда требуется регулировать ток в нагрузке. Обычно для этой цели используют резисторы или мощные биполярные транзисторы. В данном устройстве ток через нагрузку регулируется с помощью мощного полевого транзистора, а также можно включать и выключать эту нагрузку. Предлагаемый ключ имеет гальваническую развязку цепи управления от силовой. Питание ключа осуществляется от источника питания нагрузки. Электрическая схема электронного ключа с регулированием тока в нагрузке представлена на рис.1. Устройство работает следующим образом. Учтем, что защитные диоды полевых транзисторов включены катодом к стоку. В исходном состоянии каналы полевых транзисторов закрыты (нет питания). Пусть положительная полуволна сетевого напряжения присутствует на выводе N. Ток проходит через резистор R6, стабилитрон VD2, защитный диод полевого транзистора VT1, фаза А. На стабилитроне VD2 возникает падение напряжения в 12В. Через диод VD1 заряжается конденсатор С1 и микросхема VR1 получает питание. При отрицательной полуволне сетевого напряжения на выводе N устройство не получает питания, так как защитный диод полевого транзистора VT1 закрыт. Микросхема VR1 представляет собой регулируемый стабилизатор положительного напряжения с малым падением напряжения вход-выход. Она имеет встроенную защиту по току и перегреву. Выходное напряжение может регулироваться в пределах от1,2 …34В. Отечественный аналог импортной микросхемы КР142ЕН22. На микросхеме DA1 выполнен инвертирующий триггер Шмидта. Использование интегрального таймера DA1 в качестве инвертирующего триггера Шмидта позволяет также улучшить работу схемы. Как видно из схемы - затворы подключены к выводу 7 DA1. Это позволяет шунтировать затворы напрямую к общему проводу при низком выходе (уровень 0), что улучшает помехоустойчивость. Да и сам триггер DA1 имеет гистерезис входных напряжений в 1/3Vсс и 2/3Vcc напряжения питания. Пусть светодиод оптрона U1 не светит и тогда его транзистор будет закрыт. В результате на выводах 2,6 инвертирующего триггера DA1 будет присутствовать высокий уровень напряжения, а на выходе (вывод3) низкий. Транзисторы VT1,VT2 закрыты и нагрузка обесточена. Если светит светодиод оптрона U1, он открывает его транзистор. На выводах 2,6 инвертирующего триггера DA1 низкий уровень напряжения, а выходе 3 высокий уровень напряжения, который открывает полевые транзисторы VT1,VT2 и нагрузка получает питание. Ток нагрузки проходит через открытый канал транзистора VT1,открытый канал транзистора VT2 и его защитный диод (для случая- на фазе А положительная полуволна сетевого напряжения). При отрицательной полуволне на фазе А ток нагрузки проходит через открытый канал транзистора VT1 и его защитный диод, открытый канал транзистора VT2 (защитный диод закрыт). Рассмотрим, как получает питание устройство при открытых каналах транзисторов VT1,VT2. Пусть на фазе А действует положительная полуволна. Ток проходит через открытый канал транзистора VT1,стабилитрон VD2 (падение напряжение на нем 0,7В), резистор R6,вывод N. На фазе А действует отрицательная полуволна. Ток проходит через открытый канал транзистора VT1 и его открытый защитный диод, стабилитрон VD2 (падение на нем 12В), резистор R6,вывод N. При использовании устройства совместно с индуктивной нагрузкой, между стоками транзисторов VT1-VT2 необходимо установить диод 1,5КЕ400СА, защищающий их от всплесков напряжения, возникающих на индуктивной нагрузке при её коммутации. Рассмотрим, как осуществляется регулировка тока в нагрузке. Выходное напряжение с микросхемы DA1 поступает на затворы полевых транзисторов. Изменяя напряжение питания микросхемы DA1, мы изменяем уровень её выходного сигнала, который в свою очередь является управляющим напряжением для полевых транзисторов. Полевые транзисторы с индуцированным затвором при нулевом напряжении между затвором и истоком имеют нулевой ток стока. Появление тока стока в таких транзисторах происходит при напряжении на затворе больше порогового уровня Uпор. Увеличение напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока. Обычно пороговое напряжение находится в пределах 4-5В. Иногда пороговое напряжение называют напряжением отсечки. Но существуют полевые транзисторы, имеющие пороговое напряжение в 2-3В. Фирма IRF добавляет в обозначение таких транзисторов букву L. Выходные характеристики полевых транзисторов, как правило, имеют две области: линейную и насыщения. В линейной области вольтамперные характеристики вплоть до точки перегиба представляют собой прямые линии, наклон которых зависит от напряжения на затворе. В области насыщения вольтамперные характеристики идут практически горизонтально, что позволяет говорить о независимости тока стока от напряжения на стоке. Особенности этих характеристик обуславливают области применения этих транзисторов. В линейной области полевой транзистор используется как сопротивление, управляемое напряжением на затворе. Области насыщения и отсечки используют как ключ, управляемый напряжением на затворе. Таким образом, изменяя с помощью резистора R5 величину выходного напряжения стабилизатора VR1, происходит установка тока через электронный ключ. Ключ может коммутировать, регулировать и постоянный ток. К выводу А необходимо подключить (-)Еп, а к выводу N подключаем (+)Еп. Величина резистора R6 выбирается в зависимости от приложенного к ключу напряжения (исходя от тока стабилитрона в 30мА). Достоинством устройства является неискаженная форма сигнала на нагрузке. Это устройство можно использовать также в качестве нагрузочного сопротивления, при условии обдува радиаторов транзисторов потоком воздуха от вентилятора.

Светодиод VD3 служит для индикации включения электронного ключа. Устройство собрано на печатной плате размером 112*55мм.

Для низких напряжений желательно поставить низковольтные транзисторы (IRFP4368PbF напряжение исток-сток 75В, длительный ток при температуре25гр. 350А, сопротивление канала 1,4миллиОм) и др. подобные можно найти на сайте фирмы IRF.