Источник тока прецизионный: Как разработать прецизионный источник тока на операционных усилителях

Как разработать прецизионный источник тока на операционных усилителях

Добавлено 17 ноября 2020 в 06:55

В данной статье обсуждается схема источника тока, управляемого напряжением, для которой требуются всего два операционных усилителя и несколько резисторов.

В теории цепей источники напряжения и источники тока одинаково идеальны и одинаково просты в реализации. Вы просто рисуете круг, а затем добавляете знаки плюс и минус для напряжения или стрелку для тока. Теперь у вас есть элемент схемы, который генерирует заданное напряжение во всех условиях или обеспечивает заданный ток во всех условиях.

В реальной жизни источники не идеальны, и, кроме того, приблизиться к теоретическому источнику напряжения значительно проще, чем к теоретическому источнику тока. Источники напряжения бывают простыми, такими как аккумулятор, стабилитрон или резистивный делитель напряжения в сочетании с буфером.

Источники тока, напротив, обычно требуют некоторой продуманной схемы и большего внимания к деталям своей работы.

Архитектуры источников тока

Для создания источника тока существуют различные способы. Прежде чем мы рассмотрим схему с двумя операционными усилителями, давайте кратко рассмотрим некоторые другие варианты. Вы можете узнать обо всех них подробнее, кликнув на соответствующие ссылки.

Первый интересный подход – использовать стабилизатор напряжения в качестве стабилизатора тока:

Рисунок 1 – Схема применения LT3085, взята из технического описания LT3085

Другой вариант – схема на основе усилителя, которую я обсуждал в предыдущей статье о том, как разработать простой, управляемый напряжением, двунаправленный источник тока. Схема на основе усилителя отдаленно напоминает схему с двумя операционными усилителями, но один из усилителей представляет собой не операционный усилитель, а измерительный (инструментальный усилитель).

Рисунок 2 – Схема источника тока, управляемого напряжением. взята из технического описания LT1102

Наконец, у нас есть источник тока Хауленда, который был тщательно проанализирован в статье, написанной доктором Серджио Франко.

Рисунок 3 – Схема источника тока Хауленда

Схема с двумя операционными усилителями

Я нашел эту схему, которая описывается как «прецизионный источник ток», в старой заметке к применению от Analog Devices. Она производит ток на двунаправленном выходе, прямо пропорциональный входному напряжению.

Ниже показана принципиальная схема:

Рисунок 4 – Схема прецизионного источника тока

В этой схеме мне нравятся несколько вещей. Во-первых, необходимы только два типа компонентов: операционные усилители и резисторы.

Во-вторых, используются операционные усилители одинаковой модели. В этой схеме используются два операционных усилителя, тогда как в источнике Хауленда используется только один. Но тот факт, что оба операционных усилителя могут быть одной модели, является преимуществом, потому что вы можете использовать микросхему с двумя операционными усилителями и тем самым минимизировать любые расходы (дополнительная стоимость и место на плате) для второго операционного усилителя.

В-третьих, четыре из пяти резисторов (R2, R3, R4, R5) могут иметь одинаковые номиналы, и тогда коэффициент усиления по отношению тока к напряжению регулируется только одним резистором (R1). Номинал R2–R5 не является критическим, и поэтому вы можете адаптировать схему к компонентам, которые у вас уже есть в лаборатории. Однако имейте в виду, что резисторы более высокой точности будут давать в результате более точный источник тока.

В-четвертых, входное напряжение дифференциальное. Это дает вам некоторую гибкость в том, как вы подаете управляющее напряжение, и это позволяет вам использовать возможности двунаправленного выхода тока схемы без необходимости генерировать управляющее напряжение, которое находится ниже уровня земли.

Основы работы источника тока с двумя операционными усилителями

Чтобы проанализировать источник тока на двух операционных усилителях, мы будем использовать его реализацию в LTspice.

Рисунок 5 – Источник тока на двух операционных усилителях. Схема LTspice

Здесь я использую «идеальный однополюсный операционный усилитель» из LTspice. Сначала я попробовал это с OP-77, но симуляция не прошла должным образом. Возможно, возникла проблема с макромоделью OP-77, потому что у меня есть другая версия схемы, в которой используется операционный усилитель LT1001A, и она моделируется правильно.

Схемы источника постоянного тока обычно полагаются на некоторый тип обратной связи, который заставляет источник напряжения вырабатывать заданный ток независимо от сопротивления нагрузки (простой пример этого вы можете увидеть в управляемом напряжением светодиодном драйвере).

