如何使用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)壓控電流源電路

　　顧名思義，在壓控電流源電路中，輸入端的少量電壓將按比例控制輸出負(fù)載上的電流。這種類型的電路通常用于電子設(shè)備中，用于驅(qū)動(dòng)BJT、SCR等電流控制器件。我們知道，在 BJT 中，流過(guò)晶體管基極的電流控制著晶體管閉合的程度，可以提供此基極電流由多種電路組成，一種方法是使用這種壓控電流源電路。您還可以檢查也可用于驅(qū)動(dòng)電流控制設(shè)備 的恒流電路。

　　在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將解釋如何設(shè)計(jì)和構(gòu)建使用運(yùn)算放大器的壓控電流源以展示其工作原理。這種壓控電流源電路也稱為電流伺服。該電路非常簡(jiǎn)單，可以用最少數(shù)量的元件構(gòu)成。

　　運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)知識(shí)

　　要了解該電路的工作原理，必須了解運(yùn)算放大器的工作原理。

　　上圖是單個(gè)運(yùn)算放大器。放大器放大信號(hào)，但除了放大信號(hào)之外，它還可以進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。運(yùn)算放大器或運(yùn)算放大器 是 模擬電子的支柱， 用于許多應(yīng)用，例如 求和放大器、 差分放大器、 儀表放大器、運(yùn)算放大器積分器等。

　　如果我們仔細(xì)看上圖，有兩個(gè)輸入和一個(gè)輸出。這兩個(gè)輸入有 + 和 - 號(hào)。正輸入稱為同相輸入，負(fù)輸入稱為反相輸入。

　　放大器用于工作的第一條規(guī)則是使這兩個(gè)輸入之間的差異始終為零。為了更好地理解，讓我們看下圖 -

　　上述放大電路是電壓跟隨器電路。輸出連接在負(fù)端，使其成為 1 倍增益放大器。因此，輸入端提供的電壓可用于輸出端。

　　如前所述，運(yùn)算放大器對(duì)兩個(gè)輸入進(jìn)行微分 0。由于輸出連接到輸入端，運(yùn)算放大器將產(chǎn)生與另一個(gè)輸入端提供的相同電壓。因此，如果在輸入端提供 5V，當(dāng)放大器輸出連接到負(fù)端子時(shí)，它將產(chǎn)生 5V，最終證明規(guī)則 5V – 5V = 0。放大器的所有負(fù)反饋操作都會(huì)發(fā)生這種情況。

　　設(shè)計(jì)壓控電流源

　　按照同樣的規(guī)則，讓我們看看下面的電路。

　　現(xiàn)在，不是將運(yùn)算放大器的輸出直接連接到負(fù)輸入，而是從連接在N 溝道 MOSFET上的分流電阻器獲得負(fù)反饋。運(yùn)算放大器輸出跨過(guò) Mosfet 柵極。

　　假設(shè)在運(yùn)算放大器的正輸入端給出 1V 輸入。運(yùn)算放大器將不惜一切代價(jià)使負(fù)反饋路徑達(dá)到 1V。輸出將打開(kāi) MOSFET 以在負(fù)端獲得 1V。分流電阻器的規(guī)則是根據(jù)歐姆定律產(chǎn)生壓降，V=IR。因此，如果 1A 的電流流過(guò) 1 Ohm 的電阻器，則會(huì)產(chǎn)生 1V 的壓降。

　　運(yùn)算放大器將使用此壓降并獲得所需的 1V 反饋?，F(xiàn)在，如果我們連接一個(gè)需要電流控制才能運(yùn)行的負(fù)載，我們可以使用該電路并將負(fù)載放置在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

　　運(yùn)算放大器電壓控制電流源的詳細(xì)電路圖可以在下圖中找到 -

　　建造

　　為了構(gòu)建這個(gè)電路，我們需要一個(gè)運(yùn)算放大器。LM358是一款非常便宜且容易找到的運(yùn)算放大器，它是該項(xiàng)目的完美選擇，但是，它在一個(gè)封裝中具有兩個(gè)運(yùn)算放大器通道，但我們只需要一個(gè)。我們之前已經(jīng)構(gòu)建了許多基于 LM358 的電路，您也可以查看它們。下圖是 LM358 引腳圖的概述。

　　接下來(lái)，我們需要一個(gè) N 溝道 MOSFET，因?yàn)槭褂昧诉@個(gè)IRF540N，其他 MOSFET 也可以工作，但是如果需要，請(qǐng)確保 MOSFET 封裝可以選擇連接額外的散熱器，并且需要仔細(xì)考慮選擇合適的規(guī)格MOSFET 根據(jù)需要。IRF540N 引腳排列如下圖所示——

