Projete um circuito de fonte de corrente controlada por tensão usando op

Em um circuito de fonte de corrente controlado por tensão, como o nome indica, uma pequena quantidade de tensão na entrada controlará proporcionalmente o fluxo de corrente nas cargas de saída. Este tipo de circuito é comumente usado em eletrônica para acionar dispositivos controlados por corrente, como BJT, SCR, etc. Sabemos que em um BJT a corrente que flui através da base do transistor controla quanto transistor é fechado, esta corrente de base pode ser fornecida por muitos tipos de circuito, um método é usar este circuito de fonte de corrente controlada por tensão. Você também pode verificar o circuito de corrente constante que também pode ser usado para acionar dispositivos controlados por corrente.

Neste projeto, vamos explicar como uma fonte de corrente controlada por tensão usando op-amp pode ser projetada e também construí-la para demonstrar seu funcionamento. Este tipo de circuito de fonte de corrente controlado por tensão também é chamado de servo de corrente. O circuito é muito simples e pode ser construído com um número mínimo de componentes.

Noções básicas de Op-Amp

Para entender o funcionamento deste circuito é essencial saber como funciona um amplificador operacional.

A imagem acima é um único amplificador operacional. Um amplificador amplifica os sinais, mas, além de amplificar os sinais, também pode fazer operações matemáticas. O p-amp ou amplificador operacional é a espinha dorsal da eletrônica analógica e é usado em muitas aplicações, como amplificador somador, amplificador diferencial, amplificador de instrumentação, integrador op-amp, etc.

Se olharmos atentamente na imagem acima, existem duas entradas e uma saída. Essas duas entradas têm o sinal + e -. A entrada positiva é chamada de entrada não inversora e a entrada negativa é chamada de entrada inversora.

A primeira regra usada pelo amplificador para funcionar é fazer com que a diferença entre essas duas entradas seja sempre zero. Para melhor compreensão vamos ver a imagem abaixo -

O circuito amplificador acima é um circuito seguidor de tensão. A saída é conectada no terminal negativo tornando-o um amplificador de ganho 1x. Portanto, a tensão fornecida na entrada está disponível na saída.

Conforme discutido antes, o amplificador operacional faz a diferenciação de ambas as entradas 0. Como a saída é conectada através do terminal de entrada, o op-amp produzirá a mesma voltagem que é fornecida através do outro terminal de entrada. Portanto, se 5 V são fornecidos na entrada, como a saída do amplificador está conectada no terminal negativo, ela produzirá 5 V, o que prova a regra 5 V - 5 V = 0. Isso acontece para todas as operações de feedback negativo dos amplificadores.

Projetando uma fonte de corrente controlada por tensão

Pela mesma regra, vamos ver o circuito abaixo.

Agora, em vez da saída do amplificador operacional ligado à entrada negativa directamente, feedback negativo é derivado do resistor de derivação ligada através de uma N canal MOSFET. A saída do op-amp é conectada ao portão Mosfet.

Vamos supor que a entrada de 1 V é fornecida na entrada positiva do amplificador operacional. O Op-amp fará o caminho de feedback negativo 1V a qualquer custo. A saída ligará o MOSFET para obter 1 V no terminal negativo. A regra do resistor shunt é produzir uma queda de tensão de acordo com a lei de Ohms, V = IR. Portanto, a queda de tensão de 1 V será produzida se 1A de corrente fluir através do resistor de 1 Ohm.

O op-amp usará essa queda de tensão e obterá o feedback de 1V desejado. Agora, se conectarmos uma carga que requer controle de corrente para operação, podemos usar este circuito e colocar a carga em um local apropriado.

O diagrama de circuito detalhado para fonte de corrente controlada por tensão Op-Amp pode ser encontrado na imagem abaixo -

Construção

Para construir este circuito, precisamos de um amplificador operacional. O LM358 é um amplificador operacional muito barato e fácil de encontrar, e é a escolha perfeita para este projeto, no entanto, ele tem dois canais de amplificador operacional em um pacote, mas precisamos de apenas um. Já construímos muitos circuitos baseados em LM358, você também pode verificá-los. A imagem abaixo é uma visão geral do diagrama de pinos do LM358.

