Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Układy prądowe - uniwersalna skrzynka z narzędziami

ghost666 01 Kwi 2017 12:33 4371 2
  • Jakkolwiek układy prądowe, takie jak źródło prądowe Howlanda, czy rozmaite lustra prądowe są analizowane na zajęciach z elektroniki analogowej, to większość inżynierów myśląc o precyzyjnych układach analogowych myśli tylko w kategorii napięcia. To wielka szkoda, ponieważ układy z wyjściem prądowym, w wielu aplikacjach, oferują ogromną przewagę nad napięciowymi. Wliczają się w to systemy komunikacji w pętli prądowej 0-20 mA lub 4-20 mA, które doskonale sprawdzają się w zaszumionym otoczeniu. Układy prądowe nadają się także do przenoszenia sygnału analogowego przez dużą różnicę potencjałów bez wykorzystania optycznych czy magnetycznych układów izolacji galwanicznej. Poniższy artykuł podsumowuje dostępne podczas projektowania układów prądowych techniki i architektury oraz podpowie, który z nich wykorzystać w jakich sytuacjach.

    Niesamowicie prosto jest uzyskać stabilne wyjście prądowe. Najprostszym sposobem jest wykorzystanie lustra prądowego: dwa identyczne tranzystory, najlepiej wykonane na tym samym podłożu i w jednej, wspólnej obudowie, łączymy w sposób jaki pokazano na rysunku 1. Dzięki temu, że tranzystory są zintegrowane ze sobą to są identyczne - maja taką samą geometrię, odchyłki od normy etc. Pracują także w takich samych warunkach tej samej temperaturze itp, jako że znajdują się w jednej obudowie. W układzie tym napięcie baza-emiter jest takie samo dla obu tranzystorów, więc prąd płynący przez kolektor tranzystora T2 jest taki sami jak prąd płynący przez kolektor T1.

    Układy prądowe - uniwersalna skrzynka z narzędziami
    Rys.1. Prosty układ lustra prądowego.


    Powyższa uproszczona analiza zakłada, że T1 i T2 są identyczne i mają taką samą temperaturę. Analiza taka zakłada także, że prąd bazy w układzie jest minimalny, więc może być zaniedbany, bo wzmocnienie prądowe jest dużo większe. Dodatkowo ignorujemy też zależność prądu kolektora od napięcia na tym elemencie, co nie jest bez znaczenia dla działania lustra.

    Układ tego rodzaju oparty może być na tranzystorach typu NPN lub PNP. Jeśli tranzystor T2 sformujemy z równolegle połączonych N tranzystorów to prąd wyjściowy będzie równy N-krotności prądu wejściowego (jak widać na rysunku 2a. Z kolei jeśli T1 sformujemy z M tranzystorów, to prąd wyjściowy z T2 równy będzie 1/M-krotności prądu wejściowego. Co oznacza, że - jak pokazano na rysunku 2b - możliwe jest takie skonstruowanie układu, aby wzmocnienie prądowe mogło być opisane wzorem N/M.

    Układy prądowe - uniwersalna skrzynka z narzędziami




    Rys.2. (a) Wielostopniowe lustro prądowe. (b) Lustro prądowe o niecałkowitym wzmocnieniu prądowym.


    Trzy kolektory T2 połączone mogą być ze sobą równolegle, co da nam prąd 3x I(in).

    Jeśli wpływ napięcia na prąd kolektora jest znaczny w naszym układzie, możemy zminimalizować wpływ tego zjawiska na działanie systemu, korzystając z bardziej złożonego lustra prądowego w topologii Wilsona. Układ taki złożony może być z trzech lub czterech tranzystorów, jak pokazano na rysunku 3. Wersja oparta o cztery tranzystory jest znacznie precyzyjniejsza i charakteryzuje się szerszym zakresem dynamiki pracy.

    Układy prądowe - uniwersalna skrzynka z narzędziami
    Rys.3. Lustro prądowe Wilsona. Tranzystor T4 jest opcjonalny w tym układzie, ale zapewnia wyższą precyzję i dynamikę układu.


    Jeśli potrzebujemy wzmacniacza transkonduktancyjnego - przetwornika napięcie/prąd - to możemy skonstruować prosty układ oparty o pojedynczy wzmacniacz operacyjny (z jednym napięciem zasilania) i tranzystor polowy - BJT, FET lub - najlepiej - MOSFET (z uwagi na fakt, że ten ostatni charakteryzuje się zerowym błędem prądu bazy). Potrzebny będzie, oprócz tych elementów, jedynie jeden, precyzyjny opornik, który definiuje wzmocnienie - transkonduktancję - układu. Schemat takiego napięcie/prąd pokazano na rysunku 4.

    Układy prądowe - uniwersalna skrzynka z narzędziami
    Rys.4. Wzmacniacz transkonduktancyjny - przetwornik napięcie/prąd.


