Способы изменения тока через нагрузку или резистор и напряжения нагрузки или резистора

В данной статье описаны различные элементы, с помощью которых можно изменять ток в нагрузке, последовательно включённых элементах. Приведены преимущества, недостатки (сравнение способов), применение. Приведены схемы. Также сказано про операционные усилители и преобразователи напряжения. Приведены схемы преобразователей на базе LM317 и LM337, затронут модуль LM2596. Однако в подробностях не расписано и схемы других преобразователей напряжения не приведены.

Материалы данной статьи могут предоставлять интерес радиолюбителям, студентам, инженерам для сборки, проектирования различных преобразователей напряжения и в познавательных целях.

В квадратных скобках обозначены номера источников в списке литературы.

1. С помощью переменного резистора (реостата)

Рис 1. Потенциометр (реостат, переменный резистор), соединённый последовательно с нагрузкой

Применение: настраиваемый делитель напряжения

Рис 2. Делитель напряжения с регулируемым коэффициентом деления

Преимущества:

1) Простота реализации для ручного регулирования.

2) Возможность для постоянного и переменного тока.

Недостатки:

1) Необходимость применения электродвигателя при автоматическом регулировании.

2) Ограниченное быстродействие.

3) Огромные тепловые потери при регулировании тока через двигатель, нагреватель.

2. С помощью резисторов и коммутационных элементов

Рис 3. Схема с резисторами и коммутационными элементами (переключаемыми резисторами)

Возможное применение: симисторный регулятор мощности управляемый от Arduino.

Преимущества:

1) Возможность для постоянного и переменного тока при использовании механических ключей.

Недостатки:

1) Огромные тепловые потери при регулировании тока через двигатель, нагреватель.

2) Сложная реализация не механических ключей для переменного тока.

3) Ограниченно быстродействие при применении механических ключей.

Возможное применение: симисторный регулятор мощности управляемый от Arduino.

Преимущества:

1) Возможность для постоянного и переменного тока при использовании механических ключей.

Недостатки:

1) Огромные тепловые потери при регулировании тока через двигатель, нагреватель.

2) Сложная реализация немеханических ключей для переменного тока.

3) Ограниченно быстродействие при применении механических ключей.

3. С помощью переменных индуктивностей (катушек, дросселей)

Рис 4. Схема с переменной катушкой индуктивности, включённой последовательно нагрузке

Преимущества

1) Отсутствие тепловых потерь на индуктивном сопротивлении.

2) Возможность ручного регулирования путём присоединения ручки к сердечнику.

Недостатки

1) Этот способ возможен только для переменного тока

2) Зависимость индуктивного сопротивления от частоты

3) Ограниченное быстродействие.

4) Необходимость применения двигателя при автоматическом регулировании

5) Для больших токов требуется большой сердечник. С увеличением размера сердечника увеличивается стоимость, гистерезис и потери.

4. С помощью переменных конденсаторов

Рис 5. Схема с переменным конденсатором, включённым последовательно нагрузке

Преимущества

1) Отсутствие тепловых потерь на ёмкостном сопротивлении.

Недостатки

1) Этот способ возможен только для переменного тока.

2) Ограниченный диапазон изменения электроёмкости конденсатора: пикофарады, нанофарады.

3) Ограниченное быстродействие.

4) Необходимость применения двигателя при автоматической реализации.

5. С помощью переключаемых конденсаторов

Рис 6. Схема переключаемыми конденсаторами

Применение

1) В схемах управления асинхронным двигателем[1]

Преимущества

1) В некоторых схемах при применении переключающихся конденсаторов снижается напряжение на транзисторные ключи [1]

Недостатки

1) Сложность реализации быстродействующих ключей.

2) При применении механических реле будет низкое быстродействие.

6. С помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТР) [2, 3]

Рис 7. Схема с лабораторным автотрансформатором и нагрузкой

Преимущества

1) Простая реализация

Недостатки

1) Этот способ возможен только для переменного тока.

2) Низкое быстродействие для изменения тока

Применение

1) В лабораториях

2) В местах, где напряжение сети понижено или повышено

7. С помощью биполярного транзистора [4, 5], работающего в активном нормальном режиме [6]

Рис 8 — схема с биполярным транзистором, включённым последовательно нагрузке: а — npn, б — pnp.

