تصميم دائرة مصدر تيار يتم التحكم فيها بالجهد باستخدام المرجع

في دائرة مصدر تيار يتحكم فيها الجهد ، كما يوحي الاسم ، فإن كمية صغيرة من الجهد عبر المدخلات ستتحكم بشكل متناسب في تدفق التيار عبر أحمال الخرج. يشيع استخدام هذا النوع من الدوائر في الإلكترونيات لتشغيل الأجهزة التي يتم التحكم فيها حاليًا مثل BJT و SCR وما إلى ذلك. نحن نعلم أنه في BJT يتحكم التيار المتدفق عبر قاعدة الترانزستور في مقدار إغلاق الترانزستور ، ويمكن توفير هذا التيار الأساسي من خلال العديد من أنواع الدوائر ، تتمثل إحدى الطرق في استخدام دائرة مصدر التيار المتحكم فيها بالجهد. يمكنك أيضًا التحقق من دائرة التيار المستمر والتي يمكن استخدامها أيضًا لتشغيل الأجهزة التي يتم التحكم فيها حاليًا.

في هذا المشروع ، سنشرح كيف يمكن تصميم مصدر تيار يتم التحكم فيه بالجهد باستخدام جهاز op-amp وأيضًا بناءه لإثبات عمله. يسمى هذا النوع من دارة مصدر التيار التي يتم التحكم فيها بالجهد أيضًا مؤازر حالي. الدائرة بسيطة للغاية ويمكن بناؤها بأقل عدد ممكن من المكونات.

أساسيات Op-Amp

لفهم عمل هذه الدائرة ، من الضروري معرفة كيفية عمل مكبر الصوت التشغيلي.

الصورة أعلاه عبارة عن مضخم تشغيل واحد. يقوم مكبر الصوت بتضخيم الإشارات ، ولكن بخلاف تضخيم الإشارات يمكنه أيضًا إجراء عمليات حسابية. O p-amp أو مضخم التشغيل هو العمود الفقري للإلكترونيات التناظرية ويستخدم في العديد من التطبيقات ، مثل مضخم التجميع ، ومكبر الصوت التفاضلي ، ومضخم الأجهزة ، ومتكامل Op-Amp ، وما إلى ذلك.

إذا نظرنا عن كثب في الصورة أعلاه ، فهناك مدخلين ومخرج واحد. هذان المدخلان لهما علامة + و -. يُطلق على المدخلات الموجبة اسم إدخال غير محوّل ويسمى الإدخال السلبي إدخال معكوس.

القاعدة الأولى التي يستخدمها مكبر الصوت للعمل هي جعل الفرق بين هذين المدخلين صفرًا دائمًا. لفهم أفضل دعنا نرى الصورة أدناه -

دائرة مكبر الصوت أعلاه هي دائرة تتبع الجهد. يتم توصيل الإخراج في الطرف السالب مما يجعله مكبر للصوت 1x. لذلك ، فإن الجهد المعطى عبر المدخلات متاح عبر المخرجات.

كما تمت مناقشته من قبل ، يقوم مكبر التشغيل بعمل التمايز بين كل من المدخلات 0. نظرًا لتوصيل الإخراج عبر طرف الإدخال ، سينتج المرجع أمبير نفس الجهد الذي يتم توفيره عبر طرف الإدخال الآخر. لذلك ، إذا تم إعطاء 5V عبر المدخلات ، حيث يتم توصيل خرج مكبر الصوت عند الطرف السالب ، فسوف ينتج 5V مما يثبت في النهاية القاعدة 5V - 5V = 0. يحدث هذا لجميع عمليات التغذية المرتدة السلبية للمكبرات.

تصميم مصدر تيار متحكم فيه

بنفس القاعدة ، دعنا نرى الدائرة أدناه.

الآن بدلاً من إخراج op-amp المتصل بالإدخال السلبي مباشرة ، يتم اشتقاق ردود الفعل السلبية من المقاوم التحويلة المتصل عبر قناة N MOSFET. يتم توصيل خرج op-amp عبر بوابة Mosfet.

