Генератор тока на операционном усилителе - Electrik-Ufa.ru
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд (пока оценок нет)
Загрузка...

Генератор тока на операционном усилителе

Управляемый напряжением точный генератор втекающего тока для проверки источников питания

Texas Instruments OPA277 IRF530

Поиск причин возникновения потенциальных проблем источников питания производится с помощью динамических и статических тестов. Предлагаемый простой генератор втекающего тока предназначен для тестирования источников питания малой и средней мощности и источников напряжения. В таких приложениях генератор может отдавать ток от 0 до 1.5 А в диапазоне входных напряжений от 0 до 5 В при напряжении питания до 20 В. Основным элементом схемы является прецизионный операционный усилитель OPA277 (IC1) компании Texas Instruments [1], имеющий максимальное напряжение смещения всего 100 мкВ, входной ток 4 мкА и малый дрейф в диапазоне температур от –40 до +85 °C (Рисунок 1). Операционный усилитель IC1 сравнивает напряжение на своем неинвертирующем входе с падением напряжения на токоизмерительном резисторе RSENSE.

Рисунок 1.Этот простой генератор втекающего тока позволит вам проверять характеристики
источников питания, как в статическом, так и в динамическом режиме.

Выход микросхемы IC1 управляет мощным N-канальным MOSFET Q1 [2] таким образом, чтобы поддерживать падение напряжения на токоизмерительном резисторе равным напряжению на неинвертирующем входе. Напряжение на RSENSE пропорционально току нагрузки, текущему из исследуемого источника питания, и не зависит от его напряжения.

Транзистор Q1 имеет следующие основные предельные характеристики:

  • максимальный ток стока: 14 А при температуре корпуса 25 °C;
  • максимальное напряжение сток-исток: 100 В;
  • максимальное сопротивление открытого канала: 0.16 В при напряжении затвор-исток 10 В и токе стока 7 А;

MOSFET может рассеивать конечное количество тепла – до 30 Вт при использовании радиатора с тепловым сопротивлением 1 °C/Вт или менее при неподвижном воздухе и температуре окружающей среды не более 40 °C. Поскольку максимальная мощность зависит от теплового сопротивления радиатора и температуры воздуха, при увеличении напряжения питания следует соответственно уменьшать ток нагрузки. При импульсном характере входного напряжения напряжение питания можно повысить в десятки раз, поскольку средняя мощность рассеивания намного меньше и зависит от средней нагрузки.

Точный резистивный делитель R1, R2 позволяет вам привести диапазон напряжений 0 … 5 В на входе схемы к диапазону 0 … 0.495 В на неинвертирующем входе IC1, которому будет соответствовать диапазон выходных токов 0 … 1.5 А. При указанных на схеме сопротивлениях резисторов R1 и R2 входное сопротивление устройства равно 100 кОм. Этого вполне достаточно для использования большинства функциональных генераторов, имеющих выходной импеданс 50 или 75 Ом, и позволяет подключать генератор напрямую, без использования буферного операционного усилителя.

Из анализа схемы вытекает следующее соотношение:

G – проводимость,
α – коэффициент ослабления:

Коэффициент ослабления входного делителя напряжения можно изменить, чтобы, подняв верхнюю границу выходного тока до нескольких ампер, получить возможность тестирования низковольтных источников питания с большими выходными токами.

Конденсаторы C3, C4 и резисторы R3, R4 обеспечивают устойчивость петли обратной связи, устанавливая время нарастания равным 1.4 мкс при скачке входного напряжения от 0 до 5 В. Таким образом, вы можете проверять источники питания либо в статических условиях, подавая на вход постоянное напряжение, либо в динамике, подключив к входу, например, источник импульсов для имитации быстрых изменений нагрузки. Низкие сопротивления открытого канала транзистора Q1 и токоизмерительного резистора RSENSE позволяют вам испытывать источники питания или источники напряжения с минимальным выходным напряжением вплоть до 1 В. Нижний предел выходного напряжения тестируемого источника равен

где RDS(ON) – сопротивление открытого канала Q1.