　　第三個(gè)要求是分流電阻。讓我們堅(jiān)持使用 1ohms 2watt 電阻器。需要額外的兩個(gè)電阻，一個(gè)用于 MOSFET柵極電阻，另一個(gè)用于反饋電阻。這兩個(gè)是降低負(fù)載效應(yīng)所必需的。然而，這兩個(gè)電阻之間的壓降可以忽略不計(jì)。

　　現(xiàn)在，我們需要一個(gè)電源，它是臺(tái)式電源。工作臺(tái)電源中有兩個(gè)通道可用。其中一個(gè)，第一個(gè)通道用于為電路提供電源，另一個(gè)是第二個(gè)通道，用于提供可變電壓以控制電路的源電流。由于控制電壓是從外部源施加的，因此兩個(gè)通道需要處于相同的電位，因此第二通道的接地端跨接在第一通道的接地端上。

　　但是，可以使用任何類型的電位器從可變分壓器給出該控制電壓。在這種情況下，一個(gè)電源就足夠了。因此，制作壓控可變電流源需要以下元件——

　　運(yùn)算放大器 （LM358）

　　MOSFET （IRF540N）

　　分流電阻器（1 歐姆）

　　1k電阻

　　10k電阻

　　電源 （12V）

　　供電單元

　　面包板和額外的連接線

　　壓控電流源工作

　　如下圖所示，該電路構(gòu)建在面包板上用于測(cè)試目的。電路中未連接負(fù)載，使其接近理想的 0 歐姆（短路），用于測(cè)試電流控制操作。

　　輸入電壓從 0.1V 變?yōu)?0.5V，電流變化反映在另一個(gè)通道中。如下圖所示，0.4V 輸入和 0 電流消耗有效地成為第二個(gè)通道，在 9V 輸出時(shí)消耗 400mA 電流。該電路使用 9V 電源供電。

　　您還可以查看此頁(yè)面底部的視頻以了解詳細(xì)工作。它的響應(yīng)取決于輸入電壓。例如，當(dāng)輸入電壓為 0.4V 時(shí)，運(yùn)算放大器將響應(yīng)在其反饋引腳上具有相同的電壓 0.4V。運(yùn)算放大器的輸出開(kāi)啟并控制 MOSFET，直到分流電阻上的電壓降變?yōu)?0.4V。

　　歐姆定律適用于這種情況。如果通過(guò)電阻器的電流為 400mA （.4A），則電阻器只會(huì)產(chǎn)生 0.4V 的壓降。這是因?yàn)殡妷?= 電流 x 電阻。因此，.4V = .4A x 1 歐姆。

　　在這種情況下，如果我們將負(fù)載（電阻負(fù)載）與原理圖中描述的相同，在電源的正極端子和 MOSFET 的漏極引腳之間，運(yùn)算放大器將打開(kāi) MOSFET，并且通過(guò)產(chǎn)生與以前相同的電壓降，相同數(shù)量的電流將流過(guò)負(fù)載和電阻器。

　　因此，我們可以說(shuō)通過(guò)負(fù)載的電流（電流源）等于通過(guò) MOSFET 的電流，也等于通過(guò)分流電阻器的電流。把它放在一個(gè)數(shù)學(xué)形式，我們得到，

　　流入負(fù)載的電流 = 電壓降 / 分流電阻。

　　如前所述，電壓降將與運(yùn)算放大器的輸入電壓相同。因此，如果輸入電壓發(fā)生變化，通過(guò)負(fù)載的電流源也會(huì)發(fā)生變化。因此，

　　流入負(fù)載的電流 = 輸入電壓 / 分流電阻。

　　設(shè)計(jì)改進(jìn)

　　電阻功率的增加可以改善分流電阻的散熱。要選擇分流電阻的功率，可以使用R w = I 2 R ，其中R w是電阻功率，I是最大源電流，R是分流電阻的值。

　　與 LM358 一樣，許多運(yùn)算放大器 IC 在單個(gè)封裝中具有兩個(gè)運(yùn)算放大器。如果輸入電壓過(guò)低，可以根據(jù)需要使用第二個(gè)未使用的運(yùn)算放大器來(lái)放大輸入電壓。

　　為了改善散熱和效率問(wèn)題，低導(dǎo)通電阻 MOSFET 可以與適當(dāng)?shù)纳崞饕黄鹗褂谩?/p>