    Układ taki jak pokazano na rysunku 4 jest prosty i tani. Napięcie na bazie tranzystora MOSFET steruje prądem płynącym przez ten tranzystor i opornik R1. Spadek napięcia na tym rezystorze - V1 - podany jest na wejście odwracające wzmacniacza operacyjnego, dzięki czemu element ten podaje na bramkę MOSFETa napięcie takie, aby utrzymać napięcie V1 na poziomie równym napięciu wejściowemu VIN.

    Jeśli lustro prądowe potrzebne jest we wnętrzu monolitycznego układu scalonego, to podejście z dwoma lub czterema tranzystorami jest optymalne. W przypadku układu opartego o elementy dyskretne takie podejście jest dalekie od najprostszego - scalone pary dobranych tranzystorów są drogie - głównie w wyniku niskiego zapotrzebowania i problemów podczas wytwarzania tego rodzaju elementów. Właśnie dlatego lustro prądowe oparte na wzmacniaczach operacyjnych, takie jak pokazane na rysunku 5, są tańszym i prostszym w implementacji systemem.

    Lustro prądowe oparte na op-ampach to w zasadzie wzmacniacz transkonduktancyjny z dodanym pojedynczym opornikiem R2, pełniącym rolę konwertera prąd/napięcie.

    Układy prądowe - uniwersalna skrzynka z narzędziami
    Rys.5. Lustro prądowe na wzmacniaczu operacyjnym.


    Lustra prądowe charakteryzują się wysoką, czasami nieliniową impedancją wejściową, więc konieczne jest sterowanie nimi ze źródła prądowego o wysokiej impedancji (nazywanego czasami sztywnym źródłem prądowym). Jeśli układ jakim sterujemy lustrem wymaga odbiornika o niskiej impedancji to konieczne jest zastosowanie na wejściu wzmacniacza operacyjnego. Rysunek 6 prezentuje dwa podejścia do lustra prądowego o niskiej impedancji wejściowej.

    Układy prądowe - uniwersalna skrzynka z narzędziami
    Rys.6. (a) Odwracające lustro prądowe o małej impedancji wejściowej. (b) Nieodwracające lustro prądowe o małej impedancji wejściowej.


    Przy omawianiu podstaw luster i źródeł prądowych zawsze zakładamy, że polaryzacje wszędzie są identyczne. Zazwyczaj to emitery/źródła tranzystorów wyjściowych są na potencjale masy - bezpośrednio lub poprzez opornik, a prąd płynie przez kolektor/dren do obciążenia, które na drugim terminalu podłączony jest do zasilania DC. Nie zawsze jednakże takie podejście jest wygodne. Czasami wygodniej jest, aby jeden z terminali obciążenia znajdował się na potencjale masy. Nie będzie to wielkim problemem, jeśli możliwe będzie zestawienie układu tak, aby do emiter/źródło były podłączone do zasilania, jak pokazano na rysunku 7.

    Układy prądowe - uniwersalna skrzynka z narzędziami
    Rys.7. Lustro prądowe dla obciążeń, które podłączone muszą być do masy.


    Jeśli prąd lub napięcie wejściowe układu jest liczone względem masy, to konieczne jest dodanie do układu bloku konwersji poziomów. Możliwe są różne wariacje takich układów, ale topologia pokazana na rysunku 8 sprawdza się w większości układów. Prosty układ wykorzystuje źródło prądowe odnoszone do masy na napięciu zasilania, które z kolei steruje obciążeniem. Jako że lustro prądowe może być jednocześnie wzmacniaczem, jak pokazano powyżej, możliwa jest taka realizacja powyższego układu, w której pośredni prąd sterujący nie musi być zbyt duży.

    Układy prądowe - uniwersalna skrzynka z narzędziami
    Rys.8. Lustro prądowe będące konwerterem poziomów.


    Omówione dotychczasowo w artykule układy są unipolarne - prąd płynie tylko w jednym kierunku. Możliwe jest jednak skonstruowanie takich układów, które pozwalać będą na pracę bipolarną. Najprostszym systemem tego rodzaju jest pompa prądowa Howlanda, pokazana na schemacie na rysunku 9. Ten prosty układ boryka się jednak z szeregiem problemów: wymaga do pracy bardzo precyzyjnych i dobranych do siebie oporników, aby osiągnąć wysoką impedancję wyjściową układu. Dodatkowo, impedancja źródła dodaje się do rezystancji opornika R1, więc musi być bliska zeru, aby nie wpływać na błąd dopasowania oporników w układzie. Napięcie zasilające pompy Howlanda musi być istotnie wyższe niż maksymalne przewidywane napięcie wyjściowe. Dodatkowo, układ taki charakteryzuje się niskim CMRR, więc zastosowane w nim wzmacniacze operacyjne muszą być dobrej klasy.

    Układy prądowe - uniwersalna skrzynka z narzędziami
    Rys.9. Pompa ładunku Howlanda umożliwiająca pracę bipolarną.