Вы может тестировать также и многоканальные источники питания, имеющие, например, выходы напряжения –5 или –12 В. В этом случае необходимо соединить «землю» источника питания с выходом генератора тока, то есть, с выводом стока, а отрицательный вывод генератора подключить к «земле» схемы. Для повышения точности результатов динамических тестов, таких как проверка нестабильности выходного напряжения по нагрузке, времени восстановления или переходных характеристик, подключать тестируемый источник к схеме надо очень внимательно, следя за тем, чтобы площадь петли тока, образуемой соединительными проводами, была минимальной. Импульсный ток нагрузки является источником электромагнитных излучений, интенсивность которых пропорциональна этой площади, величине тока и квадрату частоты тока. Эти излучения могут нарушать работу, как самой схемы, так и измерительного оборудования.

Материалы по теме

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

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 Iн≈ Uвх/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 Iн≈ Uвх/R1.
На самом деле, коэффициент усиления биполярного транзистора имеет конечное значение, а полная формула тока нагрузки выглядит следующим образом Iн= Uвх×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: Iн≈ (Еп-Uвх)/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

Читайте также:  Линейный генератор своими руками

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 Iн≈ Uвх/R1 , а для повышения выходного сопротивления источника тока вместо простого биполярного выходного транзистора следует включить составной или полевой транзистор.

4.07. Источники тока

На рис. 4.9 изображена схема, которая является хорошим приближением к идеальному источнику тока, без сдвига напряжения Uбэ, характерного для транзисторного источника тока. Благодаря отрицательной ОС на инвертирующем входе поддерживается напряжение Uвх под действием которого через нагрузку протекает ток I = UвхR. Основной недостаток этой схемы состоит в том, что нагрузка является «плавающей» (она не заземлена). С помощью такого источника тока нельзя, например, получить пригодный к использованию пилообразный сигнал, напряжение которого отсчитывалось бы относительно потенциала земли. Этот недостаток можно преодолеть, если, например, всю схему (источники питания и все остальное) сделать «плавающей», а нагрузку заземлить (рис. 4.10). Штриховой линией обведен рассмотренный выше источник тока с источниками питания. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения для установки тока. Чтобы этой схемы не смущал вас, напомним, что «земля» – это понятие относительное. Любую точку в схеме можно назвать «землей». Представленную схему используют для формирования токов, протекающих через заземленную нагрузку, но ее существенный недостаток в том, что управляющий вход является плавающим, это значит, что выходной ток нельзя задать (запрограммировать) с помощью входного напряжения, отсчитываемого от потенциала земли. Методы устранения этого недостатка изложены в той части гл. 6, где рассматриваются источники питания постоянного тока.

Рис. 4.10. Источник тока с заземленной нагрузкой и плавающим источником питания.

Источники тока для заземленных нагрузок. С помощью операционного усилителя и подключенного к нему транзистора можно построить простой и высококачественный источник тока для заземленной нагрузки; небольшое дополнение к схеме операционного усилителя позволяет использовать на управляющем входе напряжение, измеряемое относительно земли (рис. 4.11). В первой схеме обратная связь создает на резисторе R падение напряжения, равное Uкк – Uвх, которое в свою очередь порождает эмиттерный ток (а следовательно, и выходной ток), равный Iэ = (Uкк – Uвх)/R. При работе с этой схемой не приходится беспокоиться о напряжении Uбэ и его изменениях, связанных с изменениями температуры, Iк, Uкэ и т.п. Несовершенство этого источника тока (не будем принимать во внимание ошибки ОУ: Iсм, Uсвд) проявляется лишь в том. что небольшой базовый ток может немного изменяться в зависимости от напряжения икэ (предполагаем, что операционный усилитель не потребляет входной ток); этот недостаток – небольшая плата за возможность использования заземленной нагрузки; если в качестве транзистора Т1 использовать составной транзистор Дарлингтона, то погрешность будет существенно уменьшена. Погрешность возникает в связи с тем, что операционный усилитель стабилизирует эмиттерный ток, а в нагрузку поступает коллекторный ток. Если в этой схеме вместо биполярного использовать полевой транзистор, то проблема будет полностью решена, так как затвор полевого транзистора тока не потребляет.

