Op kullanarak voltaj kontrollü bir akım kaynağı devresi tasarlayın

Voltaj kontrollü bir akım kaynağı devresinde, adından da anlaşılacağı gibi, giriş boyunca küçük bir miktar voltaj, çıkış yükleri boyunca akım akışını orantılı olarak kontrol edecektir. Bu tür devre genellikle elektronikte BJT, SCR, vb. Gibi akım kontrollü cihazları sürmek için kullanılır. Bir BJT'de transistörün tabanından geçen akımın ne kadar transistörün kapalı olduğunu kontrol ettiğini biliyoruz, bu temel akım sağlanabilir. Birçok devre türü tarafından, bir yöntem bu voltaj kontrollü akım kaynağı devresini kullanmaktır. Akım kontrollü cihazları sürmek için de kullanılabilen sabit akım devresini de kontrol edebilirsiniz.

Bu projede, op-amp kullanan voltaj kontrollü bir akım kaynağının nasıl tasarlanabileceğini ve aynı zamanda çalışmasını göstermek için nasıl inşa edileceğini açıklayacağız. Bu tip voltaj kontrollü akım kaynağı devresine akım servosu da denir. Devre çok basittir ve minimum sayıda bileşenle inşa edilebilir.

Op-Amp'ın Temelleri

Bu devrenin çalışmasını anlamak için işlemsel bir amplifikatörün nasıl çalıştığını bilmek önemlidir.

Yukarıdaki görüntü, tek bir işlemsel amplifikatördür. Bir amplifikatör, sinyalleri güçlendirir, ancak sinyalleri yükseltmek dışında matematiksel işlemler de yapabilir. O p-amp veya Operational Amplifier, Analog Electronics'in bel kemiğidir ve Toplama Amplifikatörü, diferansiyel amplifikatör, Enstrümantasyon Amplifikatörü, Op-Amp Entegratörü, vb. Gibi birçok uygulamada kullanılır.

Yukarıdaki görsele yakından bakarsak, iki giriş ve bir çıkış var. Bu iki girişin + ve - işareti vardır. Pozitif giriş, ters çevirmeyen giriş olarak adlandırılır ve negatif giriş, ters çeviren giriş olarak adlandırılır.

Amplifikatörün çalışmak için kullandığı ilk kural, bu iki giriş arasındaki farkın her zaman sıfır olmasını sağlamaktır. Daha iyi anlamak için aşağıdaki resme bakalım -

Yukarıdaki amplifikatör devresi, bir voltaj izleyici devresidir. Çıkış, negatif terminale bağlanır ve onu 1x kazanç amplifikatörü yapar. Bu nedenle, giriş boyunca verilen voltaj, çıkış boyunca kullanılabilir.

Daha önce tartışıldığı gibi, işlemsel amplifikatör, her iki girişin 0 farklılaşmasını yapar. Çıkış, giriş terminaline bağlandığında, op-amp, diğer giriş terminalinde sağlananla aynı voltajı üretecektir. Dolayısıyla, giriş boyunca 5V verilirse, amplifikatör çıkışı negatif terminale bağlandığında 5V üretecektir, bu da sonunda 5V - 5V = 0 kuralını kanıtlar. Bu, amplifikatörlerin tüm negatif geri besleme işlemleri için olur.

Gerilim Kontrollü Akım Kaynağı Tasarlama

Aynı kurala göre aşağıdaki devreyi görelim.

Şimdi, doğrudan negatif girişe bağlı op-amp çıkışı yerine, negatif geri besleme, bir N kanalı MOSFET'e bağlanan şönt dirençten türetilir. Op-amp çıkışı Mosfet geçidine bağlanır.

Diyelim ki, 1V girişi op-amp'in pozitif girişi boyunca verildi. Op-amp, negatif geri besleme yolunu her ne pahasına olursa olsun 1V yapacaktır. Çıkış, negatif terminalden 1V almak için MOSFET'i açacaktır. Şönt direncinin kuralı, Ohm kanunu, V = IR uyarınca bir düşme voltajı üretmektir. Bu nedenle, 1 Ohm dirençten 1A akım geçerse 1V düşme voltajı üretilecektir.

Op-amp, bu düşüş voltajını kullanacak ve istenen 1V geri bildirimini alacaktır. Şimdi, çalışması için akım kontrolü gerektiren bir yük bağlarsak bu devreyi kullanabilir ve yükü uygun bir yere yerleştirebiliriz.

Op-Amp Voltaj kontrollü akım kaynağı için ayrıntılı devre şeması aşağıdaki görüntüde bulunabilir -

İnşaat

Bu devreyi inşa etmek için bir op-amp'e ihtiyacımız var. LM358 çok ucuz, bulunması kolay bir op-amp ve bu proje için mükemmel bir seçim, ancak bir pakette iki op-amp kanalı var, ancak sadece bir tanesine ihtiyacımız var. Daha önce birçok LM358 tabanlı devre yaptık ve bunları kontrol edebilirsiniz. Aşağıdaki görüntü, LM358 pim şemasına genel bir bakıştır.

