Здравствуйте, форумчане!

Возникла задача сделать самодельный источник тока на 2А (это будет часть установки по измерению удельного электросопротивления сталей). Нагрузка близка к КЗ (ток будет протекать через короткий участок стального образца). Захотел сделать плату с минимальными радиаторами, а лучше вообще без них.
Посмотрел, что в природе существуют специализированные микросхемы, например, LT3083, TPS74401. Однако пример применения TPS74401 в качестве источника тока в описании не увидел (пример для LT3083 в описании есть, однако микросхема дорогая и ждать заказа долго).
Вопрос такой: можно ли сделать что-то подобное специализированным микросхемам, применяя отдельные (а главное широко распространенные) элементы: ОУ, MOSFET, ИОН? Если кто-то подобное создавал, поделитесь, пожалуйста, опытом.
Требования к готовому устройству - однополярное напряжение питания +3,3...5 В, минимальное падение напряжения вход/выход, стабильность тока в нагрузке на уровне 1-2%. Схема будет включаться кратковременно (до 5 секунд). Предварительно собрал 1А источник на LM317. Не нравится, что ощутимо греется, да и для увеличения тока нужно ставить транзистор и обвязку.
Заранее благодарю за ответы.

Вообще все это можно сделать на операционниках. И какой-то транзистор как регулятор. А можно взять стабилизатор напряжения, ОУ и управлять микросхемой стабилизатора от ОУ.
А что касается "греться", то считайте сами. Если регулятор линейный, то 2А*5В = 10 Вт тепловделения. Или 6 Вт при 3,3В. Ну либо делать импульсный регулятор, если он Вам подходит по пульсациям...

Я бы не стала ток стабилизировать. Мостовая схема (одним элементом можно взять умножающий ЦАП) и синхронный детектор. Или оцифровать и обрабатывать в контроллере. Питать от трансформатора. Не знаю, что Вы хотите измерять так долго...

В природе существуют мощные ОУ, например, OPA569. Наверное, его одного будет достаточно?



Речь идет об источнике постоянного тока или переменного?
Я хотел спаять источник постоянного тока.
Можете пояснить, почему Вы не советуете стабилизировать ток?


Измерять я хотел 2 величины: падение напряжение на резисторе в цепи нагрузки и падение напряжения на участке стального образца.
Запас времени, как я думаю, необходим на установление тока.

В отсутствие ТЗ обычно смотрю сериалы.

А какие значения сопротивлений вы ожидаете измерять?
и почему нельзя применить инструментальный усилитель, включив ему на входы ваш кусок стали, тогда токи пропускаемые можно сильно уменьшить.

Измеряется падение напряжения на участке цепи. Например, при токе 1А падение напряжения (при расстоянии между контактами 10 мм и сечении образца из низкоуглеродистой стали 7 мм^2) составляет около 2 мВ.

не проще ли будет поставить трансформатор тока, через который загонять в образец низкочастотный переменный ток?
Плюсы: меньше потребляемая мощность, не влияет напряжение смещения измерительного усилителя.
Минусы: надо детектировать результат измерения.

Инструментальные усилители позволяют измерять смещение от десятков мкВ, так что можно уже перейти к источнику питания в 100мА.

Что легче с точки зрения построения системы: задавать ток 1А и измерять сигналы единицы мВ или задавать ток 100 мА и измерять сигналы порядка 100-200 мкВ?
Можете дать ссылку на Application Note какого-нибудь подходящего для измерения десятков мВ инструментального усилителя?

Мы легких путей не ищем... Лучше напишите, что Вы хотите измерить, с какой точностью и зачем.

Первоначально у Вас задача была сделать источник тока без радиаторов и т.д., поэтому я вам предложил уменьшить величину тока взяв для этого более подходящий вариант измерения падения напряжения на вашем куске стали.
Какой Application Note, включение стандартное кусок стали подключен ко входам ОУ. Тут больше будет выбор цены и доступности в вашей местности.

