Thiết kế mạch chìm dòng điện không đổi đơn giản bằng op

Nguồn hiện tại và dòng chìm là hai thuật ngữ chính được sử dụng trong thiết kế thiết bị điện tử, hai thuật ngữ này quy định lượng dòng điện có thể đi hoặc vào một thiết bị đầu cuối. Ví dụ, dòng chìm và dòng nguồn của chân đầu ra kỹ thuật số của Vi điều khiển 8051 điển hình lần lượt là 1,6mA và 60uA. Có nghĩa là chân có thể cung cấp (nguồn) lên đến 60uA khi đặt ở mức Cao và có thể nhận (chìm) lên đến 1,6mA khi đặt ở mức thấp. Trong quá trình thiết kế mạch, đôi khi chúng ta phải xây dựng nguồn dòng và mạch chìm dòng điện của riêng mình. Trong hướng dẫn trước, chúng tôi đã xây dựng mạch nguồn dòng điện được điều khiển bằng điện áp sử dụng op-amp và MOSFET phổ biến có thể được sử dụng để tìm nguồn cung cấp dòng điện cho tải, nhưng trong một số trường hợp thay vì nguồn dòng, chúng tôi sẽ cần tùy chọn dòng chìm.

Do đó, trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ học cách xây dựng mạch chìm dòng điện không đổi được điều khiển bằng điện áp. Một mạch chìm dòng điện không đổi được điều khiển bằng điện áp, như tên cho thấy sẽ điều khiển lượng dòng điện đi qua nó dựa trên điện áp được áp dụng. Trước khi tiếp tục xây dựng mạch, chúng ta hãy hiểu về mạch chìm dòng điện không đổi.

Mạch chìm dòng điện không đổi là gì?

Một mạch chìm dòng điện không đổi thực sự chìm dòng điện bất kể điện trở tải miễn là điện áp đầu vào không thay đổi. Đối với đoạn mạch có điện trở 1 ôm, được cấp điện bằng đầu vào 1V, dòng điện không đổi là 1A theo định luật Ôm. Nhưng, nếu định luật Ohms quyết định bao nhiêu dòng điện chạy qua một đoạn mạch, thì tại sao chúng ta cần nguồn dòng điện không đổi và mạch chìm dòng điện?

Như bạn có thể thấy từ hình trên, một mạch Nguồn hiện tại cung cấp dòng điện để điều khiển tải. Lượng dòng tải nhận được sẽ do mạch nguồn hiện tại quyết định vì nó hoạt động như một nguồn cung cấp. Tương tự, mạch chìm hiện tại hoạt động giống như một mặt đất, một lần nữa lượng dòng điện mà tải nhận được sẽ được điều khiển bởi mạch chìm hiện tại. Điểm khác biệt chính là mạch nguồn phải cấp nguồn (cấp) đủ dòng cho tải, còn mạch chìm thì vừa phải hạn dòng qua mạch.

Ổ chìm dòng điện điều khiển bằng điện áp sử dụng Op-Amp

Mạch chìm dòng điện không đổi điều khiển bằng điện áp hoạt động giống hệt như mạch nguồn dòng điều khiển bằng điện áp mà chúng tôi đã chế tạo trước đó.

Đối với mạch chìm hiện tại, kết nối op-amp được thay đổi, đó là đầu vào âm được kết nối với điện trở shunt. Điều này sẽ cung cấp phản hồi tiêu cực cần thiết cho op-amp. Sau đó, chúng ta có một bóng bán dẫn PNP, được kết nối qua đầu ra Op-amp để chân đầu ra op-amp có thể điều khiển bóng bán dẫn PNP. Bây giờ, hãy luôn nhớ rằng một Op-Amp sẽ cố gắng làm cho điện áp ở cả hai đầu vào (dương và âm) bằng nhau.

Giả sử, đầu vào 1V được đưa ra trên đầu vào tích cực của op-amp. Op-amp bây giờ sẽ cố gắng làm cho đầu vào âm khác cũng là 1V. Nhưng làm thế nào điều này có thể được thực hiện? Đầu ra của op-amp sẽ bật bóng bán dẫn theo cách mà đầu vào khác sẽ nhận 1V từ Vsupply của chúng tôi.

Điện trở shunt sẽ tạo ra điện áp rơi theo định luật Ohms, V = IR. Do đó, 1A của dòng điện chạy qua transistor sẽ tạo ra điện áp rơi 1V. Bóng bán dẫn PNP sẽ đánh chìm dòng điện 1A này và op-amp sẽ sử dụng điện áp giảm này và nhận được phản hồi 1V mong muốn. Bằng cách này, việc thay đổi điện áp đầu vào sẽ điều khiển Base cũng như dòng điện qua điện trở shunt. Bây giờ, chúng ta hãy giới thiệu tải phải được điều khiển vào mạch của chúng ta.

