Navrhnite obvod zdroja napätia riadeného napätím pomocou op

V obvode zdroja napätia s riadeným napätím, ako to naznačuje názov, bude malé množstvo napätia na vstupe proporcionálne riadiť tok prúdu cez výstupné záťaže. Tento typ obvodu sa bežne používa v elektronike na pohon prúdovo riadených zariadení, ako sú BJT, SCR, atď. Vieme, že v BJT prúd, ktorý preteká cez základňu tranzistora, riadi, koľko tranzistora je uzavretého, tento prúd môže byť poskytnutý mnohými typmi obvodov je jednou metódou použitie tohto napäťovo riadeného obvodu zdroja prúdu. Môžete tiež skontrolovať obvod s konštantným prúdom, ktorý sa dá použiť aj na napájanie zariadení s riadeným prúdom.

V tomto projekte vysvetlíme, ako je možné navrhnúť zdroj prúdu riadený napätím pomocou operačného zosilňovača, a tiež ho zostaviť, aby sme demonštrovali jeho funkčnosť. Tento typ obvodu zdroja napätia riadeného napätím sa tiež nazýva prúdové servo. Obvod je veľmi jednoduchý a je možné ho skonštruovať s minimálnym počtom komponentov.

Základy operačného zosilňovača

Aby sme pochopili fungovanie tohto obvodu, je nevyhnutné vedieť, ako funguje operačný zosilňovač.

Vyššie uvedený obrázok je jediný operačný zosilňovač. Zosilňovač zosilňuje signály, ale okrem zosilnenia signálov môže vykonávať aj matematické operácie. O p-zosilňovač alebo operačný zosilňovač je chrbticou analógovej elektroniky a používa sa v mnohých aplikáciách, ako je napríklad sumačný zosilňovač, diferenciálny zosilňovač, prístrojový zosilňovač, integrátor Op-Amp atď.

Ak sa pozrieme pozorne na vyššie uvedený obrázok, existujú dva vstupy a jeden výstup. Tieto dva vstupy majú znamienko + a -. Kladný vstup sa nazýva neinvertujúci vstup a záporný vstup sa nazýva invertujúci vstup.

Prvým pravidlom, ktoré zosilňovač pracoval, je dosiahnuť, aby rozdiel medzi týmito dvoma vstupmi bol vždy nulový. Pre lepšie pochopenie sa pozrime na nasledujúci obrázok -

Vyššie uvedený obvod zosilňovača je obvod sledovača napätia. Výstup je pripojený k zápornej svorke, čo z neho robí zosilňovač 1x zosilnenia. Preto je napätie dané na vstupe dostupné na výstupe.

Ako už bolo uvedené, operačný zosilňovač rozlišuje obidva vstupy 0. Keď je výstup pripojený cez vstupnú svorku, operačný zosilňovač bude produkovať rovnaké napätie, aké je poskytované cez druhú vstupnú svorku. Pokiaľ je teda na vstup privádzaných 5 V, pretože výstup zosilňovača je pripojený k zápornej svorke, bude produkovať 5 V, čo nakoniec preukáže pravidlo 5 V - 5 V = 0. Stáva sa to pri všetkých operáciách negatívnej spätnej väzby zosilňovačov.

Návrh zdroja prúdu riadeného napätím

Podľa rovnakého pravidla sa pozrime na obvod uvedený nižšie.

Teraz je namiesto výstupu operačného zosilňovača pripojeného priamo k zápornému vstupu negatívna spätná väzba odvodená z bočníkového rezistora pripojeného cez N kanál MOSFET. Výstup operačného zosilňovača je pripojený cez bránu Mosfet.

Predpokladajme, že 1V vstup je daný cez kladný vstup operačného zosilňovača. Operačný zosilňovač vytvorí cestu negatívnej spätnej väzby 1V za každú cenu. Výstup zapne MOSFET, aby dostal 1V cez záporný terminál. Pravidlom bočného odporu je produkovať poklesové napätie podľa Ohmovho zákona, V = IR. Preto bude vytvárané poklesové napätie 1 V, ak bude prúdom 1 A prúdiť 1 A odpor.

Operačný zosilňovač použije toto pokles napätia a získa požadovanú spätnú väzbu 1 V. Teraz, ak pripojíme záťaž, ktorá pre svoju činnosť vyžaduje riadenie prúdu, môžeme použiť tento obvod a umiestniť záťaž na vhodné miesto.

Podrobnú schému zapojenia zdroja prúdu riadeného napätím Op-Amp nájdete na nasledujúcom obrázku -

Konštrukcia

Na zostrojenie tohto obvodu potrebujeme operačný zosilňovač. LM358 je veľmi lacný operačný zosilňovač, ktorý sa dá ľahko nájsť, a je ideálnou voľbou pre tento projekt. Má však dva kanály operačného zosilňovača v jednom balení, ale potrebujeme iba jeden. Predtým sme postavili veľa obvodov založených na LM358, ktoré môžete tiež skontrolovať. Na nasledujúcom obrázku je prehľad pinovej schémy LM358.