Daha sonra, bir N Kanallı MOSFET'e ihtiyacımız var, bu IRF540N kullanıldığında, diğer MOSFET'ler de çalışacak, ancak MOSFET paketinin gerekirse ek ısı emici bağlama seçeneğine sahip olduğundan ve uygun spesifikasyonun seçilmesi için dikkatli bir değerlendirme yapılması gerektiğinden emin olun. MOSFET gerektiği gibi. IRF540N pin çıkışı aşağıdaki resimde gösterilmektedir -

Üçüncü gereksinim şönt dirençtir. 1ohm 2watt dirence bağlı kalalım. Biri MOSFET geçit direnci ve diğeri geri besleme direnci için olmak üzere ek iki direnç gereklidir. Bu ikisi, yükleme etkisini azaltmak için gereklidir. Bununla birlikte, bu iki direnç arasındaki düşüş önemsizdir.

Şimdi, bir güç kaynağına ihtiyacımız var, bu bir tezgah güç kaynağı. Tezgah güç kaynağında iki adet kanal bulunmaktadır. Bunlardan biri, birinci kanal Devreye güç sağlamak için kullanılır, diğeri ise devrenin kaynak akımını kontrol etmek için değişken voltaj sağlamak için kullanılan ikinci kanaldır. Kontrol voltajı bir harici kaynaktan uygulandığında, her iki kanalın da aynı potansiyelde olması gerekir, bu nedenle ikinci kanalın toprak terminali birinci kanal toprak terminaline bağlanır.

Ancak bu kontrol voltajı, her türlü potansiyometre kullanılarak değişken voltaj bölücüden verilebilir. Böyle bir durumda tek bir güç kaynağı yeterlidir. Bu nedenle, voltaj kontrollü bir değişken akım kaynağı yapmak için aşağıdaki bileşenler gereklidir -

Op-amp (LM358)
MOSFET (IRF540N)
Şönt Direnci (1 Ohm)
1k direnç
10k direnç
Güç kaynağı (12V)
Güç Kaynağı Ünitesi
Ekmek Tahtası ve ek bağlantı telleri

Gerilim Kontrollü Akım Kaynağı Çalışması

Devre, aşağıdaki resimde görebileceğiniz gibi test amaçlı bir devre tahtasında inşa edilmiştir. Yük, akım kontrol çalışmasını test etmek için ideale yakın 0 Ohm (kısa devre) yapmak için devreye bağlı değildir.

Giriş voltajı 0.1V'den 0.5V'a değiştirilir ve akım değişiklikleri diğer kanala yansıtılır. Aşağıdaki resimde görüldüğü gibi 0 akım çekişli 0,4V giriş etkili bir şekilde ikinci kanalın 9V çıkışta 400mA akım çekmesi sağlanmıştır. Devre, 9V'luk bir besleme kullanılarak çalıştırılır.

Ayrıntılı çalışma için bu sayfanın altındaki videoyu da kontrol edebilirsiniz. Giriş voltajına bağlı olarak yanıt veriyor. Örneğin, giriş voltajı.4V olduğunda, op-amp, geri bildirim pininde aynı voltaj.4V'a sahip olacak şekilde yanıt verecektir. Op-amp çıkışı, şönt direnci üzerindeki voltaj düşüşü.4V olana kadar MOSFET'i açar ve kontrol eder.

Bu senaryoda Ohm yasası uygulanır. Dirençten geçen akım 400mA (.4A) olursa, direnç yalnızca.4V düşüş üretecektir. Bunun nedeni Voltaj = akım x dirençtir. Bu nedenle,.4V =.4A x 1 Ohm.

Bu senaryoda, güç kaynağının pozitif terminali ile MOSFET'in Tahliye pimi arasına şemada anlatıldığı gibi seri olarak bir yük (dirençli yük) bağlarsak, op-amp MOSFET'i ve önceki gibi aynı voltaj düşüşünü üreterek yük ve direnç boyunca aynı miktarda akım akacaktır.

Böylece yükten geçen akımın (akım kaynaklı) MOSFET'ten geçen akıma eşit olduğunu söyleyebiliriz ki bu da şönt dirençten geçen akıma eşittir. Matematiksel bir forma koyarsak, Yük kaynaklı akım = Gerilim düşüşü / Şönt Direnci.

Daha önce tartışıldığı gibi, voltaj düşüşü, op-amp boyunca giriş voltajı ile aynı olacaktır. Bu nedenle, giriş voltajı değiştirilirse, yük üzerinden akım kaynağı da değişecektir. Bu nedenle

Yük kaynaklı akım = Giriş voltajı / Şönt Direnci.

Tasarım İyileştirmeleri

Direnç watt değerindeki artış, şönt direnç boyunca ısı dağılımını iyileştirebilir. Şönt direncinin watt değerini seçmek için, R _w = I ² R kullanılabilir, burada R _w direnç watt değeri ve I maksimum kaynaklı akım ve R şönt direncinin değeridir.
LM358 gibi, birçok op-amp IC'nin tek bir pakette iki op-amp'i vardır. Giriş voltajı çok düşükse, ikinci kullanılmayan op-amp, giriş voltajını gerektiği gibi yükseltmek için kullanılabilir.
Termal ve verimlilik sorunlarının iyileştirilmesi için, düşük dirençli MOSFET'ler uygun soğutucu ile birlikte kullanılabilir.