Разработайте схему источника тока, управляемого напряжением, используя op

В схеме источника тока, управляемого напряжением, как следует из названия, небольшое количество напряжения на входе будет пропорционально управлять током, протекающим через выходные нагрузки. Этот тип схемы обычно используется в электронике для управления устройствами, управляемыми током, такими как BJT, SCR и т. Д. Мы знаем, что в BJT ток, протекающий через базу транзистора, определяет, насколько транзистор закрыт, этот базовый ток может быть обеспечен. Во многих типах схем одним из методов является использование этой схемы источника тока, управляемого напряжением. Вы также можете проверить цепь постоянного тока, которая также может использоваться для управления устройствами с регулируемым током.

В этом проекте мы объясним, как можно спроектировать источник тока, управляемый напряжением, с использованием операционного усилителя, а также построить его, чтобы продемонстрировать его работу. Этот тип цепи источника тока, управляемого напряжением, также называется сервоприводом тока. Схема очень проста и может быть построена с минимальным количеством компонентов.

Основы операционного усилителя

Чтобы понять принцип работы этой схемы, необходимо знать, как работает операционный усилитель.

На изображении выше показан одиночный операционный усилитель. Усилитель усиливает сигналы, но кроме усиления сигналов он также может выполнять математические операции. О р-усилитель или операционный усилитель является основой аналоговой электроники и используется во многих приложениях, таких как суммирующий усилитель, дифференциальный усилитель, усилитель, Инструментарий операционного усилителя интегратора и т.д.

Если мы внимательно посмотрим на изображение выше, есть два входа и один выход. У этих двух входов есть знак + и -. Положительный вход называется неинвертирующим входом, а отрицательный вход называется инвертирующим входом.

Первое правило, по которому работает усилитель, заключается в том, чтобы разница между этими двумя входами всегда была равна нулю. Для лучшего понимания давайте посмотрим на изображение ниже -

Вышеупомянутая схема усилителя представляет собой цепь повторителя напряжения. Выход подключен к отрицательной клемме, что делает его усилителем с усилением 1x. Следовательно, напряжение, подаваемое на входе, доступно на выходе.

Как обсуждалось ранее, операционный усилитель дифференцирует оба входа 0. Поскольку выход подключен к входной клемме, операционный усилитель будет вырабатывать то же напряжение, которое подается на другую входную клемму. Таким образом, если на входе подается 5 В, то при подключении выхода усилителя к отрицательной клемме будет получено 5 В, что в конечном итоге подтверждает правило 5 В - 5 В = 0. Это происходит для всех усилителей с отрицательной обратной связью.

Разработка источника тока, управляемого напряжением

По тому же правилу давайте посмотрим на схему ниже.

Теперь вместо выхода операционного усилителя, подключенного к отрицательному входу напрямую, отрицательная обратная связь получается от шунтирующего резистора, подключенного через N-канальный MOSFET. Выход операционного усилителя подключен через затвор Mosfet.

Предположим, что вход 1 В подается на положительный вход операционного усилителя. Операционный усилитель любой ценой сделает цепь отрицательной обратной связи равной 1 В. Выход включит МОП-транзистор, чтобы получить 1В на отрицательной клемме. Принцип работы шунтирующего резистора - создавать падение напряжения в соответствии с законом Ома, V = IR. Следовательно, падение напряжения 1 В будет произведено, если через резистор 1 Ом протекает ток 1 А.

Операционный усилитель будет использовать это падение напряжения и получить желаемую обратную связь 1 В. Теперь, если мы подключим нагрузку, которая требует контроля тока для работы, мы можем использовать эту схему и разместить нагрузку в соответствующем месте.

Подробную принципиальную схему источника тока, управляемого напряжением операционного усилителя, можно найти на изображении ниже -

строительство

Для построения этой схемы нам понадобится операционный усилитель. LM358 - очень дешевый операционный усилитель, который легко найти, и он является идеальным выбором для этого проекта, однако он имеет два канала операционного усилителя в одном корпусе, а нам нужен только один. Ранее мы построили множество схем на основе LM358, вы также можете их проверить. На изображении ниже представлен обзор контактной схемы LM358.