Ďalej potrebujeme N kanál MOSFET, pretože pre tento IRF540N budú fungovať aj iné MOSFETy, ale uistite sa, že balíček MOSFET má v prípade potreby možnosť pripojiť ďalší chladič a je potrebné starostlivo zvážiť výber príslušnej špecifikácie MOSFET podľa potreby. Vývod IRF540N je zobrazený na obrázku nižšie -

Treťou požiadavkou je bočný odpor. Zostaňme 1ohmový 2wattový rezistor. Vyžadujú sa ďalšie dva odpory, jeden pre hradlový odpor MOSFET a druhý je spätnoväzbový rezistor. Tieto dva sú potrebné na zníženie účinku načítania. Pokles medzi týmito dvoma odpormi je však zanedbateľný.

Teraz potrebujeme zdroj energie, je to stolný zdroj energie. V napájacom zdroji sú k dispozícii dva kanály. Jeden z nich, prvý kanál sa používa na napájanie obvodu a druhý, ktorý je druhým kanálom, sa používa na napájanie premenlivého napätia na riadenie zdrojového prúdu obvodu. Pretože je riadiace napätie dodávané z externého zdroja, musia byť oba kanály v rovnakom potenciáli, takže uzemňovacia svorka druhého kanála je pripojená cez zemnú svorku prvého kanála.

Toto riadiace napätie je však možné získať z premenného deliča napätia pomocou ľubovoľného potenciometra. V takom prípade stačí jeden zdroj napájania. Preto sú potrebné nasledujúce komponenty, aby sa vytvoril zdroj napätia s premenlivým prúdom -

Operačný zosilňovač (LM358)
MOSFET (IRF540N)
Bočníkový rezistor (1 ohm)
1k rezistor
10k rezistor
Napájanie (12V)
Napájací zdroj
Chlebová doska a ďalšie spojovacie drôty

Pracovný zdroj prúdu riadený napätím

Obvod je na účely testovania skonštruovaný v doske, ako je vidieť na obrázku nižšie. Zaťaženie nie je zapojené v obvode, čo z neho robí takmer ideálny 0 Ohmov (skratovaný) na testovanie súčasnej riadiacej činnosti.

Vstupné napätie sa zmení z 0,1 V na 0,5 V a zmeny prúdu sa prejavia v druhom kanáli. Ako je vidieť na nasledujúcom obrázku, 0,4 V vstup s 0 odberom prúdu efektívne robí druhý kanál tak, aby čerpal 400 mA prúdu pri 9 V výstupe. Obvod je napájaný pomocou zdroja 9V.

Môžete si tiež pozrieť video v spodnej časti tejto stránky, kde nájdete podrobnejšie informácie. Reaguje v závislosti od vstupného napätia. Napríklad, keď je vstupné napätie 0,4 V, operačný zosilňovač bude reagovať na to, aby mal vo svojom spätnoväzbovom kolíku rovnaké napätie 0,4 V. Výstup operačného zosilňovača sa zapne a riadi MOSFET, kým pokles napätia na bočnom rezistore nedosiahne hodnotu 0,4 V.

V tomto scenári sa uplatňuje Ohmov zákon. Rezistor vytvorí pokles iba 0,4 V, ak prúd cez rezistor bude 400 mA (0,4 A). Je to preto, lebo Napätie = prúd x odpor. Preto 0,4 V = 0,4 A x 1 Ohm.

V tomto scenári, ak pripojíme záťaž (odporovú záťaž) do série, ktorá je rovnaká, ako je opísané na schéme, medzi kladnú svorku napájacieho zdroja a odtokový kolík MOSFET, operačný zosilňovač zapne MOSFET a rovnaké množstvo prúdu pretečie cez záťaž a rezistor tým, že spôsobí rovnaký pokles napätia ako predtým.

Môžeme teda povedať, že prúd cez záťaž (prúd je získavaný) sa rovná prúdu cez MOSFET, ktorý sa rovnako rovná prúdu cez bočníkový odpor. Keď to dáme do matematickej formy, dostaneme, Prúd napájaný do záťaže = pokles napätia / odpor bočníka.

Ako už bolo spomenuté, pokles napätia bude rovnaký ako vstupné napätie na operačnom zosilňovači. Preto ak sa zmení vstupné napätie, zmení sa aj zdroj prúdu prechádzajúci záťažou. Teda

Prúd napájaný do záťaže = Vstupné napätie / Odpor bočníka.

Vylepšenia dizajnu

Zvýšenie výkonu rezistora môže zlepšiť odvod tepla cez bočníkový odpor. Na výber príkonu bočného odporu je možné použiť R _w = I ² R, kde R _w je výkon odporu a I je maximálny zdrojový prúd a R je hodnota bočného odporu.
Rovnako ako LM358, veľa integrovaných obvodov operačných zosilňovačov má dva operačné zosilňovače v jednom balení. Ak je vstupné napätie príliš nízke, môže sa podľa potreby použiť druhý nepoužitý operačný zosilňovač na zosilnenie vstupného napätia.
Na zlepšenie tepelných problémov a problémov s účinnosťou je možné použiť MOSFETy s nízkym odporom spolu so správnym chladičom.