Progettare un circuito sorgente di corrente controllato in tensione utilizzando op

In un circuito sorgente di corrente controllato in tensione, come suggerisce il nome, una piccola quantità di tensione attraverso l'ingresso controllerà proporzionalmente il flusso di corrente attraverso i carichi di uscita. Questo tipo di circuito è comunemente usato in elettronica per pilotare dispositivi controllati in corrente come BJT, SCR, ecc. Sappiamo che in un BJT la corrente che scorre attraverso la base del transistor controlla quanto transistor è chiuso, questa corrente di base può essere fornita per molti tipi di circuito, un metodo consiste nell'utilizzare questo circuito sorgente di corrente controllato in tensione. È inoltre possibile controllare il circuito a corrente costante che può essere utilizzato anche per pilotare dispositivi controllati in corrente.

In questo progetto, spiegheremo come progettare una sorgente di corrente controllata in tensione che utilizza amplificatore operazionale e anche costruirla per dimostrarne il funzionamento. Questo tipo di circuito sorgente di corrente controllato in tensione è anche chiamato servo corrente. Il circuito è molto semplice e può essere realizzato con un numero minimo di componenti.

Nozioni di base sull'amplificatore operazionale

Per capire il funzionamento di questo circuito è essenziale sapere come funziona un amplificatore operazionale.

L'immagine sopra è un singolo amplificatore operazionale. Un amplificatore amplifica i segnali, ma oltre ad amplificare i segnali può anche eseguire operazioni matematiche. O p-amp o amplificatore operazionale è la spina dorsale dell'elettronica analogica e viene utilizzato in molte applicazioni, come amplificatore sommatore, amplificatore differenziale, amplificatore strumentazione, integratore op-amplificatore, ecc.

Se guardiamo da vicino nell'immagine sopra, ci sono due input e un output. Questi due ingressi hanno il segno + e -. L'ingresso positivo è chiamato ingresso non invertente e l'ingresso negativo è chiamato ingresso invertente.

La prima regola su cui lavora l'amplificatore è quella di fare in modo che la differenza tra questi due ingressi sia sempre zero. Per una migliore comprensione, vediamo l'immagine qui sotto:

Il circuito amplificatore sopra è un circuito inseguitore di tensione. L'uscita è collegata al terminale negativo rendendolo un amplificatore a guadagno 1x. Pertanto, la tensione fornita all'ingresso è disponibile all'uscita.

Come discusso in precedenza, l'amplificatore operazionale effettua la differenziazione di entrambi gli ingressi 0. Poiché l'uscita è collegata attraverso il terminale di ingresso, l'amplificatore operazionale produrrà la stessa tensione fornita attraverso l'altro terminale di ingresso. Quindi, se 5V viene fornito attraverso l'ingresso, poiché l'uscita dell'amplificatore è collegata al terminale negativo, produrrà 5V che alla fine confermano la regola 5V - 5V = 0. Questo accade per tutte le operazioni con feedback negativo degli amplificatori.

Progettazione di una sorgente di corrente controllata in tensione

Con la stessa regola, vediamo il circuito sottostante.

Ora invece dell'uscita del op-amp collegato all'ingresso negativo direttamente, feedback negativo deriva dalla resistenza di shunt collegato attraverso un canale N MOSFET. L'uscita dell'amplificatore operazionale è collegata attraverso il gate Mosfet.

Supponiamo che l'ingresso 1V sia fornito attraverso l'ingresso positivo dell'amplificatore operazionale. L'amplificatore operazionale renderà il percorso di feedback negativo 1V ad ogni costo. L'uscita accenderà il MOSFET per ottenere 1 V sul terminale negativo. La regola del resistore di shunt è di produrre una caduta di tensione secondo la legge di Ohms, V = IR. Pertanto, verrà prodotta una caduta di tensione di 1 V se 1 A di corrente scorre attraverso il resistore da 1 Ohm.

L'amplificatore operazionale utilizzerà questa caduta di tensione e otterrà il feedback 1V desiderato. Ora, se colleghiamo un carico che richiede il controllo della corrente per il funzionamento, possiamo utilizzare questo circuito e posizionare il carico in una posizione appropriata.

Lo schema dettagliato del circuito per la sorgente di corrente controllata dalla tensione dell'amplificatore operazionale può essere trovato nell'immagine sottostante -

Costruzione

Per costruire questo circuito, abbiamo bisogno di un amplificatore operazionale. L'LM358 è un amplificatore operazionale molto economico e facile da trovare ed è una scelta perfetta per questo progetto, tuttavia ha due canali dell'amplificatore operazionale in un unico pacchetto, ma ne abbiamo bisogno solo uno. Abbiamo già costruito molti circuiti basati su LM358, puoi anche verificarli. L'immagine sotto è una panoramica del diagramma dei pin LM358.

