Как сделать источник постоянного тока

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Простой источник постоянного тока своими руками

Многие из нас, кто работал с аналоговыми цепями, часто сталкивались с терминами источник напряжения и источник тока в конструкции схемы. В то время как все, что обеспечивает постоянное напряжение, например, простой выход USB 5 В или адаптер 12 В, может рассматриваться как источник напряжения, термин «источник тока» всегда остается загадкой. И многие схемы, особенно те, в которых используются операционные усилители или коммутационные цепи, потребуют от вас использования источника постоянного тока. Так что подразумевается под источником тока? Как это будет работать и зачем это нужно?

В этом уроке мы найдем ответы на эти вопросы, а также соберем и протестируем простую схему источника постоянного тока с использованием транзистора. Схема, используемая в этом руководстве, сможет выдавать постоянный ток 100 мА на вашу нагрузку, но вы можете изменить его с помощью потенциометра в соответствии с вашими проектными требованиями.

Обычно, когда блок питания управляет нагрузкой, возможны два режима работы: один – в режиме постоянного напряжения (CV), а другой – в режиме постоянного тока (CC).

В режиме CV источник питания обеспечивает постоянство выходного напряжения и изменяет выходной ток в соответствии с сопротивлением нагрузки. Лучшим примером будет ваш USB-порт на 5В, где выходное напряжение зафиксировано на уровне 5В, но в зависимости от нагрузки ток будет меняться. Если вы подключите маленький светодиод, он будет потреблять меньше тока, а если вы подключите больший, он будет потреблять больше тока, но напряжение на светодиоде всегда будет 5 В.

В режиме постоянного тока идеальный источник тока обеспечивает постоянный выходной ток и изменяет выходное напряжение в зависимости от сопротивления нагрузки. Примером этого будет зарядное устройство на 12 В в режиме CC, в котором зарядный ток будет зависеть от напряжения. В случае, если ваша батарея составляет 10,5 В, если вы подключите ее к зарядному устройству на 1 А 12 В, ваш выходной ток от зарядного устройства всегда будет 1 А, но выходное напряжение будет изменяться для поддержания этого тока зарядки 1 А. Так что именно здесь требуются цепи постоянного тока, другим примером может быть схема драйвера светодиода постоянного тока, где ток светодиода должен быть постоянным.

В этом проекте мы создадим простой транзисторный генератор постоянного тока, используя только 4 компонента. Это очень недорогая схема, которая может обеспечить источник постоянного тока 100 мА с использованием источника питания 5 В. Он также будет иметь потенциометр для управления токовым выходом в диапазоне от 1 до 100 мА. Это обеспечит постоянный ток, даже если есть изменения в сопротивлении нагрузки. Устройство будет полезно для использования, когда цепь нуждается в стабильном питании без колебаний.

Схема состоит только из двух активных компонентов, TL431 и BC547. TL431 является шунтовым регулятором, который использует опорное напряжение 2,5 В. Он поддерживает ток катода 1-100 мА для операций, связанных с шунтом. Другие компоненты являются пассивными компонентами. Резисторы должны иметь допуск 1% для точного вывода. Принципиальная схема источника постоянного тока с использованием транзистора.

Вышеприведенная схема полностью подключена к линии 5В. Выходная нагрузка должна быть подключена между выходом и заземлением. На приведенной выше схеме BC547 работает в качестве проходного транзистора. Выходной ток цепи зависит от приведенной ниже формулы, которую можно использовать для расчета выходного тока цепи источника постоянного тока:

Доступное самое низкое значение R4 составляет 22 Ом. Теперь значение потенциометра можно найти по той же формуле. До этого максимальный доступный ток 100 мА был достигнут резистором 22 Ом. На этот раз потенциометр снизит выходной ток до самого низкого уровня. Поскольку минимальный ток катода, требуемый для TL431, составляет 1 мА, следует предположить, что самый низкий ток будет 2 мА. Следовательно, используя ту же формулу:

Таким образом, доступный потенциометр с минимальным значением 2,2 кОм можно использовать для управления током. Последний расчет заключается в определении значения резистора смещения R1 по следующей формуле:

R1 = Vin/(Iout/hFE + Ika)

Таким образом, доступное наименьшее значение R1 может составлять 2,2 кОм.

Транзистор BC547 действует как проходной транзистор, который управляется резистором смещения R1 и шунтирующим регулятором TL431. База транзистора фактически подключена через делитель тока. Эта схема делителя тока выполнена с использованием резистора смещения и шунтирующего регулятора. TL431 регулирует постоянный ток посредством измерения опорного напряжения. Схема собранная на макете может выглядеть следующим образом.

Для проверки схемы использовались разные нагрузки (разные значения резистора). Был использован мультиметр для измерения выходного тока цепи, и выходной ток всегда был около 100 мА, как показано на следующем изображении.

Источники постоянного тока используются во многих устройствах. В системе светодиодного освещения для операций, связанных с управлением светодиодом, требуется источник постоянного тока. Как и в портативных устройствах, в цепях зарядки аккумуляторов также применяются источники постоянного тока.