Рис. 4.11. Источники тока с заземлёнными нагрузками, не требующие плавающего источника питания.

В рассматриваемой схеме выходной ток пропорционален величине, на которую напряжение, приложенное к неинвертирующему входу операционного усилителя, ниже, чем напряжение питания Uкк; иными словами, напряжение, с помощью которого программируется работа схемы, измеряется относительно напряжения питания Uкк, и все будет в порядке, если напряжение Uвх является фиксированным и формируется с помощью делителя напряжения; если же напряжение на вход должно подаваться от внешнего источника, то возможны неприятности. Этого недостатка лишена вторая схема, в которой аналогичный первый источник тока с транзистором n-p-n – типа служит для преобразования входного управляющего напряжения (измеряемого относительно земли) во входное напряжение, измеряемое относительно Uкк, для оконечного источника тока. Операционные усилители и транзисторы недороги, поэтому запомните такой совет: не раздумывая, включайте в схему дополнительные компоненты, если они позволяют улучшить ее работу и упрощают разработку.

Упражнение 4.1. Для послелней схемы определите выходной ток для заданного входного напряжения Uвх.

На рис. 4.12 представлен интересный вариант схемы источника тока на основе ОУ и транзисторов. Преимущество этой схемы состоит в том, что базовый ток, приводящий к ошибке в случае использования полевых транзисторов, здесь равен нулю, выходной ток не ограничивается значением Iси(вкл). В этой схеме (фактически – это не источник, а потребитель тока) транзистор Т2 начинает проводить когда через транзистор Т1 протекает ток стока величиной приблизительно 0,6 мА. При минимальном значении Iси для Т1 равном 4 мА, и подходящем значением β для Т2 величина тока, протекающего через нагрузку, может достигать 100 мА и более (для получения больших токов транзистор Т2 можно заменить транзистором Дарлингтона, при этом нужно соответственно уменьшить R1. В данном схеме были использованы полевые транзисторы с p-n – переходом, но еще лучше было бы использовать полевые МОП – транзисторы, так как для ОУ на полевых транзисторах с p-n – переходом требуется расщепленный источник питания, обеспечивающий диапазон напряжения на затворе, достаточный для перехода транзистора в режим отсечки. Ничего не стоит с помощью простого мощного полевого МОП – транзистора (МОП – структура с V-образной канавкой) получить ток по-больше, однако мощным полевым транзисторам присущи большие межэлектродные емкости, а представленная здесь гибридная схема как раз и позволяет при одолеть связанные с этим проблемы.

Рис. 4.12. Источник тока на полевых/биполярных транзисторах, предназначенный для больших токов.

Источник тока Хауленда. На рис. 4.13 показан красивый учебный источник тока. Если резисторы подобраны таким образом, что выполняется соотношение R3/R2 = R4/R1 – то можно показать, что справедливо равенство: Iн = – Uвх/R2.

Рис. 4.13. Источник тока Хауленда.

Упражнение 4.2. Покажите, что приведенное выше равенство справедливо.

Эта схема всем хороша, кроме одного резисторы должны быть точно согласованы, иначе источник тока будет далек от совершенства. Но даже при выполнении этого условия определенные ограничения накладывает коэффициент КОСС операционного усилителя. При больших выходных токах резисторы должны быть не большими, тем самым ограничивается выходной диапазон. Кроме того, на высоких частотах (где, как мы скоро узнаем, усиление в цепи обратной связи невелико) выходной импеданс может существенно уменьшаться – от требуемого бесконечного значения до всего лишь нескольких сотен ом (что соответствует выходному импедансу ОУ с разомкнутой обратной связью). Хоть эта схема и хороша с виду на практике ее используют редко.

