В настоящий момент стоит передо мной следующая задача: требуется создать регулируемый биполярный источник тока (ИТУН) +- 50 мА с размахом выходного напряжения до +- 150 В, т.е. источник тока должен работать на максимальную нагрузку 3 кОм. Частотный диапазон воспроизводимых сигналов тока от 10 Гц до 1 МГц. Регулировка формы тока должна осуществляться при помощи ЦАП. Динамический диапазон регулировки не менее 14 разрядов (с учётом знака). Питание всей схемы осуществляется от двух "пальчиковых" батареек. Если кто может, подскажите идею схемотехнической реализации. Естественно, цена источника тока должна быть около 50 долларов.
Я сначала подумал об использовании высоковольтного ОУ от Apex, но цены на них меня быстро приземлили. Затем была идея использовать трансформатор, в первичной цепи которого поставить быстродействующий биполярный источник тока, а из вторичной цепи через усилитель измерять ток и заводить сигнал ошибки на управляющий вход. Но до конкретной схемотехнической реализации так и не дошёл. Может есть идеи получше.

При напряжении на выходе 150 вольт и токе 50 ма на выходе будет мощность 7,5 ватт . Не многовато ли для двух пальчиковых батареек , даже при 100% КПД ?

Я бы решил задачу "в лоб", двуполярный преобразователь для ОУ вольт на 20, и высоковольтный двуполярный преобразователь вольт на 200, высоковольтные транзисторы, измерительный резистор относмтельно общего, от него сигнал ошибки можно загнать в нужный диапазон для ОУ.

У меня когда-то по похожей схеме работал регулируемый источник 20 кВ, выход 20 кВ висел на общем проводе, относительно которого обрабатывался сигнал ошибке в диапазоне до 5 В.

Нет, просто батарейки (пальчиковые аккумуляторы) будут быстро приходить в негодность, и их потребуется заряжать. Устройство должно отработать около 40 мин. непрерывной работы в день на максимальной нагрузке. Тем более что далеко не всегда ток будет установлен на 50 мА, типовое значение 10 мА, а типовая нагрузка 1кОм.


Кстати, так как сигнал будет использоваться не постоянный, то даже в худшем случае для синусоиды (а использоваться будет пикоподобный сигнал) амплитудой 50 мА и напряжением 150 В потребляемая мощность будет 50*10^(-3)*150*0.707 = 5.3 Вт.

КПД усилителя в линейном режиме не более 25%. Похоже, потребуются сложно батарейки.

Не надо ещё забывать про КПД преобразователя ! Плохо придётся батарейкам

А вообще , раз тут всё равно нужен преобразователь - можно организовать "плавающий" источник питания +-150 вольт , и за счёт этого упростить схему . Транзисторы можно будет подключить эмиттерами к земле через токоизмерительный резистор , базы на ОУ , коллекторами к + и - 150 вольт , а от общего провода источника подать выход на нагрузку . Это позволит иметь в источнике тока всего 2 транзистора ( PNP и NPN ) и один ОУ . Для уменьшения искажений в классе В можно перейти в класс АВ - задать транзисторам смещение на базы , чтобы чуть приоткрыть их , тогда в эмиттер каждого нужно будет поставить ещё по одному резистору , для надёжности ........

В указанном ценовом диапазоне (даже если это только цена комплектующих) реализация заявленных тех. требований невозможна, т.к. только ЦАП и моточные изделия превысят заявляемую сумму.
В условиях не заявлена точность и температурный диапазон, что в определенной ситуации вообще делает задачу не выполнимой при приведенных значениях, например при эксплуотации в минусовом диапазоне температур отработать около 40 мин. от двух "пальчиковых" батареек не представляется возможным.

Температурный диапазон эксплуатации +10...+35.
По поводу точности, исходя из динамического диапазона в 14 разрядов с учётом знака, логично установить +/- 1 МЗР (т.е. МЗР = 50 мА/2^13 = 6 мкА).


По поводу мощности. Необходимо воспроизводить сигналы пикоподобной формы без постоянной составляющей. Для таких сигналов средняя за период мощность не более 0.5 Вт. Просто для высокоомной нагрузки в 3 кОм требуется напряжение 150 В, чтобы создать пик тока 50 мА, а значит источник тока должен работать на таких пиковых мощностях (максимальное мгновенное значение для чисто активной нагрузки 150*50*10^(-3)=7.5 Вт, а средняя за период мощность может быть порядка 0.5 Вт и даже меньше).

Да, в принципе я частично согласен, что маловато средств на решение подобной задачи. В принципе частотный диапазон можно подсократить (10...100 кГц), но вот токи и напряжения изменить нельзя.


А что если использовать усилитель класса D (максимальный КПД среди всех классов), например аудиоусилитель MAX9759. Конечно частотный диапазон придётся немного укоротить (до 100 кГц), но зато мало потерь энергии. Вопрос только как усилитель, рассчитанный на нагрузку 4 Ом, будет вести себя, если его нагрузить на первичную обмотку трансформатора, на которой будет порядка 10 витков (на вторичной тогда 300 витков) и активное омическое сопротивление которой будет близко к нулю.

Я бы посоветовал резонансный преобразователь килогерц на 50 и схему с "плавающим питанием" , которую я выше описал . ИМХО , самый простой и дешёвый вариант ...........

А батарейки я бы поставил всё же R14 .