В источнике тока с двумя операционными усилителями U1 усиливает дифференциальное управляющее напряжение, а U2 сконфигурирован как повторитель напряжения, который измеряет напряжение на нагрузке и подает его обратно на входной каскад.

Показанная выше конфигурация источников напряжения создает дифференциальное входное напряжение, которое изменяется от +250 мВ до –250 мВ. Согласно уравнению, приведенному в примечании к применению, выходной ток должен изменяться от 2,5 мА до –2,5 мА, поскольку A_V = 1 и R1 = 100 Ом, и это именно то, что мы наблюдаем:

Рисунок 6 – Зависимость выходного тока от входного дифференциального напряжения

Одна вещь, на которую вам нужно обратить внимание в этой схеме, – это выходное напряжение U1. Весь ток нагрузки исходит от U1. Если пренебречь очень небольшими токами, которые протекают через резистор обратной связи R4 и на неинвертирующий вход U2, напряжение на выходе U1 будет равно I_вых, умноженному на сумму сопротивления нагрузки и сопротивления R1.

\(V_{вых,U1}\approx \left(R_{нагр}+R1\right)I_{вых}\)

Это напряжение может легко превысить то, что фактически может генерировать выходной каскад операционного усилителя, особенно если вы используете шины ±3 В или ±5 В, а не аналоговые напряжения питания ±12 В или ±15 В, которые, как я полагаю, раньше были более распространены.

Из-за этого ограничения я бы сказал, что источник тока с двумя операционными усилителями является подходящим выбором для приложений с низким сопротивлением нагрузки и/или небольшими выходными токами.

Заключение

Мы кратко рассмотрели схему двунаправленного источника тока, которая имеет разумные требования к перечню элементов и включает в себя входной каскад дифференциального управляющего напряжения. В следующей статье мы будем использовать LTspice для более подробного анализа производительности этой схемы.

Связанная информация

• Анализ характеристик прецизионного источника тока в LTspice
• Моделирование источника тока при погрешностях сопротивлений резисторов и изменяющейся температуре
• Влияние напряжения смещения на точность источника тока

Оригинал статьи:

• Robert Keim. How to Design a Precision Current Pump with Op-Amps

Теги

LTspiceИсточник токаМоделированиеОУ (операционный усилитель)Стабилизатор токаСхемотехникаУправление с помощью напряжения

Прецизионные источники тока для нанесения драг металлов — Источники тока

Туггл-Нав

Отдел продаж
shop@magistr-store. ru

Меню

Учётная запись

Настройки

Валюта

RUB

• GBP — британский фунт стерлингов
• EUR — евро
• JPY — японская иена
• USD — доллар США

Тип сортировки

Позиция
Название
Цена
Сортируется по возрастанию. Установить по убыванию

Вид

Сетка

Список

14 Артикулы

Показать

15
30
Все

на странице

Тип сортировки

Позиция
Название
Цена
Сортируется по возрастанию. Установить по убыванию

Вид

Сетка

Список

14 Артикулы

Показать

15
30
Все

на странице

Фильтр

Доступные параметры

Производитель

1. Магистр 14
   позиция

Как создать прецизионный источник тока с помощью DS4303 или DS4305

Скачать PDF

Abstract

В данных рекомендациях по применению описывается, как использовать микросхемы выборки напряжения и бесконечного хранения DS4303/DS4305 для создания источника тока (или приемника), который является точным и очень гибким, но недорогим и простым в реализации.

Введение

Иногда приложению требуется регулируемый источник тока (или приемник) для управления или смещения другой функции системы. Регулировка такого тока выполняется только один раз в течение срока службы приложения, особенно во время заводской настройки/калибровки. Существующие варианты установки тока включают ручной подбор резисторов, регулировку потенциометра или использование ЦАП. Все эти варианты являются дорогостоящими либо по стоимости компонентов, либо по стоимости калибровки.

Для других приложений может потребоваться очень гибкий источник тока, который должен реализовывать как большие диапазоны тока (с умеренной точностью), так и узкие диапазоны (с очень высокой точностью), но при этом быть достаточно простым, чтобы поддерживать надежность системы.

Решение проблемы

Чтобы преобразовать прецизионное выходное напряжение DS4303/DS4305 в источник тока, в схеме требуется всего три дополнительных компонента: операционный усилитель, транзистор и резистор (рис. 1). Используя самые недорогие доступные детали, дополнительная схема преобразует выходное напряжение DS4303/DS4305 в независимый источник тока, используя обратную связь операционного усилителя. Пока транзистор остается смещенным правильно, источник тока будет управляемым и точным (рис. 2). Потенциальные источники ошибок, такие как большое напряжение смещения операционного усилителя, низкий коэффициент усиления транзистора или токи утечки, будут обнулены в процессе настройки DS4303/DS4305. После завершения процедуры регулировки V _IN можно оставить плавающим, и результирующий ток I _OUT останется на желаемом значении.