Читайте также:  Как узнать дает ли генератор зарядку

Мощные источники регулируемого тока на операционных усилителях

Георгий Волович (Челябинск)

В статье рассмотрена схемотехника преобразователей напряжение-ток с большими выходными токами. Приведены основные соотношения, устанавливающие связь между входными и выходными сигналами, обсуждаются вопросы устойчивости при работе на активно-индуктивную нагрузку.

Источники тока, управляемые напряжением (ИТУН, или преобразователи напряжение – ток), предназначены для обеспечения нагрузки током, который не зависит от вых одного напряжения источника и регу лируется только входным напряжением схемы. Такие источники применяются в измерительных схемах, например, при измерении сопротивления, для управления моментными электродвигателями и соленоидами и т.п.

Одна из распространённых схем источников тока на основе операционного усилителя (ОУ) приведена на рисунке 1, где RL – нагрузка источника. Полагая входной ток и смещение нуля ОУ незначительными, для определения выходного сопротивления этой схемы по отношению к нагрузке RL запишем:

где KU – коэффициент усиления ОУ . Отсюда получим следующее соотношение:

Таким образом, выходное сопротивление источника тока будет равно ROUT = –∂U2/∂I = KUR. Оно пропорционально дифференциальному коэффициенту усиления ОУ, причём посколькуку зависит от частоты входного сигнала, выходное сопротивление схемы будет убывать с частотой. Из формулы (1) также следует, что при КU → ∞
I=U1/R. (2)
При использовании мощного усилителя (например, LM12 или какого-либо из усилителей фирмы Apex) можно обеспечить ток через нагрузку до десятков ампер. Однако мощные ОУ довольно дороги, поэтому в случае, когда ток через нагрузку однонаправленный, для умощнения выхода обычного ОУ можно использовать эмиттерный либо истоковый повторитель.

Схема мощного преобразователя напряжение-ток на основе эмиттерного повторителя представлена на рисунке 2. При конструировании мощных источников тока необходимо обратить внимание на подключение резистора R, величина которого, как Следует из (1) и (2), определяет выходной ток. Этот резистор должен быть подключен по четырёхпроводной схеме.

Типичная нагрузка мощных источников тока (моментные электродвигатели, соленоиды) имеет активно-индуктивный характер и создаёт в передаточной функции (ПФ) контура регулирования схемы дополнительный полюс. Операционный усилитель также обладает ПФ с одним или двумя полюсами [1]. Поэтому схема, показанная на рисунке 2, может быть неустойчивой.

Для оценки устойчивости источника тока по схеме рис. 2 можно воспользоваться моделированием в пакете программ VisSim. Модель источника тока (см. рис. 3) включает модель ОУ (ПФ WОУ(s) и нелинейный блок-ограничитель (НБ)), а также модель активно-индуктивной нагрузки [2]. Частотные свойства транзистора, включенного по схеме с общим коллектором, здесь не учитываются.

Пример 1. Пусть в схеме, приведённой на рис. 2, включен ОУ типа AD8675 с ПФ

Остальные параметры схемы: LL = 0,01Гн, RL=0,1Ом, R=0,05Ом. Используя функцию Frequency Response , построим логарифмические амплитудно-частотные характеристики ( ЛАЧХ ) разомкнутого контура регулирования схемы (см. рис. 4). Графики показывают, что при значительной полосе пропускания (частота среза ωср около 16 000 с -1 ) система обладает запасом устойчивости по фазе φЗ, близким к нулю. Даже малое дополнительное фазовое запаздывание, обусловленное, например, частотными свойствами эмиттерного повторителя, приведёт к самовозбуждению схемы.