Класс D тут не пойдёт Если частота сигнала даже 100 кгц , то частота работы в классе D должна быть не менее нескольких мгц , иначе искажения будут большими . А на большой частоте там и КПД упадёт , да и другие проблемы вылезут



Вопрос ещё в другом - как сделать транс с таким отношением витков , способный работать в полосе 10 гц - 100 кгц , и на разное сопротивление нагрузки . Такой транс сделать не так просто , да и размеры могут быть большими .

Это совершенно нелогично. Вы забываете о ряде параметров ЦАП:
- дифференциальной и интегральной нелинейности
- температурный коэф.
Это как минимум надо учитывать. Посмотрев характеристики реальных ЦАП в нижнем ценовом диапазоне Вы обнаружите, что и разрешения 16 разрядов для достижения заявленной точности может не хватить.

Посмотрев на потребление быстродействующих (с соответствующей разрядности) ЦАП Вы заметите, что 0.5 Вт только для самого ЦАП - это очень не плохо.
Предложение о применении усилителя постоянного тока Вы, на мой взгляд, отвергли правильно. Там не только большое потребление, но и очень непростая задача достичь требуемой линейности в заданных динамическом диапазоне и выходного напряжения.
Если еще несколько снизить заявляемые параметры, то, мне кажется, задачу можно будет решить при помощи ШИМ.
Успехов в достижении цели!

Так, а здесь поподробнее, если можно.

Я уже написал о возможном применении аудиоусилителя, работающего на частоте 1.6 МГц. Но вопросы остались, плюс к тому же действительно, быстродействующий трансформатор может получиться больших размеров, т.к. на высоких частотах магнитная проницаемость мала. Также смотрел вариант использования ШИМ контроллера (типа TL494 но побыстрее). Тогда точность к установке тока надо сразу же устанавливать +/- 1...5%, к тому же РЕАЛЬНО достижимая регулировка ШИМом это 10 разрядов.

Поподробнее:
Оставив в стороне формирование цифровой управляющей последовательности импульсов - пусть этим заниматся некое устройство (например микроконтроллер), посуществу надо будет решить следующие задачи:
-прецизионный источник питания -для 150 вольт тяжело, но возможно
-быстродействующий ключ -решаемая задача
-стабильный фильтр - так же
-повторитель - значительно легче, чем усилитель (запас по фазе у него поболее)


Но и времена переключения небольшие

Тут, как мне кажется, Вы ошибаетесь. При максимальном выходном напряжении 10 - 15 вольт в Вашем температурном диапазоне разряда на два минимум.

Т.е. в принципе возвращаемся к классическому импульсному источнику питания, только обратную связь заводим не по напряжению, а по току?

В принципе все решения кроме изобретений и открытий классические.
В целях повышения частоты работы устройства я Вам предлагал сделать основной тракт устройства вообще без обратной связи пожертвовав при этом разрядностью.

Полезно упомянуть, каков характер планируемой нагрузки. Если нагрузка индуктивная (интуиция нашептывает), то... меня тоже крайне интересует, как сделать такой усилитель за 200 долларов.

Если нагрузка до 1-3 кОм, и это должен быть источник тока (внутреннее сопротивление значительно превышает сопротивление нагрузки), достичь желаемого результата не на бумаге будет очень непросто.

Нет, нагрузка резистивно-емкостная.



Без обратной связи нельзя, так как нагрузка динамически меняется: за минуту сопротивление может упасть в 3..5 раз. Частотный диапазон изменения сопротивления нагрузки 0.01...1 Гц. Аналогичным образом изменяется и ёмкость (от десятков нФ до единиц мкФ), т.к. нагрузка источника тока резистивно-емкостная.

Рекомендую разбить одну большую проблемму на три поменьше.
Первая: как получить от двух пальчиковых батареек напряжение +-150В при заданном токе?
Вторая: как сделать собственно сам токовый усилитель? При таком диапазоне частот совместить решение обеих проблем не представляется возможным.
Ну, и третья, наконец: как обеспечить себестоимость всего этого в 50 долларов?

Только не подумайте, что я отрицаю возможность создания такого устройства. Но требования к нему явно нуждаются в уточнении. В сторону большей скромности, ессно.

Люди , хотите верьте , хотите нет , но с ШИМом будет геморрой Только зря время потратите . Делайте тот вариант , про который я писал ....... легко и просто - не получится , за 50 баков - тоже не получится , но хоть есть шанс вообще сделать

А какую сумму Вы рассчитываете потратить на разработку этого устройства?

По поводу питания. Требуется 50 мА 150 В. Для питания первичной цепи трансформатора (если брать ШИМ+трансформатор) можно использовать микросхему MAX1709, дающую до 4 А 5 В. Для 1 А и 5 В на выходе и 2.5 В на входе КПД = 86 %. Как я уже говорил, импульсы тока пикообразные, и даже для наихудшего случая - синусоиды, средняя потребляемая мощность будет как раз составлять порядка 1 А. Для 86% КПД это очень даже не плохо на мой взгляд.
По поводу частоты - я уже сказал, что можно уменьшить верхнюю границу до 100 кГц. Тогда есть другая проблема - ШИМ должен быть не меньше 1 МГц, а это значит, что магнитная проницаемость трансформатора должна быть небольшой (порядка 400), чтобы пропускать импульсы без сильных искажений и больших потерь в магнитопроводе, которые растут с увеличением частоты. Небольшая магнитная проницаемость приводит к серьёзному увеличению габаритных размеров. Я думаю, надо прикинуть сечение и объём транса, ориентируясь на стандартные размеры ("горшок" или тороидальный).



Цена комплектующих + изготовление ПП + З/П (Но З/П выплачивается каждый месяц стабильная)
В конце декабря надо показать работающий макетный образец.