Источник

Как получить постоянное напряжение из переменного

Осциллограмма постоянного напряжения

Давайте для начала уточним, что мы подразумеваем под “постоянным напряжением”. Как гласит нам Википедия, постоянное напряжение (он же и постоянный ток) – это такой ток, параметры,свойства и направление которого не изменяются со временем. Постоянный ток течет только в одном направлении и для него частота равна нулю.

Осциллограмму постоянного тока мы с вами рассматривали в статье Осциллограф. Основы эксплуатации:

Как вы помните, по горизонтали на графике у нас время (ось Х), а по вертикали напряжение (ось Y).

Для того, чтобы преобразовать переменное однофазное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение меньшего (можно и большего) значения, мы используем простой однофазный трансформатор. А для того, чтобы преобразовать в постоянное пульсирующее напряжение, мы с вами после трансформатора подключали Диодный мост. На выходе получали постоянное пульсирующее напряжение. Но с таким напряжением, как говорится, погоду не сделаешь.

Но как же нам из пульсирующего постоянного напряжения

получить самое что ни на есть настоящее постоянное напряжение?

Для этого нам нужен всего один радиокомпонент: конденсатор. А вот так он должен подключаться к диодному мосту:

В этой схеме используется важное свойство конденсатора: заряжаться и разряжаться. Конденсатор с маленькой емкостью быстро заряжается и быстро разряжается. Поэтому, для того, чтобы получить почти прямую линию на осциллограмме, мы должны вставить конденсатор приличной емкости.

Зависимость пульсаций напряжения от емкости конденсатора

Давайте же рассмотрим на практике, зачем нам надо ставить конденсатор большой емкости. На фото ниже у нас три конденсатора различной емкости:

Рассмотрим первый. Замеряем его номинал с помощью нашего LC – метр. Его емкость 25,5 наноФарад или 0,025микроФарад.

Цепляем его к диодному мосту по схеме выше

И цепляемся осциллографом:

Как вы видите, пульсации все равно остались.

Ну что же, возьмем конденсатор емкостью побольше.

Получаем 0,226 микрофарад.

Цепляем к диодному мосту также, как и первый конденсатор снимаем показания с него.

А вот собственно и осциллограмма

Не… почти, но все равно не то. Пульсации все равно видны.

Берем наш третий конденсатор. Его емкость 330 микрофарад. У меня даже LC-метр не сможет ее замерить, так как у меня предел на нем 200 микрофарад.

Цепляем его к диодному мосту снимаем с него осциллограмму.

А вот собственно и она

Ну вот. Совсем ведь другое дело!

Итак, сделаем небольшие выводы:

– чем больше емкость конденсатора на выходе схемы, тем лучше. Но не стоит злоупотреблять емкостью! Так как в этом случае наш прибор будет очень габаритный, потому что конденсаторы больших емкостей как правило очень большие. Да и начальный ток заряда будет огромным, что может привести к перегрузке питающей цепи.

– чем низкоомнее будет нагрузка на выходе такого блока питания, тем больше будет проявляться амплитуда пульсаций. С этим борются с помощью пассивных фильтров, а также используют интегральные стабилизаторы напряжения, которые выдают чистейшее постоянное напряжение.

Как подобрать радиоэлементы для выпрямителя

Давайте вернемся к нашему вопросу в начале статьи. Как все-таки получить на выходе постоянный ток 12 Вольт для своих нужд? Сначала нужно подобрать трансформатор, чтобы на выходе он выдавал … 12 Вольт? А вот и не угадали! Со вторичной обмотки трансформатора мы будем получать действующее напряжение.

U_max – максимальное напряжение, В

Поэтому, чтобы получить 12 Вольт постоянного напряжения, на выходе трансформатора должно быть 12/1,41=8,5 Вольт переменного напряжения. Вот теперь порядок. Для того, чтобы получить такое напряжение на трансформаторе, мы должны убавлять или добавлять обмотки трансформатора. Формула здесь. Потом подбираем диоды. Диоды подбираем исходя из максимальной силы тока в цепи. Ищем подходящие диоды по даташитам (техническим описаниям на радиоэлементы). Вставляем конденсатор с приличной емкостью. Его подбираем исходя из того, чтобы постоянное напряжение на нем не превышало то, которое написано на его маркировке. Простейший источник постоянного напряжения готов к использованию!

Кстати, у меня получился 17 Вольтовый источник постоянного напряжения, так как у трансформатора на выходе 12 Вольт (умножьте 12 на 1,41).

Источник

Портативный источник питания постоянного тока

Данная модификация добавляет разъем постоянного тока, таким образом, можно легко встроить адаптеры в любой разъем, например, T-dean, XT, dupont, прямоугольные батареи 9 В, зажимы типа «крокодил».