لنفترض أن الإدخال 1V يتم تقديمه عبر المدخلات الإيجابية لـ op-amp. سيجعل Op-amp مسار التعليقات السلبية 1V بأي ثمن. سيتم تشغيل الإخراج على MOSFET للحصول على 1 فولت عبر الطرف السالب. تتمثل قاعدة المقاوم التحويل في إنتاج جهد إسقاط وفقًا لقانون أوم ، V = IR. لذلك ، سيتم إنتاج جهد انخفاض 1 فولت إذا كان 1A من تدفق التيار عبر المقاوم 1 أوم.

سيستخدم جهاز op-amp هذا الجهد المنخفض ويحصل على ردود الفعل المطلوبة 1V. الآن ، إذا قمنا بتوصيل حمولة تتطلب التحكم الحالي للتشغيل ، فيمكننا استخدام هذه الدائرة ووضع الحمل في الموقع المناسب.

يمكن العثور على مخطط الدائرة التفصيلي لمصدر التيار الذي يتم التحكم فيه بجهد Op-Amp في الصورة أدناه -

اعمال بناء

لإنشاء هذه الدائرة ، نحتاج إلى جهاز op-amp. LM358 رخيص جدًا ويسهل العثور عليه ، وهو خيار مثالي لهذا المشروع ، ومع ذلك ، فهو يحتوي على قناتين op-amp في حزمة واحدة ، لكننا نحتاج إلى واحدة فقط. لقد قمنا سابقًا ببناء العديد من الدوائر القائمة على LM358 ، يمكنك أيضًا التحقق منها. الصورة أدناه هي نظرة عامة على مخطط دبوس LM358.

بعد ذلك ، نحتاج إلى N Channel MOSFET ، لاستخدام IRF540N هذا ، ستعمل أيضًا وحدات MOSFET الأخرى ، ولكن تأكد من أن حزمة MOSFET بها خيار لتوصيل المشتت الحراري الإضافي إذا لزم الأمر ، ويلزم دراسة متأنية لاختيار المواصفات المناسبة لـ MOSFET على النحو المطلوب. يظهر pinout IRF540N في الصورة أدناه -

الشرط الثالث هو المقاوم التحويلة. دعونا نتمسك بمقاوم 1 أوم 2 وات. يلزم وجود مقاومين إضافيين ، أحدهما لمقاوم البوابة MOSFET والآخر هو المقاوم الارتجاعي. هذان مطلوبان لتقليل تأثير التحميل. ومع ذلك ، فإن الانخفاض بين هذين المقاومين لا يكاد يذكر.

الآن ، نحتاج إلى مصدر طاقة ، إنه مصدر طاقة مقاعد البدلاء. هناك نوعان من القنوات المتاحة في مقاعد البدلاء امدادات الطاقة. إحداهما ، القناة الأولى تستخدم لتوفير الطاقة للدائرة والأخرى هي القناة الثانية المستخدمة لتوفير الجهد المتغير للتحكم في تيار المصدر للدائرة. نظرًا لتطبيق جهد التحكم من مصدر خارجي ، يجب أن تكون كلتا القناتين في نفس الإمكانات ، وبالتالي يتم توصيل المحطة الأرضية للقناة الثانية عبر المحطة الأرضية للقناة الأولى.

