- Co to jest obwód zlewu stałoprądowego?
- Sterowany napięciem spadek prądu za pomocą wzmacniacza operacyjnego
- Budowa
- Obwód zlewu prądu sterowanego napięciem działa
- Design Improvements
Źródło prądu i ujście prądu to dwa główne terminy używane w projektowaniu elektroniki. Te dwa terminy określają, ile prądu może opuścić lub wpłynąć do terminala. Na przykład prąd ujścia i źródła typowego cyfrowego pinu wyjściowego mikrokontrolera 8051 wynosi odpowiednio 1,6 mA i 60 μA. Oznacza to, że pin może dostarczać (źródło) do 60uA, gdy jest ustawiony na stan wysoki i może odbierać (odprowadzać) do 1,6 mA, gdy jest ustawiony na niski. Podczas projektowania obwodu czasami musimy zbudować własne źródło prądu i obwody odbiornika prądu. W poprzednim samouczku zbudowaliśmy obwód źródła prądu sterowanego napięciem przy użyciu wspólnego wzmacniacza operacyjnego i tranzystora MOSFET, który może być użyty do dostarczania prądu do obciążenia, ale w niektórych przypadkach zamiast prądu źródłowego będziemy potrzebować opcji prądowego ujścia.
Dlatego w tym samouczku nauczymy się, jak zbudować obwód prądu stałego sterowanego napięciem. Jak sugeruje nazwa, kontrolowany napięciem obwód pochłaniacza prądu stałego kontroluje ilość prądu przepływającego przez niego na podstawie przyłożonego napięcia. Zanim przejdziemy dalej do budowy obwodu, przyjrzyjmy się obwodowi prądu stałego.
Co to jest obwód zlewu stałoprądowego?
Obwód odprowadzający prąd stały faktycznie pobiera prąd niezależnie od rezystancji obciążenia, o ile napięcie wejściowe nie ulega zmianie. W przypadku obwodu o rezystancji 1 om, zasilanego z wejścia 1 V, prąd stały wynosi 1 A zgodnie z prawem Ohma. Ale jeśli prawo Ohma decyduje o tym, ile prądu przepływa przez obwód, to dlaczego potrzebujemy stałego źródła prądu i obwodu odbiornika prądu?
Jak widać na powyższym obrazku, obwód źródła prądu dostarcza prąd do napędzania obciążenia. O ilości pobieranego prądu decyduje obwód źródła prądu, ponieważ działa on jako zasilacz. Podobnie, obwód odbiornika prądu działa jak uziemienie, ponownie ilość prądu odbieranego przez obciążenie będzie kontrolowana przez obwód odbiornika prądu. Główną różnicą jest to, że obwód źródła musi dostarczać do źródła (dostarczać) wystarczający prąd do obciążenia, podczas gdy obwód zlewu musi po prostu ograniczać prąd płynący przez obwód.
Sterowany napięciem spadek prądu za pomocą wzmacniacza operacyjnego
Obwód prądu stałego sterowany napięciem działa dokładnie w taki sam sposób, jak obwód źródła prądu sterowanego napięciem, który zbudowaliśmy wcześniej.
W przypadku obwodu prądowego następuje zmiana połączenia wzmacniacza operacyjnego, to znaczy wejście ujemne jest połączone z rezystorem bocznikowym. Zapewni to niezbędne ujemne sprzężenie zwrotne do wzmacniacza operacyjnego. Następnie mamy tranzystor PNP, który jest podłączony do wyjścia wzmacniacza operacyjnego, dzięki czemu pin wyjściowy wzmacniacza operacyjnego może sterować tranzystorem PNP. Teraz zawsze pamiętaj, że wzmacniacz operacyjny będzie próbował wyrównać napięcie na obu wejściach (dodatnim i ujemnym).
Załóżmy, że wejście 1 V jest podawane na dodatnim wejściu wzmacniacza operacyjnego. Wzmacniacz operacyjny będzie teraz próbował ustawić inne ujemne wejście również jako 1V. Ale jak to zrobić? Wyjście wzmacniacza operacyjnego włączy tranzystor w taki sposób, że drugie wejście otrzyma 1 V z naszego Vsupply.
Rezystor bocznikowy wytwarza spadek napięcia zgodnie z prawem Ohma, V = IR. Dlatego przepływ prądu 1 A przez tranzystor spowoduje spadek napięcia o 1 V. Tranzystor PNP obniży ten 1A prądu, a wzmacniacz operacyjny wykorzysta ten spadek napięcia i uzyska pożądane sprzężenie zwrotne 1 V. W ten sposób zmiana napięcia wejściowego będzie sterować bazą, a także prądem płynącym przez rezystor bocznikowy. Teraz wprowadźmy obciążenie, które ma być kontrolowane w naszym obwodzie.