Для изменения направления тока применяется мостовая или полумостовая схема.

Преимущества

1) Низкий уровень помех.

2) Высокое быстродействие в отличие от ЛАТР переменного резистора, резисторов, переключаемых механическим реле, однако в некоторых случаях уступают полевым.

3) Не подвергаются пробою статическим электричеством в отличие от полевых транзисторов.

4) Шире допустимый температурный диапазон [7]

Недостатки

1) Большие тепловые потери

2) Большой ток управления (базы) по сравнению с полевыми транзисторами. В результате чего снижается КПД при управлении большими мощностями и возникает необходимость многокаскадного драйвера при управлении большими мощностями

3) Чем больше температура, тем ниже сопротивление, из-за чего нельзя включать параллельно без выравнивающих резисторов с целью распределения тока по транзисторам для уменьшения нагревания [8]

4) Биполярные транзисторы могут иметь большое время задержки при переключении из закрытого состояния в открытое.

5) На входе схемы должно быть постоянное напряжение (или изменяющееся только по модулю и не изменяющееся по направлению). Возможен переменный ток с постоянной составляющей в нагрузке. Чтобы менять направление тока, необходимо применить мостовую схему.

6) Выше уровень собственных шумов в отличие от полевых транзисторов.

Применение

Аудио усилители, операционные усилители, управление слабым током (менее 0,1 А), управление яркостью светодиода при нежелательных пульсациях.

8. С помощью биполярного транзистора, работающего в ключевом режиме, и сглаживающего фильтра.

Рис 9 — схема с включённым последовательно нагрузке и сглаживающим фильтром биполярным транзистором, работающим в ключевом режиме,: а — npn, б — pnp.

Преимущества

1) Низкие тепловые потери

2) Высокое быстродействие

3) Не подвергаются пробою статическим электричеством в отличие от полевых транзисторов.

Недостатки

1) Высокий уровень помех, возникаемый из-за ШИМ.

2) Большой ток управления (базы) по сравнению с полевыми транзисторами. В результате чего снижается КПД при управлении большими мощностями и возникает необходимость многокаскадного драйвера при управлении большими мощностями.

3) Чем больше температура, тем ниже сопротивление, из-за чего нельзя включать параллельно без выравнивающих резисторов с целью распределения тока по транзисторам для уменьшения нагревания.

4) Биполярные транзисторы могут иметь большое время задержки при переключении из закрытого состояния в открытое.

5) На входе схемы должно быть постоянное напряжение (или изменяющееся только по модулю и не изменяющееся по направлению). Возможен переменный ток с постоянной составляющей в нагрузке. Чтобы менять направление тока, необходимо применить мостовую схему.

Рис10 . Мостовая схема с применением n-p-n и p-n-p транзисторов

Рис 11. Мостовая схема с применением n-p-n транзисторов

Рис 12. Полумостовая схема с применением n-p-n транзисторов

Рис 13. Двухтактный транзисторный ключ на биполярных транзисторах

Применение

1) Управление слаботочным двигателем постоянного тока, слаботочным шаговым двигателем, силовая электроника.

2) Управление током через светодиод

9. С помощью полевого (MOSFET, МОП) [9, 5] транзистора работающего в режиме изменения активного сопротивления (активном режиме)

Рис 14. схема с MOSFET-транзистором, включённым последовательно нагрузке а — схема с n-канальным полевым транзистором, б — схема с p-канальным полевым транзистором

При применении мостовой или полумостовой схемы возможно изменение не только модуля тока, но и направления. Мостовая схема позволяет обеспечить ток в нагрузке больше, чем полумостовая.

Преимущества

1) Низкий уровень помех

2) Высокое быстродействие

3) Низкий ток затвора, при изменяющемся напряжении «Затвор-исток» или отсутствие тока при постоянном напряжении «Затвор-исток»

4) Чем больше температура транзистора, тем выше его сопротивление. Это позволяет включать транзисторы параллельно [8]

5) Меньше уровень собственных шумов, в отличие от биполярных транзисторов.

