Σχεδιάστε ένα κύκλωμα πηγής ρεύματος ελεγχόμενης τάσης χρησιμοποιώντας το op

Σε ένα κύκλωμα πηγής ρεύματος ελεγχόμενης τάσης, όπως υποδηλώνει το όνομα, μια μικρή ποσότητα τάσης κατά μήκος της εισόδου θα ελέγχει αναλογικά τη ροή ρεύματος στα φορτία εξόδου. Αυτός ο τύπος κυκλώματος χρησιμοποιείται συνήθως στα ηλεκτρονικά για την οδήγηση ελεγχόμενων συσκευών όπως BJT, SCR κ.λπ. από πολλούς τύπους κυκλωμάτων, μία μέθοδος είναι να χρησιμοποιήσετε αυτό το κύκλωμα πηγής ρεύματος ελεγχόμενης τάσης. Μπορείτε επίσης να ελέγξετε το κύκλωμα συνεχούς ρεύματος που μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την οδήγηση συσκευών που ελέγχονται ρεύμα.

Σε αυτό το έργο, θα εξηγήσουμε πώς μπορεί να σχεδιαστεί μια πηγή ρεύματος ελεγχόμενης τάσης που χρησιμοποιεί op-amp και επίσης να την κατασκευάσει για να δείξει τη λειτουργία της. Αυτός ο τύπος κυκλώματος πηγής ρεύματος ελεγχόμενης τάσης ονομάζεται επίσης σερβο ρεύμα. Το κύκλωμα είναι πολύ απλό και μπορεί να κατασκευαστεί με έναν ελάχιστο αριθμό εξαρτημάτων.

Βασικά στοιχεία του Op-Amp

Για να κατανοήσετε τη λειτουργία αυτού του κυκλώματος, είναι απαραίτητο να γνωρίζετε πώς λειτουργεί ένας ενισχυτής λειτουργίας.

Η παραπάνω εικόνα είναι ένας απλός ενισχυτής λειτουργίας. Ένας ενισχυτής ενισχύει σήματα, αλλά εκτός από την ενίσχυση σημάτων μπορεί επίσης να κάνει μαθηματικές λειτουργίες. Το O -amp ή ο λειτουργικός ενισχυτής είναι η ραχοκοκαλιά της Analog Electronics και χρησιμοποιείται σε πολλές εφαρμογές, όπως Summing Amplifier, διαφορικός ενισχυτής, Instrumentation Amplifier, Op-Amp Integrator κ.λπ.

Αν κοιτάξουμε προσεκτικά στην παραπάνω εικόνα, υπάρχουν δύο είσοδοι και μία έξοδος. Αυτές οι δύο είσοδοι έχουν + και - σύμβολο. Η θετική είσοδος ονομάζεται μη αναστρέψιμη είσοδος και η αρνητική είσοδος ονομάζεται αντιστροφή εισόδου.

Ο πρώτος κανόνας που χρησιμοποιεί ο ενισχυτής είναι να κάνει τη διαφορά μεταξύ αυτών των δύο εισόδων είναι πάντα μηδέν. Για καλύτερη κατανόηση ας δούμε την παρακάτω εικόνα -

Το παραπάνω κύκλωμα ενισχυτή είναι ένα κύκλωμα παρακολούθησης τάσης. Η έξοδος συνδέεται στον αρνητικό ακροδέκτη καθιστώντας τον ενισχυτή κέρδους 1x. Επομένως, η τάση που δίνεται σε όλη την είσοδο είναι διαθέσιμη σε όλη την έξοδο.

Όπως συζητήθηκε προηγουμένως, ο λειτουργικός ενισχυτής κάνει τη διαφοροποίηση και των δύο εισόδων 0. Καθώς η έξοδος συνδέεται κατά μήκος του τερματικού εισόδου, το op-amp θα παράγει την ίδια τάση που παρέχεται στο άλλο τερματικό εισόδου. Έτσι, εάν το 5V δίνεται κατά μήκος της εισόδου, καθώς η έξοδος του ενισχυτή είναι συνδεδεμένη στον αρνητικό ακροδέκτη, θα παράγει 5V που τελικά αποδεικνύει τον κανόνα 5V - 5V = 0. Αυτό συμβαίνει για κάθε αρνητική λειτουργία ανάδρασης των ενισχυτών.

Σχεδιασμός πηγής ρεύματος ελεγχόμενης τάσης

Με τον ίδιο κανόνα, ας δούμε το παρακάτω κύκλωμα.