Jak widać, zaprojektowaliśmy już obwody prądowe sterowane napięciem przy użyciu wzmacniacza operacyjnego. Ale dla praktycznej demonstracji, zamiast używać RPS do dostarczania zmiennego napięcia do Vin, użyjmy potencjometru. Wiemy już, że pokazany poniżej potencjometr działa jako dzielnik potencjału, aby zapewnić zmienne napięcie od 0 V do Vsupply (+).
Teraz zbudujmy obwód i sprawdźmy, jak działa.
Budowa
Podobnie jak w poprzednim samouczku, użyjemy LM358, ponieważ jest on bardzo tani, łatwy do znalezienia i szeroko dostępny. Ma jednak dwa kanały wzmacniacza operacyjnego w jednym pakiecie, ale potrzebujemy tylko jednego. Wcześniej zbudowaliśmy wiele obwodów opartych na LM358, możesz je również sprawdzić. Poniższy obraz jest przeglądem schematu styków LM358.
Następnie potrzebujemy tranzystora PNP, służy do tego BD140. Inne tranzystory również będą działać, ale problemem jest rozpraszanie ciepła. Dlatego pakiet Transistor musi mieć opcję podłączenia dodatkowego radiatora. Pinout BD140 pokazano na poniższym obrazku -
Innym ważnym elementem jest rezystor bocznikowy. W tym projekcie trzymajmy się rezystora 47ohms 2W. Szczegółowy opis wymaganych komponentów znajduje się na poniższej liście.
- Wzmacniacz operacyjny (LM358)
- Tranzystor PNP (BD140)
- Rezystor bocznikowy (47 omów)
- Rezystor 1k
- Rezystor 10k
- Zasilanie (12 V)
- Potencjometr 50k
- Płytka do chleba i dodatkowe przewody połączeniowe
Obwód zlewu prądu sterowanego napięciem działa
Obwód jest zbudowany w prostej płytce prototypowej do celów testowych, jak widać na poniższym obrazku. Aby przetestować obiekt stałoprądowy, różne rezystory są używane jako obciążenie rezystancyjne.
Napięcie wejściowe zmienia się za pomocą potencjometru, a zmiany prądu są odzwierciedlane w obciążeniu. Jak widać na poniższym obrazku, prąd 0,16 A jest zatopiony przez obciążenie. Możesz również sprawdzić szczegóły pracy w filmie, do którego link znajduje się na dole tej strony. Ale co dokładnie dzieje się w obwodzie?
Jak omówiono wcześniej, podczas wejścia 8 V, wzmacniacz operacyjny spowoduje spadek napięcia na rezystorze bocznikowym o 8 V w jego pinie sprzężenia zwrotnego. Wyjście wzmacniacza operacyjnego będzie włączać tranzystor, dopóki rezystor bocznikowy nie wytworzy spadku 8 V.
Zgodnie z prawem Ohma, rezystor spowoduje spadek o 8 V tylko wtedy, gdy przepływ prądu wynosi 170 mA (0,17 A). Dzieje się tak, ponieważ napięcie = prąd x rezystancja. Dlatego 8 V = 0,17 A x 47 omów. W tym scenariuszu podłączone obciążenie rezystancyjne, które jest połączone szeregowo, jak pokazano na schemacie, również przyczyni się do przepływu prądu. Wzmacniacz operacyjny włączy tranzystor i taka sama ilość prądu zostanie zatopiona w ziemi, co rezystor bocznikowy.
Teraz, jeśli napięcie jest stałe, niezależnie od podłączonego obciążenia rezystancyjnego, przepływ prądu będzie taki sam, w przeciwnym razie napięcie na wzmacniaczu operacyjnym nie będzie takie samo jak napięcie wejściowe.
Można zatem powiedzieć, że prąd płynący przez obciążenie (prąd zatopiony) jest równy prądowi płynącemu przez tranzystor, który jest również równy prądowi płynącemu przez rezystor bocznikowy. Tak więc, zmieniając powyższe równanie, Pobór prądu przez obciążenie = spadek napięcia / rezystancja bocznika.
Jak omówiono wcześniej, spadek napięcia będzie taki sam, jak napięcie wejściowe na wzmacniaczu operacyjnym. W związku z tym, Pobór prądu przez obciążenie = napięcie wejściowe / rezystancja bocznika.
Jeśli napięcie wejściowe zostanie zmienione, prąd spadający przez obciążenie również się zmieni.
Design Improvements
- Jeśli rozpraszanie ciepła jest większe, zwiększ moc rezystora bocznikowego. Do doboru mocy rezystora bocznikowego można użyć R w = I 2 R, gdzie R w to moc rezystora, a I to maksymalny przepływ prądu, a R to wartość rezystora bocznikowego.
- LM358 ma dwa wzmacniacze operacyjne w jednym pakiecie. Poza tym wiele układów scalonych wzmacniaczy operacyjnych ma dwa wzmacniacze operacyjne w jednym pakiecie. Jeśli napięcie wejściowe jest zbyt niskie, można użyć drugiego wzmacniacza operacyjnego, aby odpowiednio zwiększyć napięcie wejściowe.