- Τι είναι ένα κύκλωμα νεροχύτη σταθερού ρεύματος;
- Νεροχύτης ρεύματος ελεγχόμενης τάσης με χρήση Op-Amp
- Κατασκευή
- Λειτουργία κυκλώματος νεροχύτη ελεγχόμενης τάσης
- Βελτιώσεις σχεδιασμού
Η τρέχουσα πηγή και ο νεροχύτης ρεύματος είναι δύο βασικοί όροι που χρησιμοποιούνται στον σχεδιασμό ηλεκτρονικών, αυτοί οι δύο όροι υπαγορεύουν πόσο ρεύμα μπορεί να φύγει ή να εισέλθει σε τερματικό. Για παράδειγμα, το νεροχύτη και το ρεύμα πηγής ενός τυπικού ψηφιακού πείρου εξόδου 8051 μικροελεγκτή είναι 1.6mA και 60uA αντίστοιχα. Αυτό σημαίνει ότι ο πείρος μπορεί να αποδώσει (πηγή) έως 60uA όταν γίνει Υψηλός και μπορεί να λάβει (νεροχύτης) έως 1,6mA όταν γίνει Χαμηλός. Κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού των κυκλωμάτων μας, μερικές φορές πρέπει να χτίσουμε τα δικά μας τρέχοντα κυκλώματα πηγής και ρεύματος. Στο προηγούμενο σεμινάριο, δημιουργήσαμε ένα κύκλωμα πηγής ρεύματος ελεγχόμενης τάσης χρησιμοποιώντας κοινά op-amp και MOSFET τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την τροφοδοσία ρεύματος σε ένα φορτίο, αλλά σε ορισμένες περιπτώσεις αντί του ρεύματος προέλευσης, θα χρειαζόμαστε μια τρέχουσα επιλογή νεροχύτη.
Ως εκ τούτου, σε αυτό το σεμινάριο, θα μάθουμε πώς να κατασκευάσουμε ένα κύκλωμα νεροχύτη σταθερού ρεύματος ελεγχόμενης τάσης. Ένα κύκλωμα νεροχύτη σταθερού ρεύματος ελεγχόμενης τάσης, όπως υποδηλώνει το όνομα ελέγχει την ποσότητα του ρεύματος που βυθίστηκε μέσω αυτού με βάση την εφαρμοζόμενη τάση. Πριν προχωρήσουμε περαιτέρω στην κατασκευή κυκλώματος, ας καταλάβουμε για το κύκλωμα νεροχύτη συνεχούς ρεύματος.
Τι είναι ένα κύκλωμα νεροχύτη σταθερού ρεύματος;
Ένα κύκλωμα νεροχύτη συνεχούς ρεύματος βυθίζει πραγματικά το ρεύμα ανεξάρτητα από την αντίσταση φορτίου εφόσον δεν αλλάζει η τάση εισόδου. Για κύκλωμα με αντίσταση 1-ohm, τροφοδοτούμενο με είσοδο 1V, το σταθερό ρεύμα είναι 1Α σύμφωνα με τον νόμο Ohms. Αλλά, εάν ο νόμος του Ohms αποφασίσει πόσο ρεύμα ρέει μέσω ενός κυκλώματος, τότε γιατί χρειαζόμαστε σταθερή πηγή ρεύματος και τρέχον κύκλωμα νεροχύτη;
Όπως μπορείτε να δείτε από την παραπάνω εικόνα, ένα κύκλωμα πηγής ρεύματος παρέχει ρεύμα για την κίνηση του φορτίου. Το ύψος του ρεύματος που λαμβάνεται θα αποφασιστεί από το τρέχον κύκλωμα πηγής δεδομένου ότι λειτουργεί ως τροφοδοτικό. Ομοίως, το τρέχον κύκλωμα νεροχύτη λειτουργεί σαν γείωση, και πάλι η ποσότητα ρεύματος που λαμβάνει το φορτίο θα ελέγχεται από το τρέχον κύκλωμα νεροχύτη. Η κύρια διαφορά είναι ότι το κύκλωμα πηγής έχει στην πηγή (τροφοδοσία) αρκετό ρεύμα στο φορτίο, ενώ το κύκλωμα νεροχύτη πρέπει να περιορίσει το ρεύμα μέσω του κυκλώματος.
Νεροχύτης ρεύματος ελεγχόμενης τάσης με χρήση Op-Amp
Το κύκλωμα νεροχύτη σταθερού ρεύματος ελεγχόμενης τάσης λειτουργεί ακριβώς με τον ίδιο τρόπο όπως το κύκλωμα πηγής ρεύματος ελεγχόμενης τάσης που κατασκευάσαμε νωρίτερα.