Общая задача - определить удельное электросопротивление стальных образцов. Цель: фундаментальное изучение свойств материалов. Из справочных данных следует, что удельное электросопротивление сталей от 0,1 до 0,7 Ом*мм^2/м. Требуемая погрешность не более +/-0,005 Ом*мм^2/м.
В старой лабораторной установке использовался 4-х контактный метод: через образец пропускался постоянный ток 5А и измерялось падение напряжения на базе 40 мм с помощью вольтметра В7-34. Зная сечение образца, вычислялось Ро. Сечение образцов (по моим прикидкам) может быть от 5 до 100 мм^2. Сейчас задача собрать переносной макет прибора, питаемый от сети 220 В (вариативно от аккумулятора).
Пример.
Расстояние между потенциальными контактами (база) 40 мм.
Сечение образца 100 мм^2.
Ток 1 А.
Измеряемая разность потенциалов между контактами 50 мкВ.
Тогда удельное электросопротивление равно 0,125 Ом*мм^2/м.
Т.е. при неизменности тока разность потенциалов необходимо измерить с точностью не более +/-2 мкВ (для обеспечения погрешности определения Ро +/-0,005 Ом*мм^2/м).

Прокомментируйте, пожалуйста, схему:



Из плюсов, на мой взгляд, нетребовательность к источнику питания (можно даже напрямую от Li-ion аккумулятора запитать).
Из минусов:
1. Довольно много не пассивных элементов (ОУ, ИОН и MOSFET);
2. Не до конца понял критерий выбора MOSFET (предположение - подходят транзисторы с определенным сопротивлением затвора). Например, с IRLR6225 схема в Multisim работает, а с IRLR7807 - нет. Точнее, схема работает, но при увеличении напряжения питания. А с питанием 3В подходят далеко не все MOSFET. Хотелось бы услышать мнение по этому поводу.

При изменении номиналов R1, R2 схема выдает в нагрузку и 2А.

Кажется, у меня есть догадка, какой нужен MOSFET: тот, у которого Drive Voltage (Max Rds ON) <=2.5V

От четырехконтактного метода тут не уйти...
Если Вам так уж не хочется греть окружающую среду, то как и предлагалось, можно питать от трансформатора тока.
Шунт тоже должен быть четырехконтактным скорее всего.
Тогда получается, что нужно два ИУ. один умножающий ЦАП и синхронный детектор.

Я бы взял TL431 с умощняющим транзистором. Греться будет по-любому (если не использовать импульсный стабилизатор), но для 5-секундных замеров радиатор можно использовать совсем мелкий, делая упор не на площадь, а на массу радиатора.

Еще один немаловажный вопрос, а где и как Вы подаете ток через контакты и где снимаете напряжение?
Площадь контактов по сравнению с сечением? Переходное сопротивление? Гальванопара?
Вы распределение тока по сечению учитываете? Нет? А, зря.

А именно, в количестве аж трёх штук. И какой совет после такого Вы хотите здесь получить?

Ну сдох тот старый источник 5 А, ну так замените его просто резистором — ручек для переноски, как В7-34, он не имеет, но его вполне можно примотать к тому липкой лентой, так что переносимость установки в целом не пострадает.

ТС-ру для сведения - таки придется учитывать задачу растекания токов по образцу, если хотите точность.
Образец: хром-никель 7*7*7 mm, контакты бронза 1*1*7 mm, напряжение 1 mV:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Предположим, изменили схему подачи напряжения (тока) - подаем на всю площадь.
Оставляем за скобками вопросы прилегания, шероховатости и пр.
Любуемся растеканием тока через все тот же образец.
Точностью не пахнет.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Спасибо за совет, только я не встречался с таким устройством. Это что-то из области энергетики? Где прочитать про применение трансформатора тока для моей задачи или близкой к ней?


Если не сложно, напишите, что по Вашему мнению не так в вышеприведенной предложенной мной схеме. Если таким образом стабилизировать ток в цепи нагрузки, можно ли обойтись без его измерения, т.е. сэкономить на оцифровке? Если да, то тогда останется измерять падение напряжения на образце.


Площадь контактов много меньше сечения образца. С термоЭДС, на сколько я знаю, борются путем измерения падения напряжения без тока и вычитают из результата, полученного при протекании тока.
Картинки интересные. Если не секрет, какой пакет для моделирования использовали?

трансформатор тока - то же самое, что и трансформатор напряжения, но работает на короткозамкнутую (или очень низкоомную) нагрузку, т.е. отличается только режимом работы. Считается точно так же, как и обычный трансформатор (это и есть обычный трансформатор). Часто применяется для измерения больших токов в энергетике, но никто не мешает использовать его наоборот: для создания большого тока. Обмотка со стороны большого тока часто состоит из одного витка или просто провода, пропущенного в кольцевой магнитопровод.

Так на первой "картинке" уже видно, к чему это приводит.


Отечественный ELCUT Питерской фирмы.