Недостатки

1) Большие тепловые потери

2) На входе схемы должно быть постоянное напряжение (или изменяющееся только по модулю и не изменяющееся по направлению). Возможен переменный ток с постоянной составляющей в нагрузке. Чтобы менять направление тока, необходимо применить мостовую схему.

3) Необходимость применения драйвера для управления силовыми транзисторами

4) Электроёмкость «Затвор-исток» может превысить 1,5 нФ, что требует повышение мощности драйвера при обеспечении высокого быстродействия. С увеличением максимально допустимого напряжения и максимально допустимого тока растёт емкость затвора и затрудняет применение на высоких частотах для больших токов.

5) Подвергаются пробою при воздействии статического электричества. Возникает необходимость защищать от попадания электричества при транспортировке, паять заземлённым оборудованием. Прикосновение рукой может повредить транзистор.

6) сложность использования с источником переменного напряжения.

7) На частотах более 1,5 ГГц быстро растёт потребляемая мощность.

8) В полевых транзисторах большой мощности возможен паразитный биполярный транзистор.

10. С помощью полевого транзистора (MOSFET, МОП), работающего в ключевом режиме, и сглаживающего фильтра

В данной статье из полевых транзисторов рассматриваются только со структурой МОП (металл-оксид-полуспроводник). По-английски MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). JFET-транзисторы в данной статье не рассматриваются.

Рис 15. схема с включённым последовательно нагрузке и сглаживающим фильтром MOSFET-транзистором, работающим в ключевом режиме: а — схема с n-канальным полевым транзистором, б — схема с p-канальным полевым транзистором

Рис 16. Мостовая схема с n-канальными MOSFET-транзисторами

Рис 17. Полумостовая схема с n-канальными MOSFET-транзисторами

Рис 18. Двухтактный транзисторный ключ на MOSFET-транзисторах

Преимущества

1) Низкие тепловые потери

2) Высокое быстродействие

3) Низкий ток затвора, при изменяющемся напряжении «Затвор-исток» или отсутствие тока при постоянном напряжении «Затвор-исток»

4) Чем больше температура транзистора, тем выше его сопротивление.

Недостатки

1) Высокий уровень помех.

2) На входе схемы должно быть постоянное напряжение (или изменяющееся только по модулю и не изменяющееся по направлению). Возможен переменный ток с постоянной составляющей в нагрузке. Чтобы менять направление тока, необходимо применить мостовую схему.

3) Необходимость применения драйвера для управления силовыми транзисторами.

4) Электроёмкость «Затвор-исток» может превысить 1,5 нФ, что требует повышение мощности драйвера при обеспечении высокого быстродействия. С увеличением максимально допустимого напряжения и максимально допустимого тока растёт емкость затвора и затрудняет применение на высоких частотах для больших токов.

5) Подвергаются пробою при воздействии статического электричества. Возникает необходимость защищать от попадания электричества при транспортировке, паять заземлённым оборудованием. Прикосновение рукой может повредить транзистор.

6) сложность использования с источником переменного напряжения.

7) На частотах более 1,5 ГГц быстро растёт потребляемая мощность.

8) В полевых транзисторах большой мощности возможен паразитный биполярный транзистор.

Применение

Компьютерные блоки питания, блоки питания на основе импульсных трансформаторов, импульсные преобразователи (понижающий, повышающий, инвертирующий), источник питания элемента Пельтье, силовая электроника, преобразователи частоты, регулирование скорости вращения электродвигателя, преобразователи постоянного напряжения в переменное (инверторы).

11. С помощью IGBT транзисторов [10, 11], работающих в ключевом режиме, и сглаживающего фильтра

Рис 19. Схема с IGBT-транзистором и сглаживающим фильтром

Рис 20. Мостовая схема с IGBT-транзистором и сглаживающим фильтром

Преимущества

1) Меньше ток управления в отличие от биполярных транзисторов (управляется напряжением)

2) Высокое входное сопротивление

3) высокое быстродействие в отличие от механических реле

4) Высокая проводимость, малые потери при больших токах в отличие от полевых транзисторов

Недостатки

1) Ограниченный диапазон частот. Сложность работы на частотах выше 500 кГц или даже выше 50 кГц.

2) Высокий уровень помех.