Για ένα τρέχον κύκλωμα νεροχύτη, η σύνδεση op-amp αλλάζει, δηλαδή η αρνητική είσοδος συνδέεται με μια αντίσταση διακλάδωσης. Αυτό θα παρέχει τα απαραίτητα αρνητικά σχόλια στο op-amp. Έπειτα έχουμε ένα τρανζίστορ PNP, το οποίο συνδέεται στην έξοδο Op-amp, έτσι ώστε ο πείρος εξόδου op-amp να μπορεί να οδηγήσει το τρανζίστορ PNP. Τώρα, να θυμάστε πάντα ότι ένα Op-Amp θα προσπαθήσει να κάνει την τάση και στις δύο εισόδους (θετική και αρνητική) ίση.
Ας υποθέσουμε, η είσοδος 1V δίνεται σε όλη τη θετική είσοδο του op-amp. Το Op-amp θα προσπαθήσει τώρα να κάνει την άλλη αρνητική είσοδο επίσης ως 1V. Αλλά πώς μπορεί να γίνει αυτό; Η έξοδος του op-amp θα ενεργοποιήσει το τρανζίστορ με τρόπο που η άλλη είσοδος θα πάρει 1V από το Vsupply μας.
Η αντίσταση διακλάδωσης θα παράγει τάση πτώσης σύμφωνα με τον νόμο Ohms, V = IR. Επομένως, 1Α ροής ρεύματος μέσω του τρανζίστορ θα δημιουργήσει τάση πτώσης 1V. Το τρανζίστορ PNP θα βυθίσει αυτό το 1A ρεύματος και το op-amp θα χρησιμοποιήσει αυτήν την πτώση τάσης και θα λάβει την επιθυμητή ανατροφοδότηση 1V. Με αυτόν τον τρόπο, η αλλαγή της τάσης εισόδου θα ελέγξει τη βάση καθώς και το ρεύμα μέσω της αντίστασης διακλάδωσης. Τώρα, ας εισαγάγουμε το φορτίο που πρέπει να ελεγχθεί στο κύκλωμα μας.
Όπως μπορείτε να δείτε, έχουμε ήδη σχεδιάσει κυκλώματα νεροχύτη ελεγχόμενης τάσης χρησιμοποιώντας Op-Amp. Αλλά για πρακτική επίδειξη, αντί να χρησιμοποιήσουμε RPS για παροχή μεταβλητής τάσης στο Vin, ας χρησιμοποιήσουμε ένα ποτενσιόμετρο Γνωρίζουμε ήδη ότι το ποτενσιόμετρο που φαίνεται παρακάτω λειτουργεί ως πιθανός διαχωριστής για την παροχή μεταβλητής τάσης μεταξύ 0V έως Vsupply (+).
Τώρα, ας χτίσουμε το κύκλωμα και ελέγξτε πώς λειτουργεί.
Κατασκευή
Όπως και το προηγούμενο σεμινάριο, θα χρησιμοποιήσουμε το LM358, καθώς είναι πολύ φθηνό, εύχρηστο και ευρέως διαθέσιμο. Ωστόσο, έχει δύο κανάλια op-amp σε ένα πακέτο, αλλά χρειαζόμαστε μόνο ένα. Έχουμε δημιουργήσει στο παρελθόν πολλά κυκλώματα με βάση το LM358, μπορείτε επίσης να τα ελέγξετε. Η παρακάτω εικόνα είναι μια επισκόπηση του διαγράμματος LM358 pin.
Στη συνέχεια, χρειαζόμαστε ένα τρανζίστορ PNP, το BD140 χρησιμοποιείται για αυτόν τον σκοπό. Άλλα τρανζίστορ θα λειτουργήσουν επίσης, αλλά η απαγωγή θερμότητας είναι ένα ζήτημα. Επομένως, το πακέτο τρανζίστορ πρέπει να έχει την επιλογή να συνδέσει μια επιπλέον ψύκτρα. Το pinout BD140 εμφανίζεται στην παρακάτω εικόνα -
Ένα άλλο σημαντικό συστατικό είναι το Shunt Resistor. Ας κολλήσουμε σε 47ohms 2watt αντίσταση για αυτό το έργο. Λεπτομέρειες απαιτούμενα συστατικά περιγράφονται στην παρακάτω λίστα.
