- Podstawy wzmacniacza operacyjnego
- Projektowanie źródła prądu sterowanego napięciem
- Budowa
- Działa źródło prądu sterowanego napięciem
- Design Improvements
W obwodzie źródła prądu sterowanego napięciem, jak sama nazwa wskazuje, niewielka ilość napięcia na wejściu będzie proporcjonalnie sterować przepływem prądu przez obciążenia wyjściowe. Ten typ obwodu jest powszechnie stosowany w elektronice do sterowania urządzeniami sterowanymi prądem, takimi jak BJT, SCR itp. Wiemy, że w BJT prąd przepływający przez podstawę tranzystora kontroluje, ile tranzystora jest zamknięty, ten prąd bazowy może być dostarczony w wielu typach obwodów jedną z metod jest użycie tego obwodu źródła prądu sterowanego napięciem. Możesz również sprawdzić obwód prądu stałego, który może być również używany do sterowania urządzeniami sterowanymi prądem.
W tym projekcie wyjaśnimy, jak można zaprojektować sterowane napięciem źródło prądu wykorzystujące wzmacniacz operacyjny, a także zbudować je, aby zademonstrować jego działanie. Ten typ obwodu źródła prądu sterowanego napięciem jest również nazywany serwomechanizmem prądowym. Obwód jest bardzo prosty i można go zbudować z minimalnej liczby elementów.
Podstawy wzmacniacza operacyjnego
Aby zrozumieć działanie tego obwodu, należy wiedzieć, jak działa wzmacniacz operacyjny.
Powyższy obraz przedstawia pojedynczy wzmacniacz operacyjny. Wzmacniacz wzmacnia sygnały, ale oprócz sygnałów wzmacniających może również wykonywać operacje matematyczne. O P-AMP lub wzmacniacz operacyjny jest podstawą Analog Elektronika i wykorzystywane w wielu zastosowaniach, takich jak sumującego wzmacniacza różnicowego, wzmacniacz, wzmacniacz Instrumentation, wzmacniacz operacyjny integrator, etc.
Jeśli przyjrzymy się uważnie powyższemu obrazowi, są dwa wejścia i jedno wyjście. Te dwa wejścia mają znak + i -. Wejście dodatnie nazywa się wejściem nieodwracającym, a wejście ujemne - wejściem odwracającym.
Pierwszą zasadą używaną do pracy wzmacniacza jest to, że różnica między tymi dwoma wejściami zawsze wynosi zero. Dla lepszego zrozumienia zobaczmy poniższy obraz -
Powyższy obwód wzmacniacza jest obwodem wtórnika napięcia. Wyjście jest podłączone do ujemnego zacisku, dzięki czemu jest wzmacniaczem o wzmocnieniu 1x. Dlatego napięcie podane na wejściu jest dostępne na wyjściu.
Jak omówiono wcześniej, wzmacniacz operacyjny rozróżnia oba wejścia 0. Ponieważ wyjście jest połączone przez zacisk wejściowy, wzmacniacz operacyjny będzie wytwarzał to samo napięcie, które jest dostarczane na drugim zacisku wejściowym. Tak więc, jeśli na wejściu zostanie podane 5 V, ponieważ wyjście wzmacniacza jest podłączone do ujemnego zacisku, wytworzy 5 V, co ostatecznie potwierdza zasadę 5 V - 5 V = 0. Dzieje się tak w przypadku wszystkich operacji wzmacniaczy z ujemnym sprzężeniem zwrotnym.
Projektowanie źródła prądu sterowanego napięciem
Zgodnie z tą samą zasadą spójrzmy na poniższy obwód.
Teraz zamiast wyjściu op-wzmacniacza połączone z ujemnym wejściu bezpośrednio ujemne sprzężenie zwrotne jest pochodną rezystor bocznikowy podłączony poprzek kanału n MOSFET. Wyjście wzmacniacza operacyjnego jest podłączone przez bramkę Mosfet.
Załóżmy, że wejście 1 V jest podawane na dodatnim wejściu wzmacniacza operacyjnego. Wzmacniacz operacyjny za wszelką cenę wytworzy ścieżkę ujemnego sprzężenia zwrotnego 1V. Wyjście włączy MOSFET, aby uzyskać 1 V na ujemnym zacisku. Zasada działania rezystora bocznikowego polega na wytwarzaniu spadku napięcia zgodnie z prawem Ohma, V = IR. Dlatego spadek napięcia o 1 V zostanie wytworzony, jeśli prąd o natężeniu 1 A przepłynie przez rezystor 1 Ohm.
Wzmacniacz operacyjny wykorzysta ten spadek napięcia i uzyska pożądane sprzężenie zwrotne 1 V. Teraz, jeśli podłączymy obciążenie, które do pracy wymaga kontroli prądu, możemy wykorzystać ten obwód i umieścić obciążenie w odpowiednim miejscu.
