- Osnove op-amp
- Načrtovanje napetostno nadzorovanega vira toka
- Gradnja
- Napetostno krmiljen tok deluje
- Izboljšave oblikovanja
V napetostnem krmiljenem tokovnem vezju, kot že ime pove, bo majhna količina napetosti na vhodu sorazmerno nadzorovala tok toka med izhodnimi obremenitvami. Ta vrsta vezja se pogosto uporablja v elektroniki za pogon tokovno vodenih naprav, kot so BJT, SCR itd. Vemo, da v BJT tok, ki teče skozi dno tranzistorja, nadzoruje, koliko tranzistorja je zaprto, lahko zagotovimo ta osnovni tok pri mnogih vrstah vezij je ena metoda uporaba tega tokokroga z napetostnim nadzorom. Preverite lahko tudi vezje s konstantnim tokom, ki ga lahko uporabite tudi za pogon tokovno vodenih naprav.
V tem projektu bomo razložili, kako je mogoče zasnovati napetostno krmiljen vir toka z optičnim ojačevalnikom in ga tudi izdelati, da dokažemo njegovo delovanje. Ta vrsta napetostnega krmiljenja tokovnega vira se imenuje tudi trenutni servo. Vezje je zelo preprosto in ga je mogoče izdelati z minimalnim številom komponent.
Osnove op-amp
Za razumevanje delovanja tega vezja je nujno vedeti, kako deluje operacijski ojačevalnik.
Zgornja slika je en sam operacijski ojačevalnik. Ojačevalnik ojačuje signale, vendar poleg ojačevalnih signalov lahko izvaja tudi matematične operacije. O -ojačevalnik ali operacijski ojačevalnik je hrbtenica analogne elektronike in se uporablja v številnih aplikacijah, kot so seštevalni ojačevalnik, diferencialni ojačevalnik, ojačevalnik instrumentacije, op-amp ojačevalnik itd.
Če natančno pogledamo zgornjo sliko, sta dva vhoda in en izhod. Ta dva vhoda imata znaka + in -. Pozitivni vhod se imenuje neinvertirajoči vhod, negativni vhod pa invertirajoči vhod.
Prvo pravilo, s katerim ojačevalnik deluje, je, da je razlika med tema dvema vhodoma vedno enaka nič. Za boljše razumevanje si oglejmo spodnjo sliko -
Zgornje ojačevalno vezje je napetostno vezje. Izhod je povezan v negativni priključek, zaradi česar je ojačevalec 1x ojačan. Zato je napetost, podana na vhodu, na voljo na celotnem izhodu.
Kot smo že omenili, operacijski ojačevalnik razlikuje oba vhoda 0. Ko je izhod povezan prek vhodnega terminala, bo op-ojačevalnik ustvaril enako napetost, kot je zagotovljena na drugem vhodnem terminalu. Torej, če je na vhodu dano 5V, ker je izhod ojačevalnika priključen na negativni terminal, bo ustvaril 5V, kar sčasoma dokaže pravilo 5V - 5V = 0. To se zgodi pri vseh negativnih povratnih informacijah ojačevalnikov.
Načrtovanje napetostno nadzorovanega vira toka
Po istem pravilu si oglejmo spodnje vezje.
Zdaj namesto izhoda op-ojačevalnika, ki je neposredno povezan z negativnim vhodom, negativna povratna informacija izhaja iz ranžirnega upora, priključenega preko N-kanalnega MOSFET-a. Izhod op-amp je povezan preko vrat Mosfet.
Predpostavimo, da je 1V vhod podan pozitivnemu vhodu op-amp. Op-amp bo za vsako ceno naredil pot negativne povratne informacije 1V. Izhod bo vklopil MOSFET, da pride 1V čez negativni terminal. Pravilo ranžirnega upora je, da v skladu z ohmskim zakonom ustvari padec napetosti, V = IR. Zato bo pri padcu napetosti 1A skozi upor 1 Ohm nastala 1V napetost padca.
Op-amp bo uporabil to napetost in dobil želene povratne informacije 1V. Če zdaj priključimo tovor, ki za delovanje zahteva nadzor toka, lahko to vezje uporabimo in tovor postavimo na ustrezno mesto.
