Entwerfen Sie eine spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung mit op

In einer spannungsgesteuerten Stromquellenschaltung steuert, wie der Name schon sagt, eine kleine Spannungsmenge am Eingang den Stromfluss über die Ausgangslasten proportional. Diese Art von Schaltung wird üblicherweise in der Elektronik verwendet, um stromgesteuerte Geräte wie BJT, SCR usw. anzusteuern. Wir wissen, dass in einem BJT der Strom, der durch die Basis des Transistors fließt, steuert, wie viel Transistor geschlossen ist, dieser Basisstrom kann bereitgestellt werden Bei vielen Schaltungstypen besteht eine Methode darin, diese spannungsgesteuerte Stromquellenschaltung zu verwenden. Sie können auch den Konstantstromkreis überprüfen, mit dem auch stromgesteuerte Geräte angesteuert werden können.

In diesem Projekt werden wir erklären, wie eine spannungsgesteuerte Stromquelle mit Operationsverstärker entworfen werden kann, und sie auch bauen, um ihre Funktionsweise zu demonstrieren. Diese Art von spannungsgesteuerter Stromquellenschaltung wird auch als Stromservo bezeichnet. Die Schaltung ist sehr einfach und kann mit einer minimalen Anzahl von Komponenten aufgebaut werden.

Grundlagen des Operationsverstärkers

Um die Funktionsweise dieser Schaltung zu verstehen, ist es wichtig zu wissen, wie ein Operationsverstärker funktioniert.

Das obige Bild ist ein einzelner Operationsverstärker. Ein Verstärker verstärkt Signale, kann aber neben der Verstärkung von Signalen auch mathematische Operationen ausführen. O p-Amp oder Operationsverstärker ist das Rückgrat der analogen Elektronik und wird in vielen Anwendungen verwendet, z. B. als Summierverstärker, Differenzverstärker, Instrumentenverstärker, Operationsverstärker -Integrator usw.

Wenn wir uns das obige Bild genau ansehen, gibt es zwei Eingänge und einen Ausgang. Diese beiden Eingänge haben + und - Vorzeichen. Der positive Eingang wird als nichtinvertierender Eingang und der negative Eingang als invertierender Eingang bezeichnet.

Die erste Regel, mit der der Verstärker arbeitet, ist, dass der Unterschied zwischen diesen beiden Eingängen immer Null ist. Zum besseren Verständnis sehen wir uns das folgende Bild an -

Die obige Verstärkerschaltung ist eine Spannungsfolgerschaltung. Der Ausgang ist im Minuspol angeschlossen und somit ein Verstärker mit 1x Verstärkung. Daher ist die am Eingang abgegebene Spannung am Ausgang verfügbar.

Wie zuvor erläutert, unterscheidet der Operationsverstärker beide Eingänge 0. Wenn der Ausgang über den Eingangsanschluss geschaltet wird, erzeugt der Operationsverstärker die gleiche Spannung, die über den anderen Eingangsanschluss bereitgestellt wird. Wenn also 5 V über den Eingang angelegt werden und der Verstärkerausgang am negativen Anschluss angeschlossen ist, werden 5 V erzeugt, was schließlich die Regel 5 V - 5 V = 0 beweist. Dies geschieht für alle negativen Rückkopplungsoperationen von Verstärkern.

Entwerfen einer spannungsgesteuerten Stromquelle

Nach der gleichen Regel sehen wir uns die folgende Schaltung an.

Anstelle des Ausgangs des Operationsverstärkers, der direkt mit dem negativen Eingang verbunden ist, wird nun eine negative Rückkopplung von dem Shunt-Widerstand abgeleitet, der über einen N-Kanal-MOSFET angeschlossen ist. Der Operationsverstärkerausgang ist über das Mosfet-Gate angeschlossen.

Nehmen wir an, der 1-V-Eingang wird über den positiven Eingang des Operationsverstärkers gegeben. Der Operationsverstärker stellt den negativen Rückkopplungspfad um jeden Preis auf 1 V ein. Der Ausgang schaltet den MOSFET ein, um 1 V über den negativen Anschluss zu bringen. Die Regel des Nebenschlusswiderstands besteht darin, eine Abfallspannung gemäß dem Ohmschen Gesetz V = IR zu erzeugen. Daher wird eine Abfallspannung von 1 V erzeugt, wenn 1 A Strom durch den 1 Ohm-Widerstand fließt.

Der Operationsverstärker verwendet diese Abfallspannung und erhält die gewünschte 1-V-Rückmeldung. Wenn wir nun eine Last anschließen, für deren Betrieb eine Stromregelung erforderlich ist, können wir diese Schaltung verwenden und die Last an einer geeigneten Stelle platzieren.

Das detaillierte Schaltbild für die spannungsgesteuerte Stromquelle des Operationsverstärkers finden Sie im folgenden Bild -

Konstruktion

Um diese Schaltung aufzubauen, benötigen wir einen Operationsverstärker. LM358 ist ein sehr billiger, leicht zu findender Operationsverstärker, und es ist eine perfekte Wahl für dieses Projekt. 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 N-Kanal-MOSFET. Da dieser IRF540N verwendet wird, funktionieren auch andere MOSFETs. Stellen Sie jedoch sicher, dass das MOSFET-Gehäuse die Option hat, bei Bedarf einen zusätzlichen Kühlkörper anzuschließen, und dass bei der Auswahl der geeigneten Spezifikation des MOSFETs ein zusätzlicher Kühlkörper angeschlossen werden muss MOSFET nach Bedarf. Die Pinbelegung des IRF540N ist im folgenden Bild dargestellt.