Не все так страшно. Четырехконтактный метод. Отступить от концов на 3 - 4 поперечных размера.
Кроме того, при одинаковой геометрии образцов (точнее, при одинаковом соотношении линейных размеров) все погрешности убираются сравнением с эталонным образцом.

Для измерения сопротивлений в ней неприлично много деталей, особенно непассивных.

Ручки для переноски у В7-34 имеются, измерять отношение напряжений он умеет. Следовательно, для измерения сопротивлений к нему требуется добавить лишь эталон сопротивления, также именуемый шунтом, ампер эдак на 50, последовательно с ним сопротивления проводов, измеряемое сопротивление, любой подходящий готовый источник питания, завалявшийся в той же лаборатории, где сдох старый источник 5 А, и что-то, без разницы как ограничивающее в этой цепи ток — в пределе это заурядный цементный резистор, но куда логичнее избавить всех от мучений и купить соответствующий БП с токовым выходом, т.е. светодиодный — просто напрочь непонятна Ваша дрожащая экономия каждого "непассивного компонента" при создании ни много ни мало средства измерения.

Чтобы как-то улучшить ситуацию, расстояние между контактами увеличивают. Думаю, если взять сечение образца 3х3мм, а расстояние между контактами 50 мм, то плотность тока будет более равномерной, нежели приводите Вы.
Кроме того, понятно, что измеряется среднее сопротивление на участке образца. Образец может быть неоднородным по структуре или двухфазным. Много можно напридумывать...
В сети можно найти такую картинку:

Я обрисовал ситуацию, которая может случится. Если знаете, как бороться - значит ок.

Понял, спасибо.


Благодарю.


Подскажите, пожалуйста, как исправить ситуацию, чтобы стало прилично. Хотелось бы оставить нестабилизированный источник напряжения 3В, чтобы при этом ток в цепи нагрузки был константой.

Вы делаете единичный экземпляр для работы в течении 5 секунд. Поставьте радиатор или мелкий кулер и не тратьте на не основную проблему время.

"Посмотрел" этот вариант - еще хуже. В этом случае, необходима некоторая минимальная толщина образца, чтобы нивелировать распределение тока по толщине для разных образцов.
Разница между образцом 3 мм и 30 мм - катастрофична по точности.

P.S.
Лучшим вариантом было бы 10-ти точечное подключение к торцам образца - 4-точки на торец для подачи тока и средняя точка съема потенциала.
Однако это приводит к необходимости изготовления "съемников" на каждый образец с разным сечением.
Хотя, может есть и лучшие решения - 4 электрода на концах образца перпендикулярно торцу и электрод съема потенциала по центру торца.
Попытка подачи тока через узкие электроды приведет к высокой плотности тока в месте касания, что накладывает ограничение на различие материалов образца и электродов из-за термоэдс.
В общем, это тема для исследований и не на вечер.

P.P.S.
ПО поводу LM317 и подобных - не рекомендую. Это и стабилизатор и Uref в одном флаконе - неизбежна температурная погрешность. Где-то выше сказано было - отдельный Uref и отдельный усилитель.

Это точно. Спасибо за информацию. Приму к сведению.

Эта картинка иллюстрирует классический четырехзондовый метод. Он применяется для "толстых" образцов. Или для пленок - "тонких".

Я без понятия, что Вы подразумеваете под этим, исходя из Ваших многочисленных неответов на вопросы многих участников.

Если как бы лично я делал подобный прибор — например, +1,2 В с одного NiMH AAA, заряжаемого от USB, с него +3,3 В, +5,8 В, –2,5 и –5 В посредcтвом MCP1640; от +3,3 В PIC18F65J94, AD7124 и 7-сегментный ЖКИ; питание измерительной цепи от делённых на 25 +1,2 В посредством синхронного ШИМ-делителя 200 кГц на 1 мкГн, CSD16340Q3, CSD25402Q3A и FAN3100T, питаемой от +5,8 В и –5 В; источник тока 2 А на питаемых от +1,2 В и –2,5 В LM4041, MCP6V31 и CSD25402Q3A, с него мост на четырёх CSD25402Q3A, в диагонали которого измерительная цепь, включая эталон сопротивления WSK12161L000FEK.

Спасибо за Ваш вариант. Нужно время переварить. Для меня остаются вопросы. Если позволите, задам несколько. Что Вы подразумеваете под измерительной цепью? К чему подключаются затворы транзисторов моста? Куда подается напряжение +1,2 В, деленное на 25? Не могли бы Вы пояснить, как именно задается стабильный ток 2 А?