Như bạn có thể thấy, chúng tôi đã thiết kế các mạch chìm dòng điện điều khiển bằng điện áp sử dụng Op-Amp. Nhưng để chứng minh thực tế, thay vì sử dụng RPS để cung cấp điện áp thay đổi cho Vin, chúng ta hãy sử dụng một chiết áp. Chúng ta đã biết rằng chiết áp được hiển thị dưới đây hoạt động như một bộ chia điện thế để cung cấp một điện áp thay đổi từ 0V đến Vsupply (+).

Bây giờ, chúng ta hãy xây dựng mạch và kiểm tra xem nó hoạt động như thế nào.

Xây dựng

Giống như hướng dẫn trước, chúng ta sẽ sử dụng LM358 vì nó rất rẻ, dễ tìm và phổ biến rộng rãi. Tuy nhiên, nó có hai kênh op-amp trong một gói, nhưng chúng tôi chỉ cần một. Trước đây chúng tôi đã xây dựng nhiều mạch dựa trên LM358, bạn cũng có thể kiểm tra chúng. Hình ảnh dưới đây là tổng quan về sơ đồ chân LM358.

Tiếp theo, chúng ta cần một bóng bán dẫn PNP, BD140 được sử dụng cho mục đích này. Các bóng bán dẫn khác cũng sẽ hoạt động, nhưng tản nhiệt là một vấn đề. Do đó, gói Transistor cần phải có option kết nối thêm bộ tản nhiệt. Sơ đồ chân BD140 được hiển thị trong hình ảnh dưới đây -

Một thành phần chính khác là Điện trở Shunt. Hãy gắn vào điện trở 47ohms 2watt cho dự án này. Chi tiết các thành phần cần thiết được mô tả trong danh sách dưới đây.

Op-amp (LM358)
Bóng bán dẫn PNP (BD140)
Điện trở Shunt (47 Ohms)
Điện trở 1k
Điện trở 10k
Nguồn điện (12V)
Chiết áp 50k
Bảng mạch bánh mì và các dây kết nối bổ sung

Mạch điều khiển dòng điện áp làm việc

Mạch được xây dựng trong một breadboard đơn giản cho mục đích thử nghiệm như bạn có thể thấy trong hình dưới đây. Để kiểm tra cơ sở dòng điện không đổi, các điện trở khác nhau được sử dụng làm tải điện trở.

Điện áp đầu vào được thay đổi bằng cách sử dụng chiết áp và những thay đổi hiện tại được phản ánh trong tải. Như trong hình dưới đây, dòng điện 0,16A bị chìm bởi tải. Bạn cũng có thể kiểm tra hoạt động chi tiết trong video được liên kết ở cuối trang này. Nhưng, chính xác thì điều gì đang xảy ra bên trong mạch?

Như đã thảo luận trước đây, trong đầu vào 8V, op-amp sẽ làm giảm điện áp trên điện trở shunt cho 8V trong chân phản hồi của nó. Đầu ra của op-amp sẽ bật Transistor cho đến khi điện trở shunt tạo ra mức giảm 8V.

Theo định luật Ohms, điện trở sẽ chỉ tạo ra giảm 8V khi dòng điện là 170mA (.17A). Điều này là do Điện áp = dòng điện x điện trở. Do đó, 8V =.17A x 47 Ohms. Trong trường hợp này, tải điện trở được kết nối mắc nối tiếp như thể hiện trong sơ đồ cũng sẽ đóng góp vào dòng điện. Op-amp sẽ bật bóng bán dẫn và cùng một lượng dòng điện sẽ được đặt chìm xuống đất như điện trở shunt.

Bây giờ, nếu điện áp được cố định, bất kỳ tải điện trở nào được kết nối, dòng điện sẽ giống nhau, nếu không, điện áp trên op-amp sẽ không giống với điện áp đầu vào.

Như vậy có thể nói dòng qua tải (dòng chìm) bằng dòng qua Transistor cũng bằng dòng qua điện trở shunt. Vì vậy, bằng cách sắp xếp lại phương trình trên, Dòng chìm theo tải = Điện áp rơi / Điện trở Shunt.

Như đã thảo luận trước đây, điện áp giảm sẽ giống như điện áp đầu vào trên op-amp. Vì thế, Dòng chìm bởi tải = Điện áp đầu vào / Điện trở Shunt.

Nếu điện áp đầu vào bị thay đổi, dòng điện đi qua tải cũng sẽ thay đổi.

Cải tiến thiết kế

Nếu tản nhiệt cao hơn, hãy tăng công suất điện trở shunt. Để chọn công suất của điện trở shunt, có thể sử dụng R _w = I ² R, trong đó R _w là công suất điện trở và I là lưu lượng dòng điện tối đa và R là giá trị của điện trở shunt.
LM358 có hai op-amps trong một gói duy nhất. Ngoài ra, nhiều IC op-amp có hai op-amp trong một gói duy nhất. Nếu điện áp đầu vào quá thấp, người ta có thể sử dụng op-amp thứ hai để khuếch đại điện áp đầu vào theo yêu cầu.