Τώρα αντί της εξόδου του op-amp που συνδέεται απευθείας στην αρνητική είσοδο, η αρνητική ανάδραση προέρχεται από την αντίσταση διακλάδωσης που είναι συνδεδεμένη σε ένα κανάλι Ν MOSFET. Η έξοδος op-amp συνδέεται κατά μήκος της πύλης Mosfet.

Ας υποθέσουμε, η είσοδος 1V δίνεται σε όλη τη θετική είσοδο του op-amp. Το Op-amp θα κάνει τη διαδρομή αρνητικής ανάδρασης 1V με οποιοδήποτε κόστος. Η έξοδος θα ενεργοποιήσει το MOSFET για να πάρει 1V στο αρνητικό τερματικό. Ο κανόνας της αντίστασης διακλάδωσης είναι η παραγωγή τάσης πτώσης σύμφωνα με το νόμο Ohms, V = IR. Επομένως, η τάση πτώσης 1V θα παραχθεί εάν 1Α ροής ρεύματος μέσω της αντίστασης 1 Ohm.

Το op-amp θα χρησιμοποιήσει αυτήν την τάση πτώσης και θα λάβει την επιθυμητή ανατροφοδότηση 1V. Τώρα, εάν συνδέσουμε ένα φορτίο που απαιτεί τρέχον έλεγχο για τη λειτουργία, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτό το κύκλωμα και να τοποθετήσουμε το φορτίο σε μια κατάλληλη θέση.

Το λεπτομερές διάγραμμα κυκλώματος για την πηγή ρεύματος ελεγχόμενης τάσης Op-Amp βρίσκεται στην παρακάτω εικόνα -

Κατασκευή

Για να κατασκευάσουμε αυτό το κύκλωμα, χρειαζόμαστε ένα op-amp. Το LM358 είναι ένα πολύ φθηνό, εύχρηστο op-amp και είναι μια τέλεια επιλογή για αυτό το έργο, 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 ακίδων LM358.

Στη συνέχεια, χρειαζόμαστε ένα M Channel Channel NOS, για αυτό το IRF540N χρησιμοποιείται, άλλα MOSFET θα λειτουργήσουν επίσης, αλλά βεβαιωθείτε ότι το πακέτο MOSFET έχει τη δυνατότητα σύνδεσης πρόσθετης ψύκτρας εάν απαιτείται και απαιτείται προσεκτική προσοχή για την επιλογή της κατάλληλης προδιαγραφής του MOSFET όπως απαιτείται. Το pinout IRF540N εμφανίζεται στην παρακάτω εικόνα -

Η τρίτη απαίτηση είναι η αντίσταση διακλάδωσης. Ας κολλήσουμε στην αντίσταση 1wms 2watt. Απαιτούνται επιπλέον δύο αντιστάσεις, μία για την αντίσταση πύλης MOSFET και η άλλη είναι η αντίσταση ανάδρασης. Αυτά τα δύο απαιτούνται για τη μείωση του φαινομένου φόρτωσης. Ωστόσο, η πτώση μεταξύ αυτών των δύο αντιστάσεων είναι αμελητέα.

Τώρα, χρειαζόμαστε μια πηγή ενέργειας, είναι μια τροφοδοσία πάγκου. Υπάρχουν δύο κανάλια διαθέσιμα στην τροφοδοσία πάγκου. Ένα από αυτά, το πρώτο κανάλι χρησιμοποιείται για την παροχή ισχύος στο Κύκλωμα και το άλλο το οποίο είναι το δεύτερο κανάλι που χρησιμοποιείται για την παροχή της μεταβλητής τάσης για τον έλεγχο του ρεύματος πηγής του κυκλώματος. Καθώς η τάση ελέγχου εφαρμόζεται από μια εξωτερική πηγή, και τα δύο κανάλια πρέπει να έχουν το ίδιο δυναμικό, έτσι ο ακροδέκτης γείωσης του δεύτερου καναλιού συνδέεται κατά μήκος του τερματικού γείωσης του πρώτου καναλιού.