ومع ذلك ، يمكن إعطاء جهد التحكم هذا من مقسم جهد متغير باستخدام أي نوع من مقاييس الجهد. في مثل هذه الحالة ، يكفي مصدر طاقة واحد. لذلك ، فإن المكونات التالية مطلوبة لإنشاء مصدر تيار متغير يتحكم فيه الجهد -

1. Op-amp (LM358)
2. MOSFET (IRF540N)
3. مقاوم تحويلة (1 أوم)
4. 1 كيلو المقاوم
5. 10 كيلو المقاوم
6. امدادات الطاقة (12 فولت)
7. وحدة امدادات الطاقة
8. لوحة الخبز وأسلاك توصيل إضافية

يعمل مصدر التيار المتحكم فيه بالجهد

تم إنشاء الدائرة في لوحة تجارب لأغراض الاختبار كما ترون في الصورة أدناه. الحمل غير متصل بالدائرة لجعله شبه مثالي 0 أوم (مختصرة) لاختبار عملية التحكم الحالية.

يتم تغيير جهد الدخل من 0.1 فولت إلى 0.5 فولت وتنعكس التغييرات الحالية في القناة الأخرى. كما هو موضح في الصورة أدناه ، فإن إدخال 0.4 فولت مع 0 سحب حالي يتم بشكل فعال جعل القناة الثانية لسحب 400 مللي أمبير من التيار عند خرج 9 فولت. يتم تشغيل الدائرة باستخدام مصدر 9V.

يمكنك أيضًا التحقق من الفيديو في أسفل هذه الصفحة للحصول على عمل مفصل. إنها تستجيب حسب جهد الدخل. على سبيل المثال ، عندما يكون جهد الدخل.4V ، سوف يستجيب op-amp ليكون له نفس الجهد.4V في دبوس التغذية الراجعة الخاص به. يتم تشغيل خرج op-amp والتحكم في MOSFET حتى يصبح انخفاض الجهد عبر المقاوم التحويل.4V.

يتم تطبيق قانون أوم في هذا السيناريو. لن ينتج المقاوم سوى 0.4 فولت إذا كان التيار عبر المقاوم 400 مللي أمبير (.4A). هذا لأن الجهد = المقاومة الحالية x. لذلك ،.4V =.4A × 1 أوم.

في هذا السيناريو ، إذا قمنا بتوصيل حمولة (حمل مقاوم) في سلسلة كما هو موضح في التخطيطي ، بين الطرف الموجب لمصدر الطاقة ودبوس الصرف في MOSFET ، فسيقوم op-amp بتشغيل MOSFET و سوف تتدفق نفس الكمية من التيار خلال الحمل والمقاوم عن طريق إنتاج نفس انخفاض الجهد كما كان من قبل.

وبالتالي ، يمكننا القول أن التيار من خلال الحمل (مصدر التيار) يساوي التيار عبر MOSFET والذي يساوي أيضًا التيار من خلال المقاوم التحويل. وضعه في شكل رياضي نحصل عليه ،

المصدر الحالي للحمل = انخفاض الجهد / مقاومة التحويل.

كما تمت مناقشته من قبل ، سيكون انخفاض الجهد هو نفسه جهد الدخل عبر المرجع أمبير. لذلك ، إذا تم تغيير جهد الدخل ، فإن المصدر الحالي من خلال الحمل سيتغير أيضًا. بالتالي،

مصدر التيار للحمل = جهد الإدخال / مقاومة التحويل.

تحسينات التصميم

1. يمكن أن تؤدي زيادة القوة الكهربائية للمقاومة إلى تحسين تبديد الحرارة عبر المقاوم التحويل. لاختيار القوة الكهربائية لمقاوم التحويل ، يمكن استخدام R _w = I ² R ، حيث R _w هي القوة الكهربائية للمقاوم وأنا هو أقصى تيار مصدر ، و R هي قيمة المقاوم التحويلة.
2. تمامًا مثل LM358 ، تحتوي العديد من أجهزة op-amp ICs على مكبرين تشغيليين في حزمة واحدة. إذا كان جهد الدخل منخفضًا جدًا ، فيمكن استخدام المرجع الثاني غير المستخدم لتضخيم جهد الدخل كما هو مطلوب.
3. لتحسين المشاكل الحرارية والكفاءة ، يمكن استخدام MOSFETs منخفضة المقاومة جنبًا إلى جنب مع المشتت الحراري المناسب.