Dissenyar un circuit de font de corrent controlat per tensió mitjançant op

En un circuit de font de corrent controlat per tensió, com el seu nom indica, una petita quantitat de voltatge a l’entrada controlarà proporcionalment el flux de corrent a través de les càrregues de sortida. Aquest tipus de circuit s'utilitza habitualment en electrònica per conduir dispositius controlats per corrent com BJT, SCR, etc. Sabem que en un BJT el corrent que circula per la base del transistor controla la quantitat de transistor tancat, es pot proporcionar aquest corrent base per molts tipus de circuits, un mètode és utilitzar aquest circuit de font de corrent de tensió controlada. També podeu comprovar el circuit de corrent constant que també es pot utilitzar per conduir dispositius controlats per corrent.

En aquest projecte, explicarem com es pot dissenyar una font de corrent controlada per voltatge que utilitza amplificador operatiu i també construir-la per demostrar el seu funcionament. Aquest tipus de circuit de font de corrent controlat per tensió també s’anomena servo de corrent. El circuit és molt senzill i es pot construir amb un nombre mínim de components.

Conceptes bàsics de l'Op-Amp

Per entendre el funcionament d’aquest circuit és essencial saber com funciona un amplificador operacional.

La imatge anterior és un amplificador operatiu únic. Un amplificador amplifica els senyals, però a part d’amplificar els senyals també pot fer operacions matemàtiques. O amplificador operacional o amplificador operacional és l’eix vertebrador de l’electrònica analògica i s’utilitza en moltes aplicacions, com ara amplificadors sumadors, amplificadors diferencials, amplificadors d’instrumentació, integradors d’amplificadors, etc.

Si observem detingudament la imatge anterior, hi ha dues entrades i una sortida. Aquestes dues entrades tenen el signe + i -. L’entrada positiva s’anomena entrada no inversora i l’entrada negativa s’anomena entrada inversora.

La primera regla que utilitza l’amplificador és que la diferència entre aquestes dues entrades sigui sempre nul·la. Per a una millor comprensió, vegem la imatge següent:

El circuit amplificador anterior és un circuit seguidor de tensió. La sortida es connecta al terminal negatiu convertint-lo en un amplificador de guany 1x. Per tant, el voltatge donat a l’entrada està disponible a la sortida.

Com s'ha comentat anteriorment, l'amplificador operacional fa la diferenciació d'ambdues entrades 0. Com que la sortida es connecta a través del terminal d'entrada, l'amplificador operatiu produirà la mateixa tensió que es proporciona a l'altre terminal d'entrada. Per tant, si es dóna 5V a través de l’entrada, ja que la sortida de l’amplificador es connecta al terminal negatiu, produirà 5V que finalment demostrarà la regla 5V - 5V = 0. Això passa per a totes les operacions de retroalimentació negativa dels amplificadors.

Disseny d'una font de corrent controlada per voltatge

Per la mateixa regla, vegem el circuit següent.

Ara en lloc de la sortida de l'op-amp connectat a l'entrada negativa directament, la retroalimentació negativa es deriva de la resistència de derivació connectat a través d'un N canal MOSFET. La sortida d'amplificador operatiu està connectada a través de la porta Mosfet.

Suposem que l'entrada de 1 V es dóna a través de l'entrada positiva de l'amplificador operacional. L’amplificador operatiu farà que el camí de retroalimentació negativa sigui 1V a qualsevol preu. La sortida activarà el MOSFET per obtenir 1V a través del terminal negatiu. La regla de la resistència de derivació és produir una caiguda de tensió segons la llei d’Ohms, V = IR. Per tant, es produirà una tensió de caiguda de 1V si flueix 1A de corrent a través de la resistència d’1 Ohm.

L'amplificador operatiu utilitzarà aquesta caiguda de tensió i obtindrà la retroalimentació desitjada d'1 V. Ara, si connectem una càrrega que requereix control de corrent per al seu funcionament, podem utilitzar aquest circuit i col·locar la càrrega en un lloc adequat.

El diagrama detallat del circuit per a la font de corrent controlada per tensió Op-Amp es pot trobar a la imatge següent -

Construcció

Per construir aquest circuit, necessitem un amplificador operatiu. LM358 és un amplificador operatiu molt barat i fàcil de trobar, i és una opció perfecta per a aquest projecte, però té dos canals d'amplificador operatiu en un paquet, però només en necessitem un. Anteriorment hem construït molts circuits basats en LM358 que també podeu comprovar. La imatge següent és una visió general del diagrama de pins LM358.