    Dzisiejsze nowoczesne wzmacniacze pomiarowe (instrumentalne) są niedrogimi elementami, co pozwala w oparciu o nie konstruować niedrogie i proste bipolarne źródła prądowe. Wystarczy wykorzystać pojedynczy wzmacniacz instrumentalny, jeden operacyjny i pojedynczy precyzyjny opornik, aby zestawić źródło prądowe, takie jak pokazane na rysunku 10. Jest to układ prostszy niż pompa Howlanda, a w dodatku nie wymaga układu rezystorów (tylko jeden, który jest we wnętrzu wzmacniacza pomiarowego). Dodatkowo takie źródło prądowe może zbliżyć się z napięciem na wyjściu do około 500 mV mniej niż napięcie zasilania.

    Układy prądowe - uniwersalna skrzynka z narzędziami
    Rys.10. Bipolarny, prądowy wzmacniacz operacyjny.


    Układy dotychczasowo prezentowane na łamach tego artykułu to systemy z precyzyjnym wyjściem prądowym. Można z nich korzystać oczywiście jak ze źródeł prądowych, jeśli na wejście poda się stałe napięcie, jednakże istotnie prościej jest wykorzystać wyposażone w zalewie dwa terminale źródło prądowe. Można oprzeć taki układ o sprytnie podłączone źródło napięcia odniesienia, takie jak np. ADR291 produkcji Analog Devices. Układ ten pobiera zaledwie 10 ?A prądu. Współczynnik temperaturowy tego elementu to 20 nA/°C. Wystarczy do układu dodać pojedynczy rezystor, tak jak pokazano na rysunku 11 aby uzyskać źródło prądowe mogące pracować w zakresie napięć od 3 V do 15 V. Zakres prądów wynosi (2,5/R + 0,01) mA, gdzie R jest rezystancją opornika w układzie wyrażoną w k?.

    Układy prądowe - uniwersalna skrzynka z narzędziami
    Rys.11. Źródło prądowe o dwóch terminalach.


    Jeśli precyzja źródła prądowego nie jest naszym problemem, a jedyne co jest nam potrzebne to stałe źródło prądowe, wykorzystać możemy pojedynczy opornik i jeden zubożony tranzystor JFET. Taki układ pokazano na rysunku 12. Rozwiązanie to nie oferuje dużej stabilności czasowej i temperaturowej, a dla tego samego R, prąd może różnić się zależnie od poszczególnego JFETa w układzie. Jednakże sam układ jest bardzo prosty i tani.

    Układy prądowe - uniwersalna skrzynka z narzędziami
    Rys.12. Źródło prądowe oparte o tranzystor JFET.


    Istnieje możliwość wprowadzenia prostych zmian do zwykłych zasilaczy impulsowych, takich jak zasilacze do laptopów, które umożliwiają ich przekształcenie w źródła prądowe, które przydają się na przykład do zasilania diod LED. Łatwo jest zmodyfikować układy takie, tak jak pokazano na rysunku 13. Układ taki doskonale sprawdza się dla niewielkich prądów i bez problemu pracuje ze stałym napięciem na wejściu.

    Układy prądowe - uniwersalna skrzynka z narzędziami
    Rys.13. Modyfikacja zasilacza impulsowego, aby przekształcić go w źródło prądowe.


    Aby stworzyć z tego zasilacza źródło prądowe konieczne jest wykorzystanie napięcia odniesienia, które podaje się na potencjometr zestawiony z P1 i P2. OPA2 wraz z tranzystorem MOSFET wysyła prąd poprzez opornik R1, co powoduje spadek napięcia na tym elemencie. Jeśli spadek napięcia na rezystorze pomiarowym z uwagi na obciążenie przekroczy napięcie odniesienia w układzie, wyjście z OPA1 wzrośnie i przekroczy napięcie kontrolne to zmodyfikowane zostanie napięcie wyjściowe na zasilaczu, dzięki czemu napięcie wyjściowe spadnie, tak aby prąd wyjściowy nie przekroczył ustalonego limitu.

    Omówione tutaj źródła i układy prądowe to nie dokładne noty aplikacyjne, niektóre wymagają dodatkowej pracy, aby zapewnić odprowadzenie lub rozpraszanie ciepła, aby zapewnić stabilność działania systemu. Inne wymagają układów ograniczających prąd lub napięcie, aby nie przekroczyć maksymalnych dopuszczalnych wartości... wiedza ta jest do znalezienia w podręcznikach do elektroniki analogowej, na stronie Analog Devices czy nawet na Wikipedii.

    Źródło: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/current-output-circuit-techniques-add-versatility.html


    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • #2 01 Kwi 2017 15:54
    OlegTor
    Poziom 9  

    Najprostszym sposobem dodania źródła prądowego jest wstawienie szeregowo do układu zwykłej żarówki.

  • #3 01 Kwi 2017 18:33
    a_noob
    Poziom 22