- Op-amp (LM358)
- Τρανζίστορ PNP (BD140)
- Αντίσταση Shunt (47 Ohms)
- 1 k αντίσταση
- 10k αντίσταση
- Τροφοδοσία (12V)
- Ποτενσιόμετρο 50k
- Πίνακας ψωμιού και πρόσθετα καλώδια σύνδεσης
Λειτουργία κυκλώματος νεροχύτη ελεγχόμενης τάσης
Το κύκλωμα είναι κατασκευασμένο σε ένα απλό breadboard για δοκιμές, όπως μπορείτε να δείτε στην παρακάτω εικόνα. Για να δοκιμαστεί η σταθερό ρεύμα εγκατάσταση, οι διαφορετικές αντιστάσεις χρησιμοποιείται ως ωμικό φορτίο.
Η τάση εισόδου αλλάζει χρησιμοποιώντας το ποτενσιόμετρο και οι τρέχουσες αλλαγές αντικατοπτρίζονται στο φορτίο. Όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, το ρεύμα 0,16Α βυθίζεται από το φορτίο. Μπορείτε επίσης να ελέγξετε τη λεπτομερή εργασία στο βίντεο που συνδέεται στο κάτω μέρος αυτής της σελίδας. Αλλά, τι ακριβώς συμβαίνει μέσα στο κύκλωμα;
Όπως συζητήθηκε προηγουμένως, κατά τη διάρκεια της εισόδου 8V, το op-amp θα μειώσει την τάση κατά μήκος της αντίστασης διακλάδωσης για 8V στον πείρο ανάδρασης. Η έξοδος του op-amp θα ενεργοποιηθεί το τρανζίστορ έως ότου η αντίσταση διακλάδωσης παράγει πτώση 8V.
Σύμφωνα με το νόμο Ohms, η αντίσταση θα παράγει πτώση 8V μόνο όταν η ροή ρεύματος είναι 170mA (.17A). Αυτό συμβαίνει επειδή Τάση = τρέχουσα αντίσταση x. Επομένως, 8V =.17A x 47 Ohms. Σε αυτό το σενάριο, το συνδεδεμένο φορτίο αντίστασης που είναι σε σειρά όπως φαίνεται στο σχηματικό θα συμβάλει επίσης στη ροή του ρεύματος. Το op-amp θα ενεργοποιήσει το τρανζίστορ και το ίδιο ρεύμα θα βυθιστεί στο έδαφος με την αντίσταση διακλάδωσης.
Τώρα, εάν η τάση είναι σταθερή, όποιο κι αν είναι φορτισμένο με αντίσταση φορτίο, η ροή ρεύματος θα είναι η ίδια, διαφορετικά, η τάση κατά μήκος του op-amp δεν θα είναι η ίδια με την τάση εισόδου.
Έτσι, μπορούμε να πούμε ότι το ρεύμα μέσω του φορτίου (το ρεύμα είναι βυθισμένο) είναι ίσο με το ρεύμα μέσω του τρανζίστορ που είναι επίσης ίσο με το ρεύμα μέσω της αντίστασης διακλάδωσης. Έτσι, αναδιατάσσοντας την παραπάνω εξίσωση, Τρέχων νεροχύτης από το φορτίο = πτώση τάσης / αντίσταση διακλάδωσης.
Όπως συζητήθηκε προηγουμένως, η πτώση τάσης θα είναι η ίδια με την τάση εισόδου κατά μήκος του op-amp. Επομένως, Τρέχων νεροχύτης από το φορτίο = Τάση εισόδου / Αντίσταση Shunt.
Εάν αλλάξει η τάση εισόδου, το νεροχύτη μέσω του φορτίου θα αλλάξει επίσης.
Βελτιώσεις σχεδιασμού
- Εάν η απαγωγή θερμότητας είναι υψηλότερη, αυξήστε την ισχύ της αντίστασης διακλάδωσης. Για την επιλογή της ισχύος της αντίστασης διακλάδωσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί το R w = I 2 R, όπου το R w είναι η ισχύς αντίστασης και το I είναι η μέγιστη ροή ρεύματος και το R είναι η τιμή της αντίστασης διακλάδωσης.
- Το LM358 έχει δύο op-amp σε ένα μόνο πακέτο. Εκτός από αυτό, πολλά op-amp IC έχουν δύο op-amp σε ένα μόνο πακέτο. Εάν η τάση εισόδου είναι πολύ χαμηλή, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το δεύτερο op-amp για να ενισχύσετε την τάση εισόδου όπως απαιτείται.