Ωστόσο, αυτή η τάση ελέγχου μπορεί να δοθεί από ένα διαχωριστικό μεταβλητής τάσης χρησιμοποιώντας οποιοδήποτε είδος ποτενσιόμετρου. Σε μια τέτοια περίπτωση, αρκεί ένα μόνο τροφοδοτικό. Επομένως, απαιτούνται τα ακόλουθα στοιχεία για να δημιουργηθεί μια μεταβλητή πηγή ρεύματος με ελεγχόμενη τάση

1. Op-amp (LM358)
2. MOSFET (IRF540N)
3. Αντίσταση Shunt (1 Ohm)
4. 1 k αντίσταση
5. 10k αντίσταση
6. Τροφοδοσία (12V)
7. Τροφοδοτικό
8. Πίνακας ψωμιού και πρόσθετα καλώδια σύνδεσης

Λειτουργεί η τρέχουσα πηγή ελεγχόμενης τάσης

Το κύκλωμα είναι κατασκευασμένο σε ένα breadboard για δοκιμές, όπως μπορείτε να δείτε στην παρακάτω εικόνα. Το φορτίο δεν είναι συνδεδεμένο στο κύκλωμα για να είναι σχεδόν ιδανικό 0 Ohms (βραχυκύκλωμα) για τη δοκιμή της τρέχουσας λειτουργίας ελέγχου.

Η τάση εισόδου αλλάζει από 0,1V σε 0,5V και οι τρέχουσες αλλαγές αντικατοπτρίζονται στο άλλο κανάλι. Όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, η είσοδος 0,4V με ισοπαλία 0 ρεύματος γίνεται ουσιαστικά το δεύτερο κανάλι που αντλεί 400mA ρεύματος στην έξοδο 9V. Το κύκλωμα τροφοδοτείται με τροφοδοσία 9V.

Μπορείτε επίσης να ελέγξετε το βίντεο στο κάτω μέρος αυτής της σελίδας για λεπτομερή εργασία. Ανταποκρίνεται ανάλογα με την τάση εισόδου. Για παράδειγμα, όταν η τάση εισόδου είναι 0,4V, το op-amp θα ανταποκριθεί να έχει την ίδια τάση.4V στον πείρο ανατροφοδότησης. Η έξοδος του op-amp ενεργοποιείται και ελέγχει το MOSFET έως ότου η πτώση τάσης κατά μήκος της αντίστασης διακλάδωσης έγινε 0,4V.

Ο νόμος Ohms εφαρμόζεται σε αυτό το σενάριο. Η αντίσταση θα παράγει πτώση.4V μόνο εάν το ρεύμα μέσω της αντίστασης θα 400mA (.4A). Αυτό συμβαίνει επειδή Τάση = τρέχουσα αντίσταση x. Επομένως,.4V =.4A x 1 Ohm.

Σε αυτό το σενάριο, αν συνδέσουμε ένα φορτίο (αντιστατικό φορτίο) σε σειρά όπως όπως περιγράφεται στο σχηματικό, ανάμεσα στο θετικό τερματικό του τροφοδοτικού και τον πείρο αποστράγγισης του MOSFET, το op-amp θα ενεργοποιήσει το MOSFET και το Η ίδια ποσότητα ρεύματος θα ρέει μέσω του φορτίου και της αντίστασης παράγοντας την ίδια πτώση τάσης όπως πριν.

Έτσι, μπορούμε να πούμε ότι το ρεύμα μέσω του φορτίου (το ρεύμα προέρχεται) είναι ίσο με το ρεύμα μέσω του MOSFET το οποίο είναι επίσης ίσο με το ρεύμα μέσω της αντίστασης διακλάδωσης. Βάζοντας το σε μια μαθηματική μορφή παίρνουμε, Το ρεύμα προέρχεται 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, εάν αλλάξει η τάση εισόδου, η τρέχουσα πηγή μέσω του φορτίου θα αλλάξει επίσης. Ως εκ τούτου, Ρεύμα που προέρχεται από το φορτίο = Τάση εισόδου / Αντίσταση διακλάδωσης.

Βελτιώσεις σχεδιασμού

1. Η αύξηση της ισχύος αντίστασης μπορεί να βελτιώσει την απαγωγή θερμότητας κατά μήκος της αντίστασης διακλάδωσης. Για να επιλέξετε την ισχύ της αντίστασης διακλάδωσης, R _w = I ² R μπορεί να χρησιμοποιηθεί, όπου R _w είναι η ισχύς αντίστασης και I είναι το μέγιστο ρεύμα τροφοδοσίας και το R είναι η τιμή της αντίστασης διακλάδωσης.
2. Όπως με το LM358, πολλά op-amp IC έχουν δύο op-amp σε ένα μόνο πακέτο. Εάν η τάση εισόδου είναι πολύ χαμηλή, το δεύτερο αχρησιμοποίητο op-amp μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ενίσχυση της τάσης εισόδου όπως απαιτείται.
3. Για τη βελτίωση των θεμάτων θερμικής και αποδοτικότητας, MOSFET χαμηλής αντίστασης μπορούν να χρησιμοποιηθούν μαζί με τη σωστή ψύκτρα.