Em seguida, precisamos de um MOSFET de canal N, para este IRF540N ser usado, outros MOSFETs também funcionarão, mas certifique-se de que o pacote MOSFET tem uma opção para conectar dissipador de calor adicional se necessário e uma consideração cuidadosa é necessária para selecionar a especificação apropriada do MOSFET conforme necessário. A pinagem IRF540N é mostrada na imagem abaixo -

O terceiro requisito é o resistor shunt. Vamos usar o resistor de 1ohms e 2watt. Dois resistores adicionais são necessários, um para o resistor de porta MOSFET e o outro é o resistor de feedback. Esses dois são necessários para reduzir o efeito de carregamento. No entanto, a queda entre esses dois resistores é insignificante.

Agora, precisamos de uma fonte de alimentação, é uma fonte de alimentação de bancada. Existem dois canais disponíveis na fonte de alimentação de bancada. Um deles, o primeiro canal é usado para fornecer energia ao Circuito e o outro que é o segundo canal usado para fornecer a tensão variável para controlar a corrente fonte do circuito. Como a tensão de controle é aplicada a partir de uma fonte externa, ambos os canais precisam estar no mesmo potencial, portanto, o terminal de aterramento do segundo canal é conectado ao terminal de aterramento do primeiro canal.

No entanto, esta tensão de controle pode ser fornecida por um divisor de tensão variável usando qualquer tipo de potenciômetro. Nesse caso, uma única fonte de alimentação é suficiente. Portanto, os seguintes componentes são necessários para fazer uma fonte de corrente variável controlada por tensão -

1. Op-amp (LM358)
2. MOSFET (IRF540N)
3. Resistor Shunt (1 Ohm)
4. Resistor 1k
5. Resistor de 10k
6. Fonte de alimentação (12V)
7. Carregador
8. Placa de pão e fios de conexão adicionais

Fonte de corrente controlada por tensão em funcionamento

O circuito é construído em uma placa de ensaio para fins de teste, como você pode ver na imagem abaixo. A carga não está conectada no circuito para torná-lo um 0 Ohms próximo do ideal (em curto) para testar a operação de controle de corrente.

A tensão de entrada é alterada de 0,1 V para 0,5 V e as alterações de corrente são refletidas no outro canal. Como pode ser visto na imagem abaixo, a entrada de 0,4 V com 0 consumo de corrente torna-se efetivamente o segundo canal para extrair 400 mA de corrente na saída de 9 V. O circuito é alimentado por uma fonte de 9V.

Você também pode verificar o vídeo na parte inferior desta página para um trabalho detalhado. Ele está respondendo dependendo da tensão de entrada. Por exemplo, quando a tensão de entrada é 0,4 V, o op-amp responderá para ter a mesma tensão 0,4 V em seu pino de feedback. A saída do op-amp liga e controla o MOSFET até que a queda de tensão no resistor shunt seja de 0,4 V.

A lei de Ohms é aplicada neste cenário. O resistor produzirá apenas uma queda de 0,4 V se a corrente através do resistor for de 400 mA (0,4 A). Isso ocorre porque Tensão = corrente x resistência. Portanto,.4V =.4A x 1 Ohm.

Neste cenário, se conectarmos uma carga (carga resistiva) em série igual à descrita no esquema, entre o terminal positivo da fonte de alimentação e o pino de drenagem do MOSFET, o op-amp ligará o MOSFET e o a mesma quantidade de corrente fluirá através da carga e do resistor, produzindo a mesma queda de tensão de antes.

Assim, podemos dizer que a corrente através da carga (a corrente é fornecida) é igual à corrente através do MOSFET que também é igual à corrente através do resistor shunt. Colocando em uma forma matemática, obtemos, Corrente fornecida à carga = Queda de tensão / Resistência Shunt.

Conforme discutido antes, a queda de tensão será a mesma que a tensão de entrada no amplificador operacional. Portanto, se a tensão de entrada for alterada, a fonte de corrente através da carga também mudará. Conseqüentemente, Corrente fornecida à carga = tensão de entrada / resistência de shunt.

Melhorias de design

1. O aumento da potência do resistor pode melhorar a dissipação de calor através do resistor de derivação. Para escolher a potência do resistor shunt, R _w = I ² R pode ser usado, em que R _w é a potência do resistor e I é a corrente máxima fornecida e R é o valor do resistor shunt.
2. Da mesma forma que o LM358, muitos ICs op-amp têm dois op-amps em um único pacote. Se a tensão de entrada for muito baixa, o segundo amplificador operacional não utilizado pode ser usado para amplificar a tensão de entrada conforme necessário.
3. Para a melhoria das questões térmicas e de eficiência, MOSFETs de baixa resistência podem ser usados ​​junto com dissipador de calor adequado.