3) На входе схемы должно быть постоянное напряжение (или изменяющееся только по модулю и не изменяющееся по направлению). Возможен переменный ток с постоянной составляющей в нагрузке. Чтобы менять направление тока, необходимо применить мостовую схему.

4) Необходимость применения драйвера

5) Возможен пробой затвора статическим электричеством.

Применение

Преобразователи частоты, регулирование скорости вращения электродвигателя, преобразователи постоянного напряжения в переменное (инверторы), сварочные аппараты [12]. Преобразователи напряжения с частотой ШИМ [13] до 30 кГц, мощностью 300 — 500 Вт (иногда более).

12. С помощью тиристора [14, 15]

Рис 21. Схема задания тока через нагрузку с помощью тиристора

Преимущества

1) Возможность управления переменным током без мостовой схемы

2) Проще использовать с источником переменного тока, в отличие от полевых транзисторов.

Недостатки:

1) Сложность управления при постоянном токе (возникает необходимость применения другого коммутационного устройства при обычном тиристоре или приложение напряжения другой полярности для запираемого тиристора).

2) Не пропускает ток при обратной полярности в отличие от симистора

Применение

1) Регуляторы яркости (диммеры) [16]

2) Регуляторы мощности при переменном напряжении.

3) Ранее тиристоры применялись в различных устройствах силовой электроники, однако в связи с тем, что появились транзисторы с соответствующими преимуществами для силовых устройств, популярность тиристоров уменьшилась.

13. С помощью симистора [17, 18]

Рис 22. Схема задания тока через нагрузку с помощью симистора

Преимущества

1) Возможность управления переменным током без мостовой схемы

2) Проще использовать с источником переменного тока, в отличие от транзисторов.

3) .Пропускает ток в оба направления в отличие от тиристора.

Недостатки:

1) Сложность управления при постоянном токе (возникает необходимость применения другого коммутационного устройства).

Применение

1) Регуляторы мощности при переменном напряжении.

2) Ранее тиристоры применялись в различных устройствах силовой электроники, однако в связи с тем, что появились транзисторы с соответствующими преимуществами для силовых устройств, популярность тиристоров уменьшилась.

14. С помощью фототранзистора или оптопары (светодиод + фототранзистор)

Рис 23. Изменение тока нагрузки с помощью оптопары.

Кроме фототранзистора может быть использован фотосимистор (оптосимистор) или фотодиод с другими элементами.

С помощью оптосимистора (симисторной оптопары) проще управлять переменным током. Напряжение управления задаёт порог отпирания фотосимистора. Для сглаживания напряжения на нагрузке применяют конденсатор, включённый параллельно нагрузке.

Рис 24. Изменение тока нагрузки с помощью оптопары (оптосимистора)

Применение: в устройствах гальванической развязки

Преимущества

1) Наличие гальванической развязки

Недостатки

1) Невысокое быстродействие по сравнению с трансформаторной гальванической развязкой.

2) Сложность реализации для управления любым током (постоянным или переменным).

3) Для повышения быстродействия, силовых устройств необходимо оптрон применять совместно с другими схемами.

15. Источник тока или напряжения на операционном усилителе [19].

Рис 25 — регулятор тока на основе операционного усилителя

Рис 26 — регулятор напряжения без инверсии на основе операционного усилителя

Рис 27 — регулятор напряжения с инверсией на основе операционного усилителя

В операционном усилителе имеются транзисторы в активном нормальном режиме.

16. С помощью преобразователей напряжения, тока, в которых используются схемы, перечисленные в пунктах 1 — 14 настоящей статьи.

Среди них: линейный преобразователь напряжения, повышающий импульсный преобразователь, понижающий импульсный преобразователь, инвертирующий импульсный преобразователь и многое другие.

Рис 28 — импульсный регулятор напряжения на базе модуля LM2596 [20]

Рис 29 — линейный регулятор напряжения положительной полярности на базе LM317 [21]

Рис 30 — линейный регулятор напряжения отрицательной полярности на базе LM337 [22]

Список литературы

1. E. A. Kosykh and A. V. Udovichenko, "Research of a Soft Starter of an Induction Motor Based on Multi-Zone Transistor AC Voltage Regulator," 2020 21st International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), Chemal, Russia, 2020, pp. 358-362, doi: 10.1109/EDM49804.2020.9153510.