Szczegółowy schemat obwodu źródła prądu sterowanego napięciem wzmacniacza operacyjnego można znaleźć na poniższym obrazku -
Budowa
Aby zbudować ten obwód, potrzebujemy wzmacniacza operacyjnego. LM358 jest bardzo tanim, łatwym do znalezienia wzmacniaczem operacyjnym i jest idealnym wyborem dla tego projektu, jednak ma 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 N-Channel MOSFET, do tego IRF540N będą używane inne tranzystory MOSFET, ale upewnij się, że pakiet MOSFET ma opcję podłączenia dodatkowego radiatora w razie potrzeby i należy starannie rozważyć wybór odpowiedniej specyfikacji MOSFET zgodnie z wymaganiami. Pinout IRF540N pokazano na poniższym obrazku -
Trzecim wymaganiem jest rezystor bocznikowy. Trzymajmy się rezystora 1 ohm 2 wat. Wymagane są dodatkowe dwa rezystory, jeden dla rezystora bramki MOSFET, a drugi to rezystor sprzężenia zwrotnego. Te dwa są wymagane do zmniejszenia efektu obciążenia. Jednak spadek między tymi dwoma rezystorami jest znikomy.
Teraz potrzebujemy źródła zasilania, jest to zasilacz stołowy. W zasilaczu stołowym dostępne są dwa kanały. Jeden z nich, pierwszy kanał służy do zasilania obwodu, a drugi jest drugim kanałem służącym do dostarczania zmiennego napięcia do sterowania prądem źródła obwodu. Ponieważ napięcie sterujące jest doprowadzane ze źródła zewnętrznego, oba kanały muszą mieć ten sam potencjał, dlatego zacisk uziemienia drugiego kanału jest podłączony do zacisku uziemienia pierwszego kanału.
Jednak to napięcie sterujące można podać ze zmiennego dzielnika napięcia za pomocą dowolnego potencjometru. W takim przypadku wystarczy jeden zasilacz. Dlatego do wytworzenia źródła prądu zmiennego sterowanego napięciem wymagane są następujące elementy -
- Wzmacniacz operacyjny (LM358)
- MOSFET (IRF540N)
- Rezystor bocznikowy (1 Ohm)
- Rezystor 1k
- Rezystor 10k
- Zasilanie (12 V)
- Zasilacz
- Płytka do chleba i dodatkowe przewody połączeniowe
Działa źródło prądu sterowanego napięciem
Obwód jest zbudowany w płytce prototypowej do celów testowych, jak widać na poniższym obrazku. Obciążenie nie jest podłączone w obwodzie, aby uzyskać prawie idealne 0 omów (zwarte) do testowania działania sterowania prądem.
Napięcie wejściowe zmienia się z 0,1 V na 0,5 V, a zmiany prądu są odzwierciedlane w drugim kanale. Jak widać na poniższym obrazku, wejście 0,4 V przy zerowym poborze prądu jest w rzeczywistości drugim kanałem do pobierania prądu 400 mA przy wyjściu 9 V. Układ zasilany jest napięciem 9V.
Możesz również sprawdzić wideo na dole tej strony, aby uzyskać szczegółowe informacje. Reaguje w zależności od napięcia wejściowego. Na przykład, gdy napięcie wejściowe wynosi 0,4 V, wzmacniacz operacyjny będzie reagował, mając to samo napięcie 0,4 V na swoim pinie sprzężenia zwrotnego. Wyjście wzmacniacza operacyjnego włącza i steruje tranzystorem MOSFET, aż spadek napięcia na rezystorze bocznikowym osiągnie wartość 0,4V.
W tym scenariuszu zastosowano prawo Ohma. Rezystor spowoduje spadek o 0,4 V tylko wtedy, gdy prąd płynący przez rezystor osiągnie wartość 400 mA (.4 A). Dzieje się tak, ponieważ napięcie = prąd x rezystancja. Dlatego.4V =.4A x 1 Ohm.
W tym scenariuszu, jeśli podłączymy obciążenie (obciążenie rezystancyjne) szeregowo tak jak opisano na schemacie, pomiędzy dodatnim zaciskiem zasilania a pinem spustowym MOSFET, wzmacniacz operacyjny włączy MOSFET i taka sama ilość prądu przepłynie przez obciążenie i rezystor, wytwarzając taki sam spadek napięcia jak poprzednio.
W ten sposób możemy powiedzieć, że prąd płynący przez obciążenie (prąd jest dostarczany) jest równy prądowi przepływającemu przez tranzystor MOSFET, który jest również równy prądowi płynącemu przez rezystor bocznikowy. Ujmując to w formie matematycznej, Prąd dostarczany do obciążenia = spadek napięcia / rezystancja bocznika.
Jak omówiono wcześniej, spadek napięcia będzie taki sam, jak napięcie wejściowe na wzmacniaczu operacyjnym. Dlatego, jeśli zmieni się napięcie wejściowe, zmieni się również źródło prądu przez obciążenie. W związku z tym, Prąd dostarczany do obciążenia = napięcie wejściowe / rezystancja bocznika.
Design Improvements
- Wzrost mocy rezystora może poprawić odprowadzanie ciepła na rezystorze bocznikowym. Aby wybrać moc rezystora bocznikowego, można zastosować R w = I 2 R, gdzie R w to moc rezystora, a I to maksymalny prąd pobierany, a R to wartość rezystora bocznikowego.
- Podobnie jak LM358, wiele układów scalonych wzmacniaczy operacyjnych ma dwa wzmacniacze operacyjne w jednym pakiecie. Jeśli napięcie wejściowe jest zbyt niskie, drugi nieużywany wzmacniacz operacyjny może zostać użyty do wzmocnienia napięcia wejściowego zgodnie z wymaganiami.
- W celu poprawy problemów termicznych i wydajnościowych można zastosować tranzystory MOSFET o niskiej rezystancji wraz z odpowiednim radiatorem.