Схема источника напряжения управляемого напряжением

Источники тока на операционных усилителях.

Схемы генераторов тока, управляемых напряжением, на ОУ и выходными
каскадами на биполярных и полевых транзисторах.

Продолжаем наш тематический вечер, посвящённый схемотехническим исследованиям генераторов стабильного тока, источников тока и иже с ними — стабилизаторов тока.
В повестке дня сегодняшнего радиолюбительского заседания обозначены следующие мероприятия: викторина «Угадай радиодетальку», а также обсуждение схемы источника (генератора) тока, выполненного на интегральном операционном усилителе (ОУ в простонародье).

Базовые схемы генераторов тока на операционных усилителях мы бегло рассмотрели на предыдущей странице вместе с транзисторными источниками. Повторим пройденный материал.

Рис.1

Генераторы тока, изображённые на Рис.1, (инвертирующий слева, неинвертирующий справа) — вполне себе работоспособные устройства, которые являются близкими аналогами идеальных источников тока, и практически лишены недостатков, присущих транзисторным схемам.
Ток через нагрузку с достаточно высокой точностью описывается формулой I_н≈ U_вх/R1.
При включении в качестве Rн конденсатора, приведённые схемы широким фронтом эксплуатируются в формирователях треугольного и пилообразного напряжений.
В отдельных случаях существенным недостатком источников тока, изображённых на Рис.1, является «плавающая», т.е. не подключённая никаким боком к земле или питанию нагрузка. К тому же, по большей части, операционный усилитель не может обеспечить значительных величин токов, поступающих в нагрузку.

Рассмотрим схемы источников тока на ОУ, не имеющих этих недостатков.
Как правило, для получения устойчивого положительного результата, к операционному усилителю присовокупляется дополнительный выходной каскад на биполярном или полевом транзисторе.

Рис.2

На Рис.2 приведены схемы генераторов тока на ОУ с выходными каскадами на биполярном, либо полевом транзисторе и нагрузкой, подключаемой к шине питания.
Пренебрегая входным током ОУ и конечным коэффициентом усиления транзистора, выходной ток составит всё ту же величину I_н≈ U_вх/R1.
На самом деле, коэффициент усиления биполярного транзистора имеет конечное значение, а полная формула тока нагрузки выглядит следующим образом I_н= U_вх×β/[R1(1+β)] .
Это обуславливает некоторую нестабильность выходного тока при изменении сопротивления нагрузки за счёт проявления эффекта Эрли (эффект влияния напряжения между коллектором и базой на величину коэффициента передачи тока транзистора).
Проявления этой нестабильности можно уменьшить, если в качестве биполярного транзистора использовать составной транзистор, либо применяя полевой транзистор.
Особенность схем источников тока, показанных на Рис.2, состоит в том, что нагрузка подключается к шине питания.

Рис.3

На Рис.3 приведены источники тока с заземлённой нагрузкой.
Выходной ток здесь описывается уже несколько другой формулой: I_н≈ (Еп-U_вх)/R1 .
Подобная зависимость выходного тока от управляющего напряжения не всегда удобна в практических разработках, поэтому для устранения этого недостатка к схеме можно присовокупить дополнительный преобразователь уровня.

Рис.4

Здесь первый операционник с транзистором n-p-n структуры служит для преобразования уровня входного управляющего напряжения Uвх в значение Eп-Uвх.
Rпр1 и Rпр2, как правило, выбираются одного номинала, величина которого рассчитывается, исходя из входного сопротивления второго ОУ, а также из соображений приемлемого быстродействия при работе источника тока в динамическом режиме (т.е. при подаче на вход импульсного сигнала управления).
Ну и ясен шпунтубель, что всё наше усердие было направлено на получение удобной зависимости I_н≈ U_вх/R1 , а для повышения выходного сопротивления источника тока вместо простого биполярного выходного транзистора следует включить составной или полевой транзистор.

Источник

Схемы линейного преобразования сигналов

При построении линейных электрических схем кроме пассивных элементов используются идеализированные активные элементы в виде управляемых источников тока и напряжения. Кроме того, применяются идеализированные преобразующие схемы, например, преобразователь отрицательного сопротивления. Ниже рассмотрены основные принципы их реализации.

