Entwerfen Sie eine einfache Konstantstromsenkenschaltung mit op

Stromquelle und Stromsenke sind zwei Hauptbegriffe, die im Elektronikdesign verwendet werden. Diese beiden Begriffe bestimmen, wie viel Strom ein Terminal verlassen oder in ein Terminal eintreten kann. Zum Beispiel kann der Senken- und Quellenstrom ist ein typischen 8051 - Mikrocontroller digitalen Ausgangsstifts 1,6mA und 60uA verbunden. Dies bedeutet, dass der Pin bis zu 60 uA liefern (Quelle) kann, wenn er hoch eingestellt ist, und bis zu 1,6 mA empfangen (sinken) kann, wenn er niedrig gemacht wird. Während unseres Schaltungsentwurfs müssen wir manchmal unsere eigenen Stromquellen- und Stromsenkenschaltungen bauen. Im vorherigen Tutorial haben wir eine spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung mit einem gemeinsamen Operationsverstärker und MOSFET erstellt, die zur Stromversorgung einer Last verwendet werden kann. In einigen Fällen benötigen wir jedoch anstelle des Stromquellenstroms eine Stromsenkenoption.

In diesem Tutorial erfahren Sie daher, wie Sie eine spannungsgesteuerte Konstantstromsenkenschaltung aufbauen. Eine spannungsgesteuerte Konstantstromsenkenschaltung steuert, wie der Name schon sagt, die durch sie gesunkene Strommenge basierend auf der angelegten Spannung. Bevor Sie mit dem Aufbau der Schaltung fortfahren, sollten Sie sich mit der Konstantstromsenkenschaltung vertraut machen.

Was ist eine Konstantstromsenkenschaltung?

Eine Konstantstromsenkenschaltung senkt tatsächlich Strom unabhängig vom Lastwiderstand, solange die Eingangsspannung nicht geändert wird. Für eine Schaltung mit 1-Ohm-Widerstand, die über einen 1-V-Eingang mit Strom versorgt wird, beträgt der konstante Strom gemäß dem Ohmschen Gesetz 1A. Wenn jedoch das Ohmsche Gesetz entscheidet, wie viel Strom durch einen Stromkreis fließt, warum brauchen wir dann einen Stromkreis mit konstanter Stromquelle und Stromsenke?

Wie Sie aus dem obigen Bild sehen können, liefert eine Stromquellenschaltung Strom, um die Last anzutreiben. Die Menge der empfangenen Stromlast wird von der Stromquellenschaltung bestimmt, da diese als Stromversorgung fungiert. In ähnlicher Weise wirkt die Stromsenkenschaltung wie eine Masse. Wiederum wird die Strommenge, die die Last empfängt, von der Stromsenkenschaltung gesteuert. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Quellenschaltung der Quelle (Strom) genügend Strom zur Last zuführen muss, während die Senkenschaltung nur den Strom durch die Schaltung begrenzen muss.

Spannungsgesteuerte Stromsenke mit Operationsverstärker

Die spannungsgesteuerte Konstantstromsenkenschaltung funktioniert genauso wie die zuvor gebaute spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung.

Bei einer Stromsenkenschaltung wird der Operationsverstärkeranschluss geändert, dh der negative Eingang ist mit einem Nebenschlusswiderstand verbunden. Dadurch erhält der Operationsverstärker die erforderliche negative Rückkopplung. Dann haben wir einen PNP-Transistor, der über den Operationsverstärkerausgang geschaltet ist, so dass der Operationsverstärkerausgangspin den PNP-Transistor ansteuern kann. Denken Sie jetzt immer daran, dass ein Operationsverstärker versucht, die Spannung an beiden Eingängen (positiv und negativ) gleich zu machen.

Nehmen wir an, der 1-V-Eingang wird über den positiven Eingang des Operationsverstärkers gegeben. Der Operationsverstärker versucht nun, den anderen negativen Eingang ebenfalls auf 1 V einzustellen. Aber wie geht das? Der Ausgang des Operationsverstärkers schaltet den Transistor so ein, dass der andere Eingang 1 V von unserer V-Versorgung erhält.

Der Nebenschlusswiderstand erzeugt eine Abfallspannung gemäß dem Ohmschen Gesetz, V = IR. Daher erzeugt 1 A Stromfluss durch den Transistor eine Abfallspannung von 1 V. Der PNP-Transistor senkt diese 1A Strom und der Operationsverstärker nutzt diesen Spannungsabfall und erhält die gewünschte 1V-Rückkopplung. Auf diese Weise steuert das Ändern der Eingangsspannung sowohl die Basis als auch den Strom durch den Shunt-Widerstand. Lassen Sie uns nun die Last, die gesteuert werden muss, in unseren Stromkreis einführen.

Wie Sie sehen, haben wir bereits spannungsgesteuerte Stromsenkenschaltungen mit Operationsverstärker entwickelt. Zur praktischen Demonstration verwenden wir jedoch ein Potentiometer, anstatt einen RPS zu verwenden, um Vin mit variabler Spannung zu versorgen. Wir wissen bereits, dass das unten gezeigte Potentiometer als Potentialteiler fungiert, um eine variable Spannung zwischen 0 V und Vsupply (+) bereitzustellen.

