- Kaj je tokokrog umivalnika s konstantnim tokom?
- Napetostno nadzorovan tokovni umivalnik z uporabo Op-Amp
- Gradnja
- Napetostno nadzorovano vezje toka umivalnika deluje
- Izboljšave oblikovanja
Vir toka in odvod toka sta dva glavna izraza, ki se uporabljata pri oblikovanju elektronike, ta dva izraza narekujeta, koliko toka lahko zapusti terminal ali vstopi v njega. Na primer, tok umivalnika in vira tipičnega digitalnega izhodnega zatiča mikrokrmilnika 8051 znaša 1,6 mA oziroma 60 uA. To pomeni, da lahko zatič dobavi (vir) do 60uA, če je visok, in lahko sprejme (potone) do 1,6mA, ko je nizek. Med načrtovanjem vezja moramo včasih zgraditi lastne tokovne tokokroge in tokokroge. V prejšnji vadnici smo zgradili napetostno vezje z nadzorovanim napetostjo z uporabo običajnih ojačevalnikov in MOSFET-a, ki jih je mogoče uporabiti za dovajanje toka do obremenitve, vendar bomo v nekaterih primerih namesto izvirnega toka potrebovali trenutno možnost umivalnika.
V tej vadnici se bomo torej naučili, kako zgraditi napetostno krmiljeno vezje s konstantnim tokom. Napetostno krmiljeno vezje s konstantnim tokom, kot že ime pove, nadzoruje količino toka, ki je potopljen skozi to napetost. Preden nadaljujemo z gradnjo vezja, se pogovorimo o krogotoku s konstantnim tokom.
Kaj je tokokrog umivalnika s konstantnim tokom?
Vezje konstantnega toka dejansko potopi tok ne glede na odpornost na obremenitev, če se vhodna napetost ne spremeni. Za vezje z 1-ohmskim uporom, napajano z vhodom 1V, je konstanten tok 1A v skladu z ohmskim zakonom. Ampak, če zakon Ohms odloča, koliko toka teče skozi vezje, zakaj potem potrebujemo konstantni vir toka in tokokrog toka?
Kot lahko vidite iz zgornje slike, vezje tokovnega vira zagotavlja tok za pogon obremenitve. O količini trenutne obremenitve bo odločalo vezje tokovnega vira, saj deluje kot napajalnik. Podobno trenutno vezje umivalnika deluje kot ozemljitev, spet količino toka, ki ga prejme obremenitev, nadzira trenutno krogotok umivalnika. Glavna razlika je v tem, da mora izvorno vezje do vira (napajati) dovolj toka za obremenitev, medtem ko mora tokokrog umivalnika samo omejiti tok skozi tokokrog.
Napetostno nadzorovan tokovni umivalnik z uporabo Op-Amp
Napetostno nadzorovano vezje konstantnega toka deluje popolnoma enako kot napetostno krmiljeno vezje tokovnega vira, ki smo ga zgradili prej.
Za tokokrog trenutnega pomivalnega korita se spremeni povezava op-amp, to je negativni vhod, priključen na uporni upor. To bo zagotovilo potrebne negativne povratne informacije za op-amp. Nato imamo PNP tranzistor, ki je povezan preko izhoda Op-amp, tako da lahko izhodni pin op-amp poganja PNP tranzistor. Zdaj pa vedno ne pozabite, da bo Op-Amp poskušal izenačiti napetost na obeh vhodih (pozitivni in negativni).
Predpostavimo, da je 1V vhod podan pozitivnemu vhodu op-amp. Op-amp bo zdaj poskušal narediti drugi negativni vhod tudi kot 1V. Kako pa je to mogoče storiti? Izhod op-amp bo vklopil tranzistor tako, da bo drugi vhod dobil 1V od naše Vsupply.
Razdelilni upor bo povzročil padec napetosti po zakonu Ohmov, V = IR. Zato bo 1A toka skozi tranzistor ustvaril padec napetosti 1V. Tranzistor PNP bo potonil to 1A toka in op-amp bo uporabil ta padec napetosti in dobil želene povratne informacije 1V. Na ta način bo sprememba vhodne napetosti nadzirala osnovo in tok skozi ranžirni upor. Zdaj pa predstavimo obremenitev, ki jo je treba nadzorovati, v naše vezje.