Die dritte Anforderung ist der Nebenschlusswiderstand. Lassen Sie uns in 1 Ohm 2 Watt Widerstand stecken. Zusätzliche zwei Widerstände sind erforderlich, einer für den MOSFET- Gate-Widerstand und der andere für den Rückkopplungswiderstand. Diese beiden sind erforderlich, um den Belastungseffekt zu verringern. Der Abfall zwischen diesen beiden Widerständen ist jedoch vernachlässigbar.

Jetzt brauchen wir eine Stromquelle, es ist eine Tischstromversorgung. In der Tischstromversorgung stehen zwei Kanäle zur Verfügung. Einer von ihnen, der erste Kanal, wird verwendet, um die Schaltung mit Strom zu versorgen, und der andere, der der zweite Kanal ist, um die variable Spannung zur Steuerung des Quellenstroms der Schaltung bereitzustellen. Da die Steuerspannung von einer externen Quelle angelegt wird, müssen beide Kanäle auf dem gleichen Potential liegen, sodass der Erdungsanschluss des zweiten Kanals über den Erdungsanschluss des ersten Kanals angeschlossen ist.

Diese Steuerspannung kann jedoch von einem variablen Spannungsteiler unter Verwendung eines Potentiometers jeder Art abgegeben werden. In einem solchen Fall ist eine einzige Stromversorgung ausreichend. Daher sind die folgenden Komponenten erforderlich, um eine spannungsgesteuerte variable Stromquelle herzustellen:

1. Operationsverstärker (LM358)
2. MOSFET (IRF540N)
3. Shunt-Widerstand (1 Ohm)
4. 1k Widerstand
5. 10k Widerstand
6. Stromversorgung (12V)
7. Netzteil
8. Brotplatte und zusätzliche Verbindungsdrähte

Spannungsgesteuerte Stromquelle funktioniert

Die Schaltung ist zu Testzwecken in einem Steckbrett aufgebaut, wie Sie im folgenden Bild sehen können. Die Last ist nicht im Stromkreis angeschlossen, um einen nahezu idealen Wert von 0 Ohm (Kurzschluss) zum Testen des Stromregelungsvorgangs zu erreichen.

Die Eingangsspannung wird von 0,1 V auf 0,5 V geändert und die Stromänderungen werden im anderen Kanal wiedergegeben. Wie im folgenden Bild zu sehen ist, wird ein 0,4-V-Eingang mit 0 Stromaufnahmen effektiv zum zweiten Kanal, um 400 mA Strom bei 9 V-Ausgang zu ziehen. Die Schaltung wird über eine 9-V-Versorgung mit Strom versorgt.

Sie können auch das Video unten auf dieser Seite überprüfen, um detaillierte Informationen zu erhalten. Es reagiert abhängig von der Eingangsspannung. Wenn beispielsweise die Eingangsspannung 0,4 V beträgt, reagiert der Operationsverstärker auf die gleiche Spannung von 0,4 V in seinem Rückkopplungsstift. Der Ausgang des Operationsverstärkers schaltet sich ein und steuert den MOSFET, bis der Spannungsabfall am Shunt-Widerstand 0,4 V beträgt.

In diesem Szenario wird das Ohmsche Gesetz angewendet. Der Widerstand erzeugt nur dann einen Abfall von 0,4 V, wenn der Strom durch den Widerstand 400 mA (0,4 A) beträgt. Dies liegt daran, dass Spannung = Strom x Widerstand ist. Daher ist.4V =.4A x 1 Ohm.

Wenn wir in diesem Szenario eine Last (ohmsche Last) in Reihe wie im Schaltplan beschrieben zwischen dem positiven Anschluss der Stromversorgung und dem Drain-Pin des MOSFET anschließen, schaltet der Operationsverstärker den MOSFET und den Die gleiche Strommenge fließt durch die Last und den Widerstand, indem der gleiche Spannungsabfall wie zuvor erzeugt wird.

Wir können also sagen, dass der Strom durch die Last (Strom wird bezogen) gleich dem Strom durch den MOSFET ist, der auch gleich dem Strom durch den Nebenschlusswiderstand ist. Wenn wir es in eine mathematische Form bringen, erhalten wir:

Stromquelle zur Last = Spannungsabfall / Nebenschlusswiderstand.

Wie zuvor erläutert, entspricht der Spannungsabfall der Eingangsspannung am Operationsverstärker. Wenn daher die Eingangsspannung geändert wird, ändert sich auch die Stromquelle durch die Last. Daher, Strom aus der Last = Eingangsspannung / Shunt-Widerstand.

Designverbesserungen

1. Die Erhöhung der Widerstandsleistung kann die Wärmeableitung über den Nebenschlusswiderstand verbessern. Zur Auswahl der Leistung des Nebenschlusswiderstands kann R _w = I ² R verwendet werden, wobei R _w die Widerstandsleistung und I der maximale Strom ist und R der Wert des Nebenschlusswiderstands ist.
2. Wie beim LM358 verfügen viele Operationsverstärker-ICs über zwei Operationsverstärker in einem einzigen Gehäuse. Wenn die Eingangsspannung zu niedrig ist, kann der zweite nicht verwendete Operationsverstärker verwendet werden, um die Eingangsspannung nach Bedarf zu verstärken.
3. Zur Verbesserung der Wärme- und Effizienzprobleme können MOSFETs mit niedrigem Einschaltwiderstand zusammen mit einem geeigneten Kühlkörper verwendet werden.