Podroben diagram vezja za napetostni vir Op-Amp z napetostjo najdete na spodnji sliki -
Gradnja
Za izdelavo tega vezja potrebujemo op-amp. LM358 je zelo poceni, enostaven za iskanje op-ojačevalnik in je odlična izbira za ta projekt, vendar ima dva kanala op-amp 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 N-kanalni MOSFET, za ta IRF540N bodo delovali tudi drugi MOSFET-i, vendar se prepričajte, da ima paket MOSFET možnost priključitve dodatnega hladilnega telesa, če je potrebno, in je treba skrbno pretehtati pri izbiri ustrezne specifikacije MOSFET po potrebi. Izvleček IRF540N je prikazan na spodnji sliki -
Tretja zahteva je ranžirni upor. Držimo se 1hm 2-vatnega upora. Potrebna sta dodatna dva upora, eden za upor MOSFET vrat, drugi pa povratni upor. Ti dve sta potrebni za zmanjšanje učinka obremenitve. Vendar je padec med tema dvema uporoma zanemarljiv.
Zdaj potrebujemo vir energije, to je namizno napajanje. Napajalna napetost ima dva kanala. Eden od njih, prvi kanal se uporablja za napajanje vezja, drugi pa drugi kanal, ki se uporablja za zagotavljanje spremenljive napetosti za nadzor izvornega toka vezja. Ker se krmilna napetost napaja iz zunanjega vira, morata biti oba kanala v enakem potencialu, zato je ozemljitveni priključek drugega kanala povezan prek ozemljitvenega terminala prvega kanala.
Vendar pa je to krmilno napetost mogoče podati s spremenljivim delilnikom napetosti s pomočjo katere koli vrste potenciometra. V takem primeru zadostuje en sam napajalnik. Zato so za izdelavo napetostno nadzorovanega spremenljivega tokovnega vira potrebne naslednje komponente -
- Op-amp (LM358)
- MOSFET (IRF540N)
- Uporni upor (1 Ohm)
- 1k upor
- 10k upor
- Napajanje (12V)
- Napajalna enota
- Krušna plošča in dodatne povezovalne žice
Napetostno krmiljen tok deluje
Vezje je za preizkušanje izdelano v plošči, kot lahko vidite na spodnji sliki. Obremenitev ni priključena v vezje, tako da je skoraj idealnih 0 Ohmov (v kratkem stiku) za preizkušanje trenutnega krmiljenja.
Vhodna napetost se spremeni z 0,1 V na 0,5 V, trenutne spremembe pa se odražajo v drugem kanalu. Kot je razvidno na spodnji sliki, je vhod 0,4 V z 0 trenutnimi vleki dejansko drugi kanal, ki pri 9 V izhodu potegne 400 mA toka. Vezje se napaja z napajanjem 9V.
Za podrobno delo si lahko ogledate tudi video na dnu te strani. Odziva se glede na vhodno napetost. Na primer, ko je vhodna napetost.4V, se op-amp odzove, da ima v svojem povratnem zatiču enako napetost.4V. Izhod op-amp-a vklopite in krmilite MOSFET, dokler padec napetosti na upornem uporu ne postane.4V.
V tem primeru se uporablja Ohmov zakon. Upor bo povzročil padec.4V le, če bo tok skozi upor 400mA (.4A). To je zato, ker je napetost = tok x upor. Zato je.4V =.4A x 1 Ohm.
Če v tem primeru priključimo obremenitev (uporovno obremenitev) zaporedno, enako kot je opisano v shemi, bo med pozitivnim priključkom napajalnika in izpustnim zatičem MOSFET-a opcijski ojačevalnik vklopil MOSFET in skozi obremenitev in upor bo tekla enaka količina toka z enakim padcem napetosti kot prej.
Tako lahko rečemo, da je tok skozi obremenitev (tok se pridobiva) enak toku skozi MOSFET, ki je enak tudi toku skozi ranžirni upor. Če ga damo v matematično obliko, dobimo, Tok, ki prihaja do obremenitve = Padec napetosti / upornost ranžirnega toka.
Kot smo že omenili, bo padec napetosti enak vhodni napetosti na op-amp. Če se spremeni vhodna napetost, se bo spremenil tudi trenutni vir skozi obremenitev. Torej, Tok, ki prihaja do obremenitve = vhodna napetost / upornost ranžirnega toka.
Izboljšave oblikovanja
- Povečanje moči upora lahko izboljša odvajanje toplote skozi ranžirni upor. Za izbiro moči ranžirnega upora je mogoče uporabiti R w = I 2 R, pri čemer je R w moč moči upora in I največji tok, R pa vrednost ranžirnega upora.
- Tako kot LM358 ima tudi večina optičnih ojačevalnikov v enem paketu dva op ampera. Če je vhodna napetost prenizka, lahko drugi neuporabljeni opcijski ojačevalnik po potrebi ojačate vhodno napetost.
- Za izboljšanje toplotnih težav in učinkovitosti lahko uporabimo MOSFET-ove z nizko odpornostjo, skupaj z ustreznim hladilnikom.