Для повышения запасов устойчивости можно охватить ОУ местной обратной связью, которая превратит его в пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор (см. рис. 5). Модель в среде VisSim для такого включения приведена на рисунке 6, где Woc(s) – ПФ звена обратной связи

Пример 2. В схеме, приведённой на рисунке 5, ЩС =0,0001, Л2С=0,01. Остальные параметры те же, что и в схеме рис. 2. Логарифмическая АЧХ разомкнутого контура регулирования схемы рис. 5 представлена на рисунке 7. Видно, что полоса пропускания системы уменьшилась до 500 с -1 , но запас устойчивости по фазе составляет примерно 85 градусов, что гарантирует устойчивость системы без дополнительной настройки.

Недостаток схемы с эмиттерным повторителем состоит в том, что напряжение на нагрузке ограничено напряжением питания ОУ. Поэтому, если на нагрузке должно быть высокое напряжение, необходимо применять дорогие высоковольтные ОУ.
Другой путь построения высоковольтного источника тока – включение нагрузки в цепь коллектора (стока) выходного умощняющего транзистора (см. рис. 8). Использование МОП-транзистора предпочтительно, поскольку ток в управляющий электрод не ответвляется и, следовательно, ток через нагрузку равен току через измерительный резистор R.
Выходное напряжение ОУ устанавливается таким, чтобы напряжение на резисторе R было равно U. При этом ток через резистор R будет равен U /К. Выходной ток источника определяется соотношением /= U/R. Найдём выходное сопротивление преобразователя напряжение-ток на ОУ с полевым транзистором. Уравнение в приращениях цепи затвора МОП-транзистора в этой схеме имеет вид:

где Ku – коэффициент усиления ОУ .

Уравнение цепи стока
∆UDS + ∆ISR + ∆U2 = E. (4)

Поскольку ∆IS = ∆I = S∆VGS , а

где S – крутизна, а gD – стоковая проводимость МОП-транзистора, из уравнений (3) и (4) с достаточной точностью получается:

Отсюда

и, следовательно.

Последняя формула показывает, что выходное сопротивление источника тока сильно зависит от выяэдной проводимости МОП-транзистора. Если в результате, например, увеличения сопротивления нагрузки напряжение сток-исток уменьшается настолько, что транзистор начинает работать в веерной (начальной) части выходных характеристик, проводимость gD может возрасти в сотни тысяч или даже в миллионы раз. Это приведёт к резкому уменьшению выходного сопротивления источника.

Выходное соиротиатение схемы, показанной на рисунке 8, существенно зависит от выходного тока. Действительно, ток стока мощного MOП-транзистора в о бласти больших напряжений сток-исток (UDS > UGS – Uth, где Uth – пороговое напряжение затвор-исток) с учётом модуляции длины канала определяется формулой [3]:

где UA = 20. 100 В – напряжение Эрли, K= ∂S/∂UGS [А/В 2 ] – удельная крутизна – параметр, мало зависящий от тока стока.

Дифференциальная проводимость транзистора

Подставив в (8) значение (UGS – Uth), найденное из (6), получим:

Подставляя (7) и (9) в (5), найдём окончательно

т.е. с ростом тока выходное сопротивление схемы уменьшается.

Если нагрузка в схеме рис. 8 активно-индуктивная, то в ПФ контура регулирования появляется полюс, ухудшающий устойчивость схемы. Этот полюс обусловлен емкостной связью между стоком и затвором (эффектом Миллера). Для уменьшения ёмкости Миллера необходимо стабилизировать потенциал стока транзистора. Сделать это можно, например, включив дополнительный транзистор по каскодной схеме (см. рис. 9). Э.д.с. источника смещения EOF выбирается такой, чтобы напряжение сток-исток транзистора VT1 составляло примерно 3 В. Анализ устойчивости этой схемы очень сложен, поэтому для компенсации фазового запаздывания, вносимого нагрузкой, полезно включить параллельно нагрузке цепочку RKCK. Если это окажется недостаточным, можно использовать ПИ-регулятор, как в схеме рис. 5.