2. Автотрансформатор — Википедия [Электронный ресурс]. Режим доступа: [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B2%D1%82%D0%BE%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D1%81%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80 ].

3. Лабораторные автотрансформаторы (ЛАТР) — You tube [Электронный ресурс] Режим доступа: [https://www.youtube.com/watch?time_continue=158&v=qcQjTk7c88I&feature=emb_logo ].

4. Биполярный транзистор — Википедия [Электронный ресурс] Режим доступа: [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B7%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80 ].

5. 1.3. Транзисторы [Электронный ресурс] Режим доступа: [https://book.ggpek.by/promel/teor/1-3-tranzistory ].

6. Биполярный транзистор — википедия: Нормальный активный режим. [Электронный ресурс] Режим доступа: [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B7%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80#%D0%9D%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%80%D0%B5%D0%B6%D0%B8%D0%BC ].

7. Достоинства и недостатки биполярных и МДП-транзисторов. [Электронный ресурс] Режим доступа: [https://studopedia.su/15_187947_dostoinstva-i-nedostatki-bipolyarnih-i-mdp-tranzistorov.html ].

8. Биполярные и полевые транзисторы - в чем различие [Электронный ресурс] Режим доступа: [http://electrik.info/main/praktika/1216-bipolyarnye-i-polevye-tranzistory-v-chem-razlichie.html ].

9. Полевой транзистор — Википедия [Электронный ресурс] Режим доступа: [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B7%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80 ].

10. Биполярный транзистор с изолированным затвором — Википедия [Электронный ресурс] Режим доступа: [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%82%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B7%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80_%D1%81_%D0%B8%D0%B7%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%BC_%D0%B7%D0%B0%D1%82%D0%B2%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%BC ].

11. Некоторые вопросы эксплуатации IGBT - модулей [Электронный ресурс] Режим доступа: [http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/05_05/stat_116.htm ].

12. Петров С. СВАРОЧНЫЙ ИНВЕРТОР НАЧАЛЬНОГО УРОВНЯ: ПРИМЕР РАЗРАБОТКИ. // Силовая электроника — СПб: Издательство: ООО "Медиа КиТ", 2010. — №28 — С. 82-89. ISSN: 2079-9322 Электронный доступ: [https://power-e.ru/wp-content/uploads/2010_5_82.pdf ].

13. Широтно-импульсная модуляция [Электронный ресурс] Режим доступа: [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A8%D0%B8%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE-%D0%B8%D0%BC%D0%BF%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%81%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%86%D0%B8%D1%8F ]

14. Тиристор — Википедия [Электронный ресурс] Режим доступа: [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B8%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80 ]

15. Урок №31. Тиристор, симистор, динистор — You tube [Электронный ресурс] Режим доступа: [https://www.youtube.com/watch?v=RPj-3OMf48E ]

16. Диммер — Википедия [Электронный ресурс] Режим доступа: [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%BC%D0%BC%D0%B5%D1%80 ]

17. Симистор — Википедия [Электронный ресурс] Режим доступа: [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80 ]

18. ЧТО ТАКОЕ СИМИСТОР И ЗАЧЕМ ОНИ НУЖНЫ — You tube [Электронный ресурс] Режим доступа: [https://www.youtube.com/watch?v=sviGyOpv3cQ ]

19. Операционный усилитель — Википедия [Электронный ресурс] Режим доступа: [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%BE%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%83%D1%81%D0%B8%D0%BB%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C ]

20. LM2596 — понижающий DC-DC преобразователь напряжения — Micro Pi [Электронный ресурс] Режим доступа: [https://micro-pi.ru/lm2596-dc-dc-%D0%BF%D1%80%D0%B5%D0%BE%D0%B1%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C-%D0%BF%D0%BE%D0%B4%D0%BA%D0%BB%D1%8E%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5/ ]

21. LM317 и LM317T схемы включения, характеристики [Электронный ресурс] Режим доступа: [http://led-obzor.ru/lm317-lm317t-shemyi-vklyucheniya-datasheet ]

22. Стабилизатор напряжения LM337. Параметры, ток, питание LM337 [Электронный ресурс] Режим доступа: [http://www.texnic.ru/data/mistpit/38.htm ]