Рис. 1. Простая схема для реализации точного источника тока с использованием DS4303 и нескольких недорогих компонентов.

Рис. 2. Простая схема для реализации точного стока тока с использованием DS4303 и нескольких недорогих компонентов.

В приведенной выше схеме резистор R следует выбирать тщательно, не только для установки диапазона тока, но и для обеспечения того, чтобы транзистор работал в своем линейном диапазоне. Определенные настройки тока выше определенной точки в верхней части диапазона тока могут привести к насыщению транзистора, что приведет к уменьшению максимального тока. И наоборот, если операционный усилитель использует V _CC и GND в качестве его шин, то настройки тока на нижнем конце диапазона тока могут привести к недостаточному напряжению для преодоления порога транзистора. В этом случае транзистор выключится. Чтобы предотвратить это, операционный усилитель должен обеспечивать слегка отрицательное напряжение, чтобы продолжать работу в диапазоне минимального тока. Несмотря на эти недостатки, эта схема по-прежнему будет отлично работать в диапазоне более 80% от идеального диапазона тока.

Принимая во внимание неидеальное поведение транзистора, R можно рассчитать, чтобы установить желаемый диапазон и точность. После установки R, DS4303/DS4305 V _IN напряжение можно отрегулировать для установки выходного тока. В следующей таблице приведены некоторые примеры параметров, которые связывают R с текущим диапазоном и точностью.

DS4303 Минимум В ВЫХОД (В)	DS4303 Максимум В ВЫХОД (В)	Ом (Ом)	Максимум I ВЫХОД * (мА)	Минимум I ВЫХ (мА)	Диапазон тока (мА)	Точность тока ±(мА)
0,3	3,3	30	110	10	100	0,033333
0,3	3,3	100	33	3	30	0,01
0,3	3,3	1000	3,3	0,3	3	0,001
0,3	3,3	10000	0,33	0,03	0,3	0,0001
0,3	3,3	100000	0,033	0,003	0,03	0,00001
*Использование идеальных компонентов.

Заключение

В этом примечании по применению описывается, как использовать DS4303/DS4305 для создания недорогого гибкого источника тока, способного подавать или потреблять ток. Отрегулировать выход источника тока так же просто, как подать напряжение на V 9 вольт DS4303/DS4305.0018 IN штифт и переключатель ADJ. Эту процедуру можно повторять до тех пор, пока не будет достигнуто правильное значение выходного тока.

мощность — *Очень* высокая точность, *очень* стабильный источник тока

Во-первых, вам не нужен прецизионный источник тока. Причина в том, что, по сути, источник тока работает, измеряя ток через резистор, а затем замыкает петлю обратной связи вокруг измерения тока и прецизионного источника напряжения. Поскольку вы хотите измерять только ток (и, следовательно, заряд) через вашу нагрузку, вам не нужно точное опорное напряжение. Вы можете использовать довольно небрежный источник, если точно измеряете ток.

Итак, как вы измеряете ток? Ну, это (в принципе) довольно просто. Вы просто измеряете напряжение на резисторе, включенном последовательно с нагрузкой, обычно называемом шунтирующим резистором. Конечно, вы не указали, что требуется крайняя стабильность на текущем уровне, и если это так, вам нужно об этом беспокоиться.

К сожалению, вы довольно много откусили своими требованиями. Вам нужен довольно высокий ток для вашей стабильности. Это сыграет с вашими требованиями веселую шутку, так как самонагревание станет основным игроком. Начнем с базовой системы. Предположим, вам нужен 1 вольт на вашем шунте при полном токе. Тогда рассеиваемая мощность составит 1/2 Вт, а целевое сопротивление — 2 Ом. Это вызовет значительный самонагрев резистора. Перейдите на сайт digikey.com и начните искать резисторы с низкой температурой сопротивления. Давайте посчитаем, используя единицы измерения 10 ppm/градус C. Ограничив поиск резисторами, имеющимися на складе, вы заметите, что доступные более мощные блоки по-прежнему имеют мощность менее 1/2 Вт, и их, как правило, нет в наличии, при минимальной покупке 4000 единиц (правда, по 40 центов за штуку). поп, но это все еще около 1600 баксов). Хуже того, они имеют высокие значения сопротивления.

