Πηγή σταθερού ρεύματος

Εφαρμογή σε φορτιστή μπαταρίας

Η πηγή σταθερού ρεύματος που παρουσιάζεται είναι σχεδιασμένη με απλά υλικά και εύκολη στην κατασκευή της. Δεν παρέχει φυσικά την αξιοπιστία πιο πολύπλοκων σχεδιασμών, όμως διατηρεί σταθερό το ρεύμα μέσα από ένα φορτίο και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κυκλώματα φόρτισης μπαταριών με σταθερό ρεύμα ή κυκλώματα φωτισμού.

Σχήμα 1. Πηγή ρεύματος σε κυκλώμα φόρτισης μπαταριών με σταθερό ρεύμα.

Το Q1 ελέγχει το ρεύμα στο φορτίο, που στο συγκεκριμένο κύκλωμα είναι μια επαναφορτιζόμενη μπαταρία. Το Q2 είναι συνδεδεμένο διοδικά και πρέπει να βρίσκεται σε μηχανική επαφή με το Q1 ώστε να έχουν την ίδια θερμοκρασία. Το Q2 μαζί με τις D1, D2 διατηρούν σταθερή την τάση στη βάση του Q1 με αποτέλεσμα να διατηρείται σταθερή και η τάση στον εκπομπό του. Το ρεύμα i συνεπώς που διαρρέει την R1 παραμένει και αυτό σταθερό και είναι:

Επειδή όμως τα δύο τρανζίστορ είναι ίδια και έχουν την ίδια θερμοκρασία θα έχουν και την ίδια V_be. Έτσι έχουμε για το ρεύμα i:

Όμως το i_b1 είναι β φορές μικρότερο από το i_c1 και έτσι μπορούμε να το θεωρήσουμε αμελητέο, οπότε για το ρεύμα i_l μέσα από το φορτίο ισχύει κατά προσέγγιση:

Το ρεύμα στο φορτίο θα είναι σταθερό μέσα σε ορισμένα όρια. Θα πρέπει η πτώση τάσης στο φορτίο να είναι μικρότερη από κάποια ακραία τιμή που εξαρτάται από χαρακτηριστικά του κυκλώματος:

Αν θεωρήσουμε ότι V_D=0.7V, V_ceSat=0.2V ισχύει:

Και αν το φορτίο έχει ωμικό χαρακτήρα R_l:

Στο σχήμα 2 παρουσιάζεται σε προσομοίωση η ροή τουρεύματος σε σχέση με τη μεταβολή της τάσης στα άκρα του φορτίου στο κύκλωμα του σχήματος 1, όπου υποθέτουμε ότι το φορτίο είναι μια μπαταρία που φορτίζει, . Στο κύκλωμα η τάση τροφοδοσίας και ο αριθμός των διόδων εξαρτώνται από τα χαρακτηριστικά του φορτίου και ο περιορισμός που ισχύει είναι να επαληθεύεται η ανισότητα (1). Το ρεύμα μέσα από τις διόδους και το διοδικά συνδεδεμένο τρανζίστορ θα πρέπει να είναι της τάξης των 10mA έτσι ώστε να είναι σταθερή η τάση στα άκρα τους. Επίσης θα πρέπει το ρεύμα βάσης i_b1 του Q1 να είναι β φορές μικρότερο από ρεύμα φορτίου i_l. Η τιμή της R2 θα πρέπει να είναι τέτοια ώστε να ικανοποιεί τις παραπάνω συνθήκες. Ισχύει συνεπώς:

Σχήμα 2. Φόρτιση μπαταρίας σε προσομοίωση στο κύκλωμα του σχήματος 1.

Σχήμα 3. Πηγή ρεύματος με τρανζίστορ MOS σε κυκλώματα φόρτισης μπαταριών με σταθερό ρεύμα.

Το ίδιο κύκλωμα είναι δυνατό να υλοποιηθεί με MOS τρανζίστορ αποκλειστικά. Η λογική του κυκλώματος παραμένει η ίδια με αυτήν που παρουσιάστηκε παραπάνω. Στο σχήμα 3 παρουσιάζεται το θεωρητικό κύκλωμα. Για την επίλυση του κυκλώματος πρέπει να λάβουμε υπόψιν ότι δεν έχουμε ρεύμα προς την πύλη του Q1 οπότε όλο το ρεύμα που διαρρέει  την R2 διαρρέει και τα Q2, Q3 και καθορίζει την πτώση τάσης σε αυτά σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά τους. Με αυτόν τον τρόπο διαμορφώνεται η τάση στην πύλη του Q1. Η πτώση τάσης στην R1 καθορίζει το δυναμικό της πηγής του Q1 και έτσι ρυθμίζεται τελικά η V_gs του και συνεπώς το ρεύμα μέσα από αυτό. Μολονότι τα Q1 και Q2 έχουν διαφορετικό V_gs, αν είναι θερμικά συνδεδεμένα τυχόν μεταβολές στα χαρακτηριστικά του Q1 με αύξηση της θερμοκρασίας του δε θα παρουσιάζουν σημαντική μεταβολή στο ρεύμα λόγω αντίστοιχων μεταβολών στο Q2. Τα Q2, Q3 επειδή είναι διοδικά συνδεδεμένα λειτουργούν στην περιοχή κόρου γιατί πάντα ισχύει:

Οπότε για το ρεύμα I_d=I_R1 ισχύει:

Λύνοντας το σύστημα τριών εξισώσεων με τρεις αγνώστους μπορούμε να υπολογίσουμε στη συνέχεια την τάση στην πύλη του Q1. Το Q1 πρέπει και αυτό να λειτουργεί στην περιοχή κόρου, ώστε να διατηρείται σταθερό το ρεύμα μέσα από αυτό, για το οποίο ισχύει:

Λύνοντας το σύστημα δύο εξισώσεων με δύο αγνώστους μπορούμε να υπολογίσουμε στη συνέχεια το ρεύμα μέσα από το Q1.