Lassen Sie uns nun die Schaltung aufbauen und überprüfen, wie sie funktioniert.

Konstruktion

Wie im vorherigen Tutorial werden wir LM358 verwenden, da es sehr billig, leicht zu finden und weit verbreitet ist. Es hat jedoch zwei Operationsverstärkerkanäle in einem Paket, aber wir brauchen nur einen. Wir haben bereits viele LM358-basierte Schaltkreise gebaut, die Sie auch überprüfen können. Das folgende Bild gibt einen Überblick über das Pin-Diagramm des LM358.

Als nächstes benötigen wir einen PNP-Transistor, für den BD140 verwendet wird. Andere Transistoren funktionieren ebenfalls, aber die Wärmeableitung ist ein Problem. Daher muss das Transistorpaket eine Option zum Anschließen eines zusätzlichen Kühlkörpers enthalten. Die Pinbelegung des BD140 ist im folgenden Bild dargestellt.

Eine weitere wichtige Komponente ist der Shunt-Widerstand. Lassen Sie uns für dieses Projekt einen 47-Ohm-2-Watt-Widerstand verwenden. Detaillierte erforderliche Komponenten sind in der folgenden Liste beschrieben.

1. Operationsverstärker (LM358)
2. PNP-Transistor (BD140)
3. Shunt-Widerstand (47 Ohm)
4. 1k Widerstand
5. 10k Widerstand
6. Stromversorgung (12V)
7. 50k Potentiometer
8. Brotplatte und zusätzliche Verbindungsdrähte

Spannungsgesteuerte Stromsenkenschaltung funktioniert

Die Schaltung besteht zu Testzwecken aus einem einfachen Steckbrett, wie Sie im folgenden Bild sehen können. Zum Testen der Konstantstromanlage werden verschiedene Widerstände als ohmsche Last verwendet.

Die Eingangsspannung wird mit dem Potentiometer geändert und die Stromänderungen spiegeln sich in der Last wider. Wie im folgenden Bild zu sehen ist, wird durch die Last ein Strom von 0,16 A abgesenkt. Sie können auch die detaillierte Arbeit in dem Video überprüfen, das unten auf dieser Seite verlinkt ist. Aber was passiert genau in der Rennstrecke?

Wie zuvor erläutert, lässt der Operationsverstärker während des 8-V-Eingangs die Spannung über dem Shunt-Widerstand für 8 V in seinem Rückkopplungsstift abfallen. Der Ausgang des Operationsverstärkers schaltet den Transistor ein, bis der Nebenschlusswiderstand einen Abfall von 8 V erzeugt.

Gemäß dem Ohmschen Gesetz erzeugt der Widerstand nur dann einen Abfall von 8 V, wenn der Stromfluss 170 mA (0,17 A) beträgt. Dies liegt daran, dass Spannung = Strom x Widerstand ist. Daher ist 8 V = 0,17 A × 47 Ohm. In diesem Szenario trägt die angeschlossene ohmsche Last, die wie im Schema gezeigt in Reihe geschaltet ist, ebenfalls zum Stromfluss bei. Der Operationsverstärker schaltet den Transistor ein und die gleiche Strommenge wird auf Masse wie der Nebenschlusswiderstand versenkt.

Wenn nun die Spannung fest ist, ist der Stromfluss unabhängig von der angeschlossenen ohmschen Last gleich, andernfalls ist die Spannung am Operationsverstärker nicht gleich der Eingangsspannung.

Wir können also sagen, dass der Strom durch die Last (Strom ist gesunken) gleich dem Strom durch den Transistor ist, der auch gleich dem Strom durch den Nebenschlusswiderstand ist. Durch Umordnen der obigen Gleichung

Stromsenke durch die Last = Spannungsabfall / Nebenschlusswiderstand.

Wie zuvor erläutert, entspricht der Spannungsabfall der Eingangsspannung am Operationsverstärker. Deshalb, Stromsenke durch die Last = Eingangsspannung / Shunt-Widerstand.

Wenn die Eingangsspannung geändert wird, ändert sich auch die Stromsenke durch die Last.

Designverbesserungen

1. Wenn die Wärmeableitung höher ist, erhöhen Sie die Leistung des Nebenschlusswiderstands. Zur Auswahl der Leistung des Nebenschlusswiderstands kann R _w = I ² R verwendet werden, wobei R _w die Widerstandsleistung und I der maximale Stromfluss ist und R der Wert des Nebenschlusswiderstands ist.
2. Der LM358 verfügt über zwei Operationsverstärker in einem Gehäuse. Abgesehen davon haben viele Operationsverstärker-ICs zwei Operationsverstärker in einem einzigen Gehäuse. Wenn die Eingangsspannung zu niedrig ist, kann mit dem zweiten Operationsverstärker die Eingangsspannung nach Bedarf verstärkt werden.