ЛИТЕРАТУРА
1. Волович Г.И.Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. Додэка-XXI, 2007.
2. Волович Г.И. Моделирование однотактных DC/DC-преобразователей в пакете VISSIM. Современная электроника. 2005. № 3.
3. Титце У., Шенк К . Полупроводниковая схемотехника. Т. 1. Додэка-XXI, 2008.

Читайте также:  Проверка диодного моста генератора мультиметром

Генератор тока на операционном усилителе

В данном подразделе будет описана разработка источника тока управляемого напряжением – блока, к которому подключён сам канал стимуляции. В начале ещё раз укажем некоторые требуемые параметры стимуляции, которые одновременно являются параметрами управляемого источника тока. Ток должен регулироваться в диапазоне от 0,2 до 3 мА с шагом 0,2 мА, импульсы тока – однополярные, напряжение стимуляции должно составлять величину до 20 Вольт при неизменной величине тока.

Регулируемый источник тока можно реализовать на транзисторах. Но транзистор является нелинейным элементом, и его характеристики сильно зависят от внешних факторов, например от температуры. По указанным причинам в данном случае будем применять источник тока на операционных усилителях. Структурная схема генератора тока на ОУ со следящей обратной ООС [2] изображена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Структурная схема генератора тока на ОУ со следящей ООС

Укажем обозначения в схеме на рисунке 2.2: OP1 – токозадающий ОУ; OP2 – некоторая схема дифференциального усилителя, включенного в обратную связь; Ri – токозадающий резистор; Rн – сопротивление нагрузки.

Опишем принцип работы данной схемы. В случае если ОУ включён с отрицательной обратной связью, потенциалы на входах ОУ стремятся быть равными, т.е. потенциал на инверсном входе должен быть равен потенциалу на неинверсном, т.е. потенциалу на выходе цифровой линии МК. Дифференциальный усилитель OP2 усиливает падение напряжения на токозадающем резисторе Ri до величины Uвх:

где G – коэффициент усиления дифференциального усилителя.

Падение напряжение на Ri рассчитывается по формуле:

где IRi – ток через токозадающий резистор Ri, и, так как входное сопротивление дифференциального усилителя очень большое, то можно считать что ток IRi соответствует току через нагрузку Iн.

Подставив (2.2) в (2.1) получим:

Отсюда ток через резистор:

Как видим из соотношения (2.4), в данном случае получили источник тока, величина тока которого прямо пропорциональна входному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению токозадающего резистора. Так как вход данной схемы подключается непосредственно к цифровой линии МК, то входное напряжение может иметь 2 уровня: уровень логического нуля – около потенциала земли и уровень логической единицы – в данном случае около 5 Вольт. Исходя из этих соображений и будем производить дальнейшие расчёты.

Так как входное напряжение схемы имеет только 2 уровня, то представленная на рисунке 2.2 схема имеет существенный недостаток: данный источник тока нерегулируемый.

Усовершенствуем схему на рисунке 2.2 с целью получения регулируемого источника тока. Усовершенствованный вариант схемы представлен на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Структурная схема регулируемого источника тока

В случае схемы на рисунке 2.3 усилитель OP2 усиливает относительно входного опорного напряжения Uref.

Формула (2.3) для входного напряжения в этом случае принимает вид:

и формула для тока через нагрузку:

Как видим из (2.6), чем большее опорное напряжение усилителя OP2, тем меньше ток через нагрузку. При Uref = 0 формула (2.6) сводится к виду (2.4), т.е. в этом случае будет максимально возможный ток через нагрузку. При Uref = Uвх = 5 Вольт ток через нагрузку будет равен нулю.