Источники напряжения, управляемые током

Для точных измерений слабых токов, в цифро-аналоговых преобразователях и в некоторых других устройствах требуется получение напряжения, пропорционального входному току. При этом во многих случаях необходимо, чтобы преобразователь ток-напряжение имел, по возможности, минимальные входное и выходное сопротивления (в идеале – нулевое). Схема источника напряжения, управляемого током, приведена на рис. 7.

Если усилитель идеальный, то i>U_д= 0 и U_вых= –RI_вх. Если коэффициент усиления ОУ K_U конечен, то

(5)

(6)

где R_и – сопротивление источника входного сигнала.

Рис. 7. Источник напряжения, управляемый током

Источник

Как разработать простой, управляемый напряжением, двунаправленный источник тока

В данной статье представлен высокопроизводительный источник тока, для которого требуется всего несколько легкодоступных компонентов.

Когда всё, что вы делаете, это рисуете схему, источники напряжения и тока одинаково легко реализовать. Однако, войдя в реальный мир схемотехники, мы постепенно понимаем, что создание более или менее стабильного тока по какой-то причине намного сложнее, чем создание более или менее стабильного напряжения. Однако это не меняет того факта, что источники тока иногда очень полезны, и хорошо, что умные инженеры создали множество практических схем источников тока.

Краткий обзор источника тока

В данной статье я хочу поделиться с вами интересным источником тока, который я нашел в старой заметке по применению, опубликованной Linear Technology. Однако сначала я должен упомянуть другие типы источников тока, которые обсуждаются в существующих статьях на RadioProg.

Если вы хотите перейти на уровень транзисторов, у нас есть статьи о токовом зеркале на MOSFET транзисторах и токовом зеркале на биполярных транзисторах. Если вы предпочитаете использовать операционные усилители, источник тока Хауленда вырабатывает ток, управляемый напряжением, и требует только одного операционного усилителя и четырех резисторов.

Рисунок 1 – Источник тока Хауленда

Если вам не нравится работать с дискретными транзисторами и (по какой-то причине) у вас нет под рукой операционных усилителей, возможно, вы захотите преобразовать один из ваших линейных стабилизаторов напряжения в источник тока.

Источник тока Джима Уильямса

Это ни в коем случае не официальное название схемы, и я, конечно, не хочу иметь в виду, что это единственный источник тока, который когда-либо проектировал Джим Уильямс – я не удивлюсь, если узнаю, что он придумал полдюжины инновационных, высокопроизводительных схем источников тока. Тем не менее, он является автором заметки о применении, и я не знаю, как еще назвать эту схему.

Как показано на схеме ниже, для этого источника тока требуются две микросхемы усилителей и несколько пассивных элементов.

Рисунок 2 – Схема источника тока, управляемого напряжением. Взята из технического описания LT1102

LT1006 – это типовой прецизионный операционный усилитель, а LT1102 – высокоточный инструментальный усилитель. Информация по применению была опубликована в 1991 году, так что это старые микросхемы. Я использовал LT1006 и LT1102 в своем моделировании (которое будет обсуждаться в следующей статье), чтобы убедиться, что в моделировании всё соответствует исходной конструкции, и, фактически, интернет-магазины по-прежнему классифицирует оба этих компонента как «производимые». Тем не менее, я рекомендую вам поэкспериментировать с некоторыми более новыми (и предположительно более производительными) заменами этих устаревших микросхем.

В следующем списке представлены некоторые характеристики схемы источника тока Джима Вильямса.

• Она управляется напряжением и является двунаправленной – величина и направление тока нагрузки определяются величиной и полярностью входного напряжения.
• В качестве опорной точки она использует землю; одна сторона сопротивления нагрузки подключена непосредственно к земле.
• Как показывает формула, включенная в рисунок выше, на величину тока также влияет R, то есть номинал резистора, помещенного между входными выводами инструментального усилителя.
• Если для R вы используете резистор очень высокой точности, и погрешность, вносимая этим компонентом, незначительна, начальная точность и температурная стабильность схемы соответствуют точности коэффициента усиления и температурному коэффициенту инструментального усилителя.
• Схема имеет хорошую стабильность и совместима с быстрыми изменениями входного напряжения.