Kot lahko vidite, smo z optičnim ojačevalnikom že zasnovali napetostno krmilne tokokroge. Toda za praktični prikaz namesto uporabe RPS za zagotavljanje spremenljive napetosti Vin, uporabimo potenciometer. Že vemo, da spodaj prikazani potenciometer deluje kot potencialni delilnik, ki zagotavlja spremenljivo napetost med 0V in Vsupply (+).
Zdaj pa zgradimo vezje in preverimo, kako deluje.
Gradnja
Tako kot prejšnja vadnica bomo uporabili LM358, saj je zelo poceni, enostaven za iskanje in široko dostopen. Vendar ima dva op-amp kanala v enem paketu, vendar potrebujemo le enega. Pred tem smo zgradili veliko vezij na osnovi LM358, ki si jih lahko tudi ogledate. Spodnja slika je pregled sheme pinov LM358.
Nato potrebujemo PNP tranzistor, v ta namen se uporablja BD140. Delovali bodo tudi drugi tranzistorji, vendar je odvajanje toplote problem. Zato mora paket Transistor imeti možnost priključitve dodatnega hladilnega telesa. Izvleček BD140 je prikazan na spodnji sliki -
Druga pomembna komponenta je Shunt Resistor. Za ta projekt se držimo 47-omskega 2-vatnega upora. Podrobne zahtevane komponente so opisane na spodnjem seznamu.
- Op-amp (LM358)
- PNP tranzistor (BD140)
- Uporni upor (47 ohmov)
- 1k upor
- 10k upor
- Napajanje (12V)
- 50k potenciometer
- Krušna plošča in dodatne povezovalne žice
Napetostno nadzorovano vezje toka umivalnika deluje
Vezje je za preskušanje izdelano v preprosti plošči, kot lahko vidite na spodnji sliki. Za preskušanje naprave s konstantnim tokom se kot uporovna obremenitev uporabljajo različni upori.
S potenciometrom se spremeni vhodna napetost in trenutne spremembe se odražajo v obremenitvi. Kot je razvidno iz spodnje slike, obremenitev potopi tok 0,16A. Podrobno delo lahko preverite tudi v videoposnetku na dnu te strani. Toda kaj se točno dogaja znotraj vezja?
Kot smo že omenili, bo med vhodom 8V op-amp v svojem povratnem zatiču padel napetost na upornem uporu za 8V. Izhod op-amp bo vklopil tranzistor, dokler ranžirni upor ne bo padel 8V.
Po zakonu Ohmov bo upor ustvaril padec 8V le, če je trenutni pretok 170mA (.17A). To je zato, ker je napetost = tok x upor. Zato je 8V =.17A x 47 Ohmov. V tem primeru bo priključena uporovna obremenitev, ki je zaporedno prikazana v shemi, prispevala tudi k toku toka. Op-amp bo vklopil tranzistor in enaka količina toka bo potopljena na tla kot ranžirni upor.
Če je napetost fiksna, ne glede na priključno uporovno obremenitev, bo trenutni tok enak, sicer napetost na op-ojačevalniku ne bo enaka vhodni napetosti.
Tako lahko rečemo, da je tok skozi obremenitev (tok je potopljen) enak toku skozi tranzistor, ki je enak tudi toku skozi ranžirni upor. Torej, s preureditvijo zgornje enačbe, Umik toka zaradi obremenitve = Padec napetosti / upornost ranžiranja.
Kot smo že omenili, bo padec napetosti enak vhodni napetosti na op-amp. Zato
Umik toka zaradi obremenitve = Vhodna napetost / upornost ranžirnega toka.
Če se spremeni vhodna napetost, se bo spremenil tudi trenutni ponor skozi breme.
Izboljšave oblikovanja
- Če je odvajanje toplote večje, povečajte moč ranžirnega upora. Za izbiro moči ranžirnega upora je mogoče uporabiti R w = I 2 R, kjer je R w moč moči upora in I največji pretok toka, R pa vrednost ranžirnega upora.
- LM358 ima dva op-ojačevalnika v enem paketu. Razen tega ima večina optičnih integriranih vmesnikov dva opompe v enem paketu. Če je vhodna napetost prenizka, lahko uporabimo drugi opcijski ojačevalnik, da po potrebi ojačamo vhodno napetost.