Затем нам нужен N-канальный MOSFET, для этого IRF540N используется, другие MOSFET также будут работать, но убедитесь, что пакет MOSFET имеет возможность подключения дополнительного радиатора, если это необходимо, и необходимо тщательное рассмотрение для выбора соответствующей спецификации MOSFET по мере необходимости. Распиновка IRF540N показана на изображении ниже -

Третье требование - шунтирующий резистор. Давайте вставим резистор 1 Ом 2 Вт. Требуются два дополнительных резистора, один для резистора затвора полевого МОП-транзистора, а другой - резистора обратной связи. Эти два необходимы для уменьшения эффекта нагрузки. Однако перепад между этими двумя резисторами незначителен.

Теперь нам нужен источник питания, это стендовый блок питания. В настольном источнике питания доступно два канала. Один из них, первый канал используется для подачи питания на схему, а другой, который является вторым каналом, используется для обеспечения переменного напряжения для управления током источника схемы. Поскольку управляющее напряжение подается от внешнего источника, оба канала должны иметь одинаковый потенциал, поэтому клемма заземления второго канала подключается к клемме заземления первого канала.

Однако это управляющее напряжение можно подавать от переменного делителя напряжения с помощью любого потенциометра. В таком случае достаточно одного источника питания. Следовательно, для изготовления источника переменного тока, управляемого напряжением, требуются следующие компоненты:

Операционный усилитель (LM358)
МОП-транзистор (IRF540N)
Шунтирующий резистор (1 Ом)
Резистор 1к
Резистор 10к
Блок питания (12 В)
Блок питания
Хлебная доска и дополнительные соединительные провода

Источник тока, управляемый напряжением, работает

Схема построена на макете для целей тестирования, как вы можете видеть на изображении ниже. Нагрузка не подключена к цепи, чтобы сделать ее почти идеальной 0 Ом (закороченной) для проверки операции управления током.

Входное напряжение изменяется с 0,1 В до 0,5 В, и изменения тока отражаются в другом канале. Как видно на изображении ниже, вход 0,4 В при нулевом потреблении тока фактически становится вторым каналом для потребления тока 400 мА на выходе 9 В. Схема питается от источника питания 9 В.

Вы также можете посмотреть видео внизу этой страницы для более подробной информации. Он реагирует в зависимости от входного напряжения. Например, когда входное напряжение составляет 0,4 В, операционный усилитель будет иметь такое же напряжение 0,4 В на его выводе обратной связи. Выход операционного усилителя включается и управляет МОП-транзистором до тех пор, пока падение напряжения на шунтирующем резисторе не станет 0,4 В.

В этом сценарии применяется закон Ома. Резистор будет производить падение только на 0,4 В, если ток через резистор составляет 400 мА (0,4 А). Это потому, что напряжение = ток x сопротивление. Следовательно, 0,4 В = 0,4 А x 1 Ом.

В этом сценарии, если мы подключим нагрузку (резистивную нагрузку) последовательно, как описано на схеме, между положительным выводом источника питания и выводом стока полевого МОП-транзистора, операционный усилитель включит полевой МОП-транзистор и через нагрузку и резистор будет протекать такой же ток, вызывая такое же падение напряжения, как и раньше.

Таким образом, мы можем сказать, что ток через нагрузку (источник тока) равен току через полевой МОП-транзистор, который также равен току через шунтирующий резистор. Обозначая это в математической форме, мы получаем, Ток, подаваемый на нагрузку = падение напряжения / шунтирующее сопротивление.

Как обсуждалось ранее, падение напряжения будет таким же, как и входное напряжение на операционном усилителе. Следовательно, при изменении входного напряжения источник тока через нагрузку также изменится. Следовательно, Ток, подаваемый на нагрузку = входное напряжение / шунтирующее сопротивление.

Улучшения дизайна

Увеличение мощности резистора может улучшить рассеивание тепла через шунтирующий резистор. Чтобы выбрать мощность шунтирующего резистора, можно использовать R _w = I ² R, где R _w - мощность резистора, I - максимальный ток источника, а R - номинал шунтирующего резистора.
Как и LM358, многие ИС операционных усилителей имеют два операционных усилителя в одном корпусе. Если входное напряжение слишком низкое, второй неиспользуемый операционный усилитель можно использовать для усиления входного напряжения по мере необходимости.
Для улучшения тепловых характеристик и эффективности можно использовать полевые МОП-транзисторы с низким сопротивлением в открытом состоянии вместе с надлежащим радиатором.