Принцип работы схемы

Ключом к работе этого источника тока является использование инструментального усилителя. Измеряя напряжение на фиксированном сопротивлении, включенном последовательно с нагрузкой, мы можем генерировать выходной ток, на который не влияет значение сопротивления нагрузки.

Ниже представлена моя попытка пошагового объяснения того, как работает эта схема.

Рисунок 3 – Пояснение работы схемы источника тока

1. Операционный усилитель (A1) работает в схеме с отрицательной обратной связью. Наличие инструментального усилителя (A2) в тракте обратной связи не меняет того факта, что петля обратной связи замкнута.
2. Наличие отрицательной обратной связи позволяет нам использовать упрощение о виртуальном коротком замыкании. Таким образом, выход A2 должен быть равен входному напряжению.
3. Виртуальное короткое замыкание не возникает из ниоткуда; скорее, виртуальное короткое замыкание вызвано действием выхода операционного усилителя. Поскольку A2 имеет коэффициент усиления 100, выход A1 будет делать всё необходимое, чтобы напряжение на R было равно входному напряжению, деленному на 100.
4. Поскольку R – фиксированное сопротивление, и поскольку напряжение на R всегда пропорционально входному напряжению, мы знаем из закона Ома, что ток через R всегда будет пропорционален входному напряжению.
5. Поскольку нагрузка включена последовательно с резистором R, выходной ток всегда пропорционален входному напряжению, независимо от сопротивления нагрузки (конечно, в определенных пределах – например, вы не сможете обеспечить ток 10 мА через нагрузку 1 МОм, конечно если вы не сможете найти усилители, которые принимают напряжение питания до 10 000 В или около того).
6. Конденсатор и другой резистор определяют частотную характеристику схемы, и я предполагаю, что их значения были выбраны таким образом, чтобы создать необходимый запас по фазе.

Заключение

Мы рассмотрели простую схему двунаправленного источника тока, которая построена на основе высокоточного операционного усилителя и высокоточного инструментального усилителя.

В следующей статье мы воспользуемся моделированием LTspice для дальнейшего изучения работы и производительности этой схемы.

Источник

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Источник тока управляемый напряжением своими руками

Схема источника тока, управляемого напряжением, с использованием операционного усилителя

В цепи источника тока с управлением по напряжению небольшое количество напряжения на входе будет пропорционально контролировать поток тока на выходных нагрузках. Этот тип схемы обычно используется в электронике для управления устройствами, управляемыми током, такими как биполярные транзисторы, симисторы и т.п.. Мы знаем, что в биполярном транзисторе ток, протекающий через базу транзистора, контролирует, насколько транзистор закрыт. Во многих типах схем одним из методов обеспечения такого управления является использование цепи источника тока, управляемого напряжением.

В этом проекте мы объясним, как можно спроектировать источник тока, управляемый напряжением, с использованием операционного усилителя, а также собрать его, чтобы продемонстрировать его работу. Схема очень проста и может быть собрана с минимальным количеством компонентов.

Чтобы понять работу этой схемы, важно знать, как работает операционный усилитель.

На изображении выше показан один операционный усилитель. Усилитель усиливает сигналы, но кроме усиления сигналов он также может выполнять математические операции. Операционный усилитель является основой аналоговой электроники и используется во многих приложениях, таких как суммирующий усилитель, дифференциальный усилитель, инструментальный усилитель, операционный усилитель и т. д.

Если мы внимательно посмотрим на изображение выше, то увидим, что у усилителя есть два входа и один выход. Эти два входа имеют знак + и -. Положительный вход называется неинвертирующим, а отрицательный – инвертирующим. Первое правило, используемое относительно усилителя, заключается в том, что разница между этими двумя входами всегда равна нулю. Для лучшего понимания давайте посмотрим на изображение ниже.

Вышеуказанная схема усилителя является схемой повторителя напряжения. Выход подключен к отрицательному выводу, что делает его усилителем с коэффициентом усиления 1x. Следовательно, напряжение, подаваемое на вход, доступно на выходе.