Successivamente, abbiamo bisogno di un MOSFET a canale N, poiché questo IRF540N viene utilizzato, funzioneranno anche altri MOSFET, ma assicurati che il pacchetto MOSFET abbia un'opzione per collegare un dissipatore di calore aggiuntivo se necessario e che sia necessaria un'attenta considerazione per selezionare la specifica appropriata del MOSFET come richiesto. La piedinatura IRF540N è mostrata nell'immagine sottostante -

Il terzo requisito è il resistore di shunt. Atteniamoci a una resistenza da 1 ohm e 2 watt. Sono necessari due resistori aggiuntivi, uno per il resistore di gate MOSFET e l'altro è il resistore di feedback. Questi due sono necessari per ridurre l'effetto di caricamento. Tuttavia, il calo tra questi due resistori è trascurabile.

Ora, abbiamo bisogno di una fonte di alimentazione, è un alimentatore da banco. Ci sono due canali disponibili nell'alimentatore da banco. Uno di questi, il primo canale viene utilizzato per fornire alimentazione al circuito e l'altro che è il secondo canale utilizzato per fornire la tensione variabile per controllare la corrente sorgente del circuito. Poiché la tensione di controllo viene applicata da una sorgente esterna, entrambi i canali devono avere lo stesso potenziale, quindi il terminale di terra del secondo canale è collegato attraverso il terminale di terra del primo canale.

Tuttavia, questa tensione di controllo può essere fornita da un partitore di tensione variabile utilizzando qualsiasi tipo di potenziometro. In tal caso è sufficiente un unico alimentatore. Pertanto, i seguenti componenti sono necessari per realizzare una sorgente di corrente variabile controllata dalla tensione:

1. Amplificatore operazionale (LM358)
2. MOSFET (IRF540N)
3. Resistenza shunt (1 Ohm)
4. Resistenza da 1k
5. Resistenza da 10k
6. Alimentazione (12V)
7. Alimentatore
8. Bread Board e cavi di collegamento aggiuntivi

Sorgente di corrente controllata da tensione funzionante

Il circuito è costruito in una breadboard a scopo di test, come puoi vedere nell'immagine qui sotto. Il carico non è collegato nel circuito per renderlo uno 0 ohm quasi ideale (cortocircuito) per testare l'operazione di controllo della corrente.

La tensione di ingresso viene modificata da 0,1 V a 0,5 V e le variazioni di corrente si riflettono sull'altro canale. Come si vede nell'immagine sottostante, l'ingresso di 0,4 V con 0 assorbimenti di corrente viene effettivamente trasformato nel secondo canale per assorbire 400 mA di corrente a 9 V. Il circuito è alimentato utilizzando un'alimentazione a 9V.

Puoi anche controllare il video in fondo a questa pagina per un lavoro dettagliato. Risponde a seconda della tensione di ingresso. Ad esempio, quando la tensione di ingresso è.4V, l'amplificatore operazionale risponderà per avere la stessa tensione.4V nel suo pin di feedback. L'uscita dell'amplificatore operazionale si accende e controlla il MOSFET fino a quando la caduta di tensione attraverso il resistore di shunt diventa.4V.

La legge di Ohms viene applicata in questo scenario. Il resistore produrrà solo una caduta di 0,4 V se la corrente attraverso il resistore sarà di 400 mA (0,4 A). Questo perché Tensione = corrente x resistenza. Pertanto,.4V =.4A x 1 Ohm.

In questo scenario, se colleghiamo un carico (carico resistivo) in serie come descritto nello schema, tra il terminale positivo dell'alimentatore e il pin di drenaggio del MOSFET, l'amplificatore operazionale accenderà il MOSFET e il la stessa quantità di corrente fluirà attraverso il carico e il resistore producendo la stessa caduta di tensione di prima.

Quindi, possiamo dire che la corrente attraverso il carico (la corrente è originata) è uguale alla corrente attraverso il MOSFET che è anche uguale alla corrente attraverso il resistore di shunt. Mettendolo in una forma matematica otteniamo, Corrente fornita al carico = Caduta di tensione / Resistenza shunt.

Come discusso in precedenza, la caduta di tensione sarà la stessa della tensione di ingresso attraverso l'amplificatore operazionale. Pertanto, se la tensione di ingresso viene modificata, cambierà anche la sorgente di corrente attraverso il carico. Quindi, Corrente fornita al carico = Tensione di ingresso / Resistenza shunt.

Miglioramenti del design

1. L'aumento della potenza del resistore può migliorare la dissipazione del calore attraverso il resistore di shunt. Per scegliere il wattaggio del resistore di shunt, è possibile utilizzare R _w = I ² R, dove R _w è il wattaggio del resistore e I è la massima corrente generata, e R è il valore del resistore di shunt.
2. Come l'LM358, molti circuiti integrati op-amp hanno due amplificatori operazionali in un unico pacchetto. Se la tensione di ingresso è troppo bassa, il secondo amplificatore operazionale non utilizzato può essere utilizzato per amplificare la tensione di ingresso come richiesto.
3. Per migliorare i problemi termici e di efficienza, è possibile utilizzare MOSFET a bassa resistenza in presenza di un dissipatore di calore appropriato.