A continuació, necessitem un MOSFET de canal N, perquè s’utilitzi aquest IRF540N, també funcionaran altres MOSFET, però assegureu-vos que el paquet MOSFET tingui l’opció de connectar dissipador de calor addicional si és necessari i cal tenir en compte la selecció de l’especificació adequada del MOSFET segons calgui. El pinout IRF540N es mostra a la imatge següent -

El tercer requisit és la resistència de derivació. Enganxem-nos a una resistència de 1 ohms de 2 watts. Es necessiten dues resistències addicionals, una per a la resistència de porta MOSFET i l'altra és la resistència de retroalimentació. Aquests dos són necessaris per reduir l'efecte de càrrega. No obstant això, la caiguda entre aquestes dues resistències és insignificant.

Ara, necessitem una font d’energia, és una font d’alimentació de banc. Hi ha dos canals disponibles a la font d'alimentació del banc. Un d'ells, el primer canal s'utilitza per proporcionar energia al circuit i l'altre, que és el segon canal que s'utilitza per proporcionar la tensió variable per controlar la font de corrent del circuit. Com que la tensió de control s'aplica des d'una font externa, els dos canals han de tenir el mateix potencial, per tant, el terminal de terra del segon canal es connecta a través del terminal de terra del primer canal.

Tanmateix, aquesta tensió de control es pot donar des d’un divisor de tensió variable mitjançant qualsevol tipus de potenciòmetre. En aquest cas, és suficient una sola font d'alimentació. Per tant, els components següents són necessaris per fer una font de corrent variable controlada per voltatge:

1. Amplificador operatiu (LM358)
2. MOSFET (IRF540N)
3. Resistència de derivació (1 Ohm)
4. 1k resistència
5. 10k resistència
6. Font d'alimentació (12V)
7. Unitat de subministrament d'energia
8. Taula de pa i cables de connexió addicionals

Funcionament de la font de corrent controlada per tensió

El circuit està construït en una taula de proves per a proves, tal com es pot veure a la imatge següent. La càrrega no està connectada al circuit per convertir-lo en un 0 Ohms gairebé ideal (en curtcircuit) per provar l'operació de control actual.

El voltatge d'entrada canvia de 0,1 V a 0,5 V i els canvis actuals es reflecteixen a l'altre canal. Com es veu a la imatge següent, l'entrada de 0,4 V amb 0 extrets de corrent es converteix efectivament en el segon canal per obtenir 400 mA de corrent a la sortida de 9 V. El circuit s’alimenta mitjançant una font de 9V.

També podeu consultar el vídeo a la part inferior d’aquesta pàgina per obtenir un treball detallat. Respon en funció de la tensió d’entrada. Per exemple, quan la tensió d'entrada és de.4V, l'ampli operatiu respondrà per tenir el mateix voltatge de.4V al seu pin de retroalimentació. La sortida de l’amplificador operatiu s’encén i controla el MOSFET fins que la caiguda de tensió de la resistència de derivació es converteix en.4V.

En aquest escenari s’aplica la llei d’Ohms. La resistència només produirà una caiguda de.4V si el corrent a través de la resistència serà de 400mA (.4A). Això es deu al voltatge = corrent x resistència. Per tant,.4V =.4A x 1 Ohm.

En aquest escenari, si connectem una càrrega (càrrega resistiva) en sèrie igual que es descriu a l’esquema, entre el terminal positiu de la font d’alimentació i el pin de drenatge del MOSFET, l’ampli operatiu activarà el MOSFET i el la mateixa quantitat de corrent fluirà per la càrrega i la resistència produint la mateixa caiguda de tensió que abans.

Per tant, podem dir que el corrent a través de la càrrega (el corrent és d’origen) és igual al corrent a través del MOSFET que també és igual al corrent a través de la resistència de derivació. Posant-lo en una forma matemàtica obtenim, Corrent originat a la càrrega = Caiguda de tensió / Resistència de derivació.

Com s’ha comentat abans, la caiguda de tensió serà la mateixa que la tensió d’entrada a l’amplificador operacional. Per tant, si es modifica el voltatge d’entrada, també canviarà la font de corrent a través de la càrrega. Per tant, Corrent originat a la càrrega = Voltatge d'entrada / Resistència de derivació.

Millores en el disseny

1. L'augment de la potència de la resistència pot millorar la dissipació de calor a través de la resistència de derivació. Per triar la potència de la resistència de derivació, es pot utilitzar R _w = I ² R, on R _w és la potència de la resistència i I és el corrent d’origen màxim i R és el valor de la resistència de derivació.
2. Igual que el LM358, molts circuits operatius amplificadors operatius tenen dos amplificadors operatius en un sol paquet. Si el voltatge d'entrada és massa baix, es pot utilitzar el segon amplificador operatiu no utilitzat per amplificar el voltatge d'entrada segons sigui necessari.
3. Per millorar els problemes tèrmics i d’eficiència, es poden utilitzar MOSFET de baixa resistència juntament amb un dissipador de calor adequat.