Перейдём непосредственно к принципиальной схеме источника тока. Принципиальная схема изображена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 – принципиальная схема источника тока

Дифференциальный усилитель реализован на операционных усилителях OP2, OP2 и резисторах включённых в их обратную связь. Примечание: в данном случае для упрощения расчётов в некоторых случаях резисторы имеют равные номиналы – на схеме на рисунке 2.4 одинаковые резисторы имеют одинаковые позиционные обозначения. Коэффициент усиления дифференциального усилителя, реализованного на указанных элементах, рассчитывается по формуле:

В данном случае желательно обеспечить минимальное падение напряжение на токозадающем резисторе, то есть максимальное падение на нагрузке. То есть желательно повысить его коэффициент усиления за счёт подбора соответствующих номиналов резисторов. Выбираем коэффициент усиления G=10. Для обеспечения указанного коэффициента усиления из стандартного ряда номиналов резисторов выбираем значения: R1 = 20 кОм, R2 = 180 кОм.

Рассчитаем требуемое значение токозадающего резистора для максимально заданной величины тока 3 мА.

Из формулы (2.4) выразим требуемое значение резистора Ri для заданного тока:

Подставив в (2.8) Uвх = 5 В, IRi = 3 мА, G = 10 найдём требуемое значение токозадающего резистора: Ri ? 167 Ом. Из прецизионного ряда номиналов резисторов E96 выберем ближайший к указанному: Ri = 165 Ом.

В качестве операционных следует выбрать такие, которые удовлетворяют требованиям по напряжению питания, частоте, и т.д. В качестве усилителей выбираем микросхемы прецизионных операционных усилителей OPA277, которые обладают следующими основными параметрами [3]: напряжение смещения: 10 мкВ; дрейф нуля: 0,1 мкВ/°C; входной ток: 1 нА; максимальная рабочая частота: 1 МГц; максимальное напряжение питания при однополярном питании: 36 Вольт.

Далее рассмотрим схему регулировки опорного напряжения дифференциального усилителя. В качестве элемента регулировки можно применить потенциометр. Но так как схема с управлением от микроконтроллера, то простой потенциометр было бы применять нерационально, хорошим решение в данном случае будет применение цифрового потенциометра с цифровым интерфейсом управления от микроконтроллера.

В качестве микросхемы цифрового потенциометра применим микросхему AD5241BR100 фирмы Analog Devices [4]. Данная микросхема управляется по шине I2C, имеет сопротивление между выводами 100 кОм, 256 позиций для регулировки. Структурная схема микросхемы цифрового потенциометра показано на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Структурная схема микросхемы цифрового потенциометра AD5290BR100

Как видим из схемы, микросхема помимо потенциометра имеет в своём составе 2 выходных цифровых линии общего назначения: O1, O2, в данном случае эти линии не задействованы. Также микросхема имеет 2 адресных входа: AD0, AD1, т.е. есть возможность применения в системе до четырёх таких микросхем. Имеется также вход SHDN, который практически отключает микросхему при подаче на него напряжения низкого логического уровня – ток потребления снижается до нескольких микроампер, W замыкается с B.

Средняя точка внутреннего резистора – W; крайние точки – A, B. Потенциал средней точки определяется как: VW = (VA-VB)·pos/256, где pos – позиция потенциометра, отправляется на потенциометр по шине I2C. В данной схеме для удобства управления вывод B подключаем к общему проводу, вывод A – к напряжению питания +5 Вольт. Выходное сопротивление цифрового потенциометра имеет тот же порядок что входное сопротивление входа опорного напряжения дифференциального усилителя, то есть если выход W подключать напрямую к входу опорного напряжения, то будет значительное взаимное влияние потенциометра и входа усилителя. То есть в данном случае необходима развязка выхода потенциометра с входом опорного напряжения усилителя. Развязку лучше всего реализовать через операционный усилитель, включённый по схеме неинвертирующего повторителя между выходом W и входом опорного напряжения.

Читайте далее:
Ссылка на основную публикацию
×
×
Adblock
detector