Как обсуждалось ранее, операционный усилитель производит дифференцирование обоих входов 0. Поскольку выход подключен к входной клемме, операционный усилитель будет генерировать то же напряжение, которое подается на другую входную клемму. Таким образом, если на вход подается 5 В, поскольку выход усилителя подключен к отрицательной клемме, он будет выдавать 5 В, что в конечном итоге подтверждает правило 5 В — 5 В = 0. Это справедливо для всех операций отрицательной обратной связи усилителей. Учитывая то же правило, давайте посмотрим на следующую схему.

Теперь вместо выхода операционного усилителя, подключенного непосредственно к отрицательному входу, отрицательный сигнал обратной связи выводится из шунтирующего резистора, подключенного через N-канальный полевой МОП-транзистор (MOSFET). Выход операционного усилителя подключен через затвор MOSFET. Давайте предположим, что на положительный вход операционного усилителя подается 1 В. Операционный усилитель обеспечит путь отрицательной обратной связи для напряжения 1 В любой ценой. Выход включит МОП-транзистор, чтобы подать 1 В через отрицательный вывод. Правило шунтирующего резистора – создавать падение напряжения по закону Ома, V = IR. Следовательно, падение напряжения 1 В будет происходить, если ток 1 А протекает через резистор 1 Ом. Операционный усилитель будет использовать это падение напряжения и получит желаемую обратную связь 1 В. Теперь, если мы подключим нагрузку, которая требует управления током для работы.

Подробная принципиальная схема источника тока, управляемого напряжением с использованием операционного усилителя, приведена на следующем рисунке.

Чтобы собрать эту схему, нам нужен операционный усилитель. LM358 – это очень дешевый операционный усилитель, и он идеально подходит для этого проекта, однако он имеет два канала операционного усилителя в одном корпусе, но нам нужен только один. На следующем изображении представлен обзор схемы контактов LM358.

Далее нам нужен N-канальный MOSFET, для этого возьмем IRF540N, другие MOSFET также будут работать, но убедитесь, что корпус MOSFET предполагает подключение дополнительного радиатора, если это потребуется, и необходимо тщательно продумать выбор соответствующей спецификации МОП-транзистора по мере необходимости. Распиновка IRF540N показана на следующем изображении.

Третье требование – шунтирующий резистор. Давайте используем в резистор 1 Ом 2 Вт. Требуются дополнительные два резистора, один для резистора затвора MOSFET, а другой резистор обратной связи. Эти два резистора необходимы для уменьшения эффекта нагрузки. Однако падение между этими двумя резисторами незначительно.

Теперь нам нужен источник питания, поэтому возьмем настольный источник питания. В настольном блоке питания есть два канала. Один из них, первый канал используется для подачи питания на схему, а другой канал является вторым каналом, используемым для подачи переменного напряжения для управления источником тока схемы. Поскольку управляющее напряжение подается от внешнего источника, оба канала должны иметь одинаковый потенциал, поэтому клемма заземления второго канала подключается через клемму заземления первого канала. Однако это управляющее напряжение может подаваться от делителя переменного напряжения с использованием любого вида потенциометра. В таком случае достаточно одного источника питания.

Схема собрана на макетной плате для целей тестирования, как вы можете видеть на следующем изображении. Нагрузка не подключена к цепи, чтобы сделать ее почти идеальной 0 Ом (короткое замыкание) для тестирования операции управления током.

Входное напряжение изменяется от 0,1 В до 0,5 В, а изменения тока отражаются в другом канале. Как видно на изображении ниже, вход 0,4 В с нулевым током фактически превращается во второй канал, который потребляет 400 мА тока на выходе 9 В. Схема питается от источника питания 9 В.

Мы можем сказать, что ток через нагрузку (источник тока) равен току через полевой МОП-транзистор, который также равен току через шунтирующий резистор. Учтя это в математической форме, мы получим,что ток источника нагрузки = падение напряжения / сопротивление шунта. падение напряжения будет таким же, как и входное напряжение на операционном усилителе. Поэтому при изменении входного напряжения источник тока через нагрузку также изменится. Следовательно, ток на нагрузке = входное напряжение / сопротивление шунта.

Источник