Последовательно три сопротивления — проводов, измеряемого и эталона.


К двум резисторам 100 кОм на –5 В и двум коллекторам BC857 преобразователей уровней, базы на +1,2 В, эмиттеры через 10 кОм на два выхода МК.


На два стока CSD25402Q3A двух плеч моста, их истоки к стокам двух оставшихся CSD25402Q3A моста, истоки которых к стоку CSD25402Q3A источника тока, исток которого через резистор 1 мОм к +1,2 В, с этого резистора через 10 кОм на инвертирующий вход MCP6V31 и конденсатор 1 нФ на его выход, который через 10 кОм на затвор CSD25402Q3A, а на неинвертирующем входе 2 мВ с двух соответствующих резисторов делителя 1,225 В с выхода LM4041.

+5,8 В создаются с вывода SW MCP1640 посредством удваивающей помпы на одной BAT54S, с того же вывода –2,5 В и –5 посредством инвертирующей удваивающей помпы на двух BAT54S.

Т.е. один выход МК управляет одновременно двумя транзисторами диагонали моста? А в измерительной цепи направление тока меняется с частотой 200 кГц?

Да, Таня - Вы правы: либо для тонких, либо для толстых, но не для любых. О чем и речь.

Пример растекания токов и эквипотенциалы по поверхности:
Образцы: 3*3 мм и 30*30 мм.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Естественно.


АЦП делает 16,7 измерений в секунду, для вычисления результата требуется 4 измерения — следовательно, мост измерительной цепи работает на частоте 4,2 Гц.

ШИМ-делитель на частоте 200 кГц — это простой синхронный импульсный понижающий преобразователь на заурядной россыпи, с высоким КПД создающий на выходе примерно 50 мВ, т.е. 100 мВт при потребляемом токе 2 А, а значит порядка 110 мВт потребления от источника питания, и создаются эти 50 мВ относительно шины +1,2 В, потому что только АЦП фирмы AD имеют на входах буферы, и рабочее синфазное этих буферов от +500 мВ до AVdd – 1100 мВ, поэтому и приходится приводить измеряемые сигналы к данному диапазону.

Среднестатистический готовый импульсный преобразователь, во-первых, имеет ключи с на порядок больше сопротивлением, а во-вторых, нагнуть его под такие условия вышло бы намного труднее, тогда как, в-третьих, стабильное напряжение на его выходе не требуется, потому что далее всё равно идёт линейный источник тока.

Возможно тут заковырка будет: 50 мВ / 2 А это 25 мОм, размеры фильтрующего конденсатора с нужным ESR
пожалуй превзойдут всю остальную супер мелкую комплектацию.

Для топик стартера:
Если это разовый проект, погуглите микроомметр, если дороговато, то есть 4х проводные измерители RLC c достаточной вам точностью.
Портативных вариантов - очень много!
А если уж самому, то лучше измерительный ток не стабилизировать, а измерять. U/I - всяко лучше будет, при использовании
недорогих АЦП и последующей цифровой обработке сигнала.

Понял, спасибо.


Думаю, будет измеряться и ток, и напряжение. На счет недорогих АЦП не понял, поясните, пожалуйста.

Возник еще один вопрос: зачем нужен именно мост? Почему не полумост?

От ветки произошло ответвление, которое пересажено.
https://electronix.ru/forum/index.php?s=&am...t&p=1490382

Потому что я говорил о полноценном измерителе сопротивлений, который всё делает сам, включая измерение и учёт термопар, а Вы делаете лишь источник тока для собранного из подручных средств античного комплекса измерения сопротивлений, состоящего из вольтметра, источника тока, бумаги, карандаша, настольного калькулятора и обслуживающего персонала, каждый раз задействующего по протоколу всё перечисленное.

Соответственно, мне мост необходим, потому что без него задача нерешаема, а Вам и полумост не нужен, потому что, повторяю, в качестве источника тока достаточно одного резистора.

Тут все просто, для ваших целей хватит 12 бит, поэтому можно использовать встроенные в контроллеры АЦП, которые не очень прецизионны.
Делите измеренное напряжение на измеренный ток и ошибка по усилению АЦП существенно уменьшается.
А мост вам все советуют, чтобы убрать ошибки сдвига нуля. Вычитаете одно измерение из другого и - сдвига нет.
Попробуйте, получить точность около 1% это совсем не сложно! На хорошие четырех-проводные щупы потратите пожалуй больше, чем на всю электронику.