Для создания этого блока питания понадобится несколько деталей:
Пара аккумуляторов 18650
Модуль TP4056
Повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный (повышающий)
Небольшой цифровой вольтметр
Маленький переключатель
Разъем постоянного тока

Паяльник
«Третья рука»
Припой оловянный
Мультиметр
3D принтер

Шаг 3: Электропроводка

Схема подключения довольно проста, она состоит из следующих шагов:

— подключение двух аккумуляторов 18650 (параллельно) к контактным площадкам на TP4056 (B + и B-)
— подключение отрицательного выхода TP4056 OUT- к повышающему отрицательному входу VIN-
— подключение положительного выхода TP4056 OUT + к одному контакту переключателя
— подключение 2-го контакта переключателя к повышающему положительному входу VIN +
— подключение выходной площадки к разъему постоянного тока и к маленькому вольтметру (соблюдайте полярность!)

Единственная трудность состоит в том, что приходиться иметь дело с небольшим пространством для компонентов и короткой длиной кабелей.

Шаг 4: Электрическая начинка

Предупреждение:
Необходимо использовать небольшую отвертку для калибровки вольтметра перед герметизацией корпуса клеем, иначе не будет точной регулировки напряжения. Подстроечный резистор показан на изображении красной стрелкой.

Перед параллельным соединением аккумуляторов, их необходимо сбалансировать по напряжению. В противном случае один аккумулятор будет разряжаться, заряжая другой так быстро, как только сможет, а это может быть выше безопасной скорости зарядки / разрядки.

Это опасно!
Не забывайте, что литий-ионные аккумуляторы 18650 опасны для жизни!
Паять эти аккумуляторы, дело довольно опасное, так как они не выносят перегрева и взрываются. Поэтому паять их желательно точечной сваркой или, как вариант изготовить для аккумуляторов специальный бокс. Бокс можно напечатать на 3D принтере. Следует понимать, что бокс займет какое-то место, что скажется на габаритах устройства.

Может быть, кто-то догадывается, почему использовано два аккумулятора. Не один, не три, а два.
Преимущества двух аккумуляторов вместо одного довольно легко понять. Два аккумулятора подключенные параллельно имеют дополнительную емкость, поэтому можно использовать старые и неэффективные аккумуляторы. TP4056 настроен на защиту элемента с хорошей производительностью, и это может привести к старению изношенного элемента. Стандарт TP4056 имеет предел выходного тока 1,2 А. Это не много, но это может привести к выделению тепла, если использовать элементы с высоким внутренним сопротивлением (старые и / или изношенные). При двух параллельных аккумуляторах, ток 1,2 А будет разделен. Конечно, не рекомендуется использовать старые аккумуляторы, но это «наименьшее из зол».

У TP4056 существует механизм, который остановит заряд. После фазы постоянного тока (CC) TP4056 переключится в фазу постоянного напряжения (CV) и проверит потребление тока, чтобы определить, должен ли заряд продолжаться или нет. Есть пороговый ток в 25 мА, который является пределом между полностью заряженным элементом и элементом, который может принимать энергию. Аккумулятор не перестанет принимать ток сам по себе, поэтому этот пороговый ток необходимо контролировать.

Также подаваемое напряжение не может быть точно 4,20 В, а может быть немного больше, согласно техническому паспорту TP4056. Поэтому не возможно просто подать стабильное напряжение на литиевую батарею.

Как TP4056 может определить, заряжается ли он от одного или десяти элементов? Никак! Поэтому он не будет иметь никакого представления, если он перезаряжает, например, пять аккумуляторов, соединенных параллельно, или правильно заряжает один. Пока пять гипотетических аккумуляторов адсорбируют 5 мА каждый, что намного меньше, чем 25 мА, оцененных как безопасные, для модуля TP все идет правильно, но это не так!

Шаг 5: Производительность самоделки

Поскольку выход блока питания является переменным, резонно посчитать, сколько ватт мощности он может обеспечить. Безопасно можно потреблять 4 Вт, но когда элементы разряжены, предел, скорее всего, составит 3 Вт: максимальный ток, умноженный на минимальное напряжение 1,2 А х 2,5 В = 3 Вт.
Обратите внимание, что это зависит не от качества аккумулятора, а от возможности TP4056.

С данными аккумуляторами можно иметь выход 5 В 800 мА, как минимум пару часов, с новыми должны быть те же выходные мощности, но в течение 6-7 часов.

Шаг 6: Сборка корпуса

Сборка корпуса понятна из фотографий, поэтому описывать тот же процесс не имеет смысла.

После сборки необходимо включить устройство и проверить, что все работает правильно. После этого приступить к герметизации корпуса. Несколько резинок и небольшая струбцина идеально подходят для этой задачи.

Шаг 7: Эксплуатация устройства

Так как добавлен стандартный разъем постоянного тока, то очень легко собрать различные адаптеры.

Лучшее использование данного устройства, это тестирование дронов. Использование литий-ионных батарей большой мощности для испытания дронов не самая лучшая идея. Если что-то не так, есть вероятность, что дрон будет поврежден, а аккумуляторы могут взорваться. С источником питания, который может обеспечить только несколько ватт мощности, даже какое-то неправильное соединение можно восстановить.

На фото выше видно, что также был опробован адаптер с зажимом 9 В для питания мультиметра с разряженной батареей. Мультиметр может измерить свою севшую батарею, поэтому данное устройство может помочь и в экстренных случаях.

Источник