Как только вы доберетесь до 1/8 Вт, вы сможете найти устройства с сопротивлением 10 Ом. Если вы подключите 5 параллельно, вы получите 2 Ом при 0,625 Вт. Однако это будет беспроигрышным вариантом. Отдельные резисторы рассчитаны на температуру 70°С или на 50° выше температуры окружающей среды. Это, конечно, приведет к номинальному тепловому дрейфу 500 частей на миллион. На самом деле, если бы вы их нашли, вам бы понадобились отдельные темпы около 0,2 промилле.

Имея это в виду, проверьте https://www.digikey.com/products/en/resistors/chip-resistor-surface-mount/52?k=&pkeyword=&pv2085=u10+Ohms&pv2=4&FV=ffe00034%2C4400c9&mnonly=0&ColumnSort=0&page=1&stock=1&quantity=0&ptm=0&fid=0&pageSize=25 и вы найдете 0,2 ppm/градус, 10 Ом, 1/4 Вт. ХОРОШО. Мало того, что TCR низкий, PCR составляет 5 ppm при 70°C. Конечно, проглатывание половины вашего бюджета ошибок в одном источнике просто напрашивается на неприятности, но это, как правило, часть игры, когда вы делаете что-то по дешевке. Есть очень веская причина, по которой текущие источники, на которые вы смотрели, стоят так дорого. Конечно, они (указанные резисторы) обойдутся вам примерно в 50-60 баксов. Это проблема? Это «дешево»?

Что ж, это определенно намного дешевле, чем источник тока, который вы рассматривали. И, безусловно, неплохо подумать о правильном охлаждении вашего шунта, но это в любом случае будет хорошей идеей.

И пока мы на этом, вы должны знать, что ваши требования к счетчику выходят за обычные рамки дешевого. Вам требуется не менее 0,001% линейности и не менее 5 1/2 цифр цифрового мультиметра. Если вы собираетесь создавать собственный аналого-цифровой преобразователь, вам потребуется как минимум 17 бит.

И такой широкий динамический диапазон и высокая точность подразумевают чувствительность к входному шуму, о которой вам нужно знать. Конечно, если все, что вы хотите сделать, это сложить сэмплы, вы получите значительное усреднение шума, хотя в этом случае более высокая частота дискретизации лучше, чем низкая.

Ни в том, ни в другом случае не понятно, зачем нужна такая низкая скорость сбора данных. Конечно, это много данных, но если вы не собираетесь проводить измерения посменно, 200 часов данных — это всего лишь 720 000 секунд. Предполагая 10 байтов на образец, это всего лишь размер файла 7,2 Мбайт. Даже скромная FAT32 может хранить примерно в 500 раз больше. С другой стороны, даже предполагая 10 секунд на выборку, вы действительно собираетесь вручную обрабатывать 72 тысячи точек данных? на несколько установок? Трудно представить, почему нет смысла автоматизировать как сбор данных, так и их обработку. По крайней мере, вы можете сделать простой подсчет в Excel почти тривиально.

Я склонен согласиться с Тони Стюартом, что это проект не для новичков. Если вам абсолютно необходимо сделать это самостоятельно, я бы выбрал хорошо сконструированный шунт, а затем обратился бы к коммерческому сбору данных от такой компании, как Measurement Computing. Вы можете получить 8-канальный 24-битный DAQ с программным обеспечением, которое будет делать 2 выборки в секунду, за чуть более 400 долларов. Входное смещение tempco составляет менее 0,5 мкВ/градус, поэтому вам, возможно, не придется думать о климат-контроле для вашего оборудования. С другой стороны, коэффициент усиления tempco составляет порядка 4 частей на миллион/градус, так что, вероятно, так оно и есть.

РЕДАКТИРОВАТЬ. Вместо того, чтобы использовать комментарии для ответа на комментарии, я расширяю этот ответ.

Возможно, я неправильно понял ваши требования. Насколько я понимаю ваш пост, вас интересует общий заряд, протекающий через ваши нагрузки. Вы ничего не сказали о различии между током в нагрузке и током через шунтирующий резистор. Другими словами, вы создали впечатление, что входной ток нагрузки равен выходному току нагрузки, и если вы измеряете одно, вы измеряете и другое. В этих обстоятельствах нет необходимости в точном источнике, по крайней мере, не в том смысле, в каком вы, кажется, думаете. Если вы измерите ток до 10 частей на миллион, это лучшее, что вы можете сделать. Если он несколько различается между образцами, то, пока это изменение не коррелирует с интервалом выборки, все это окажется бесполезным.

С одной стороны да, стабильность на каком-то уровне нужна. Однако моя точка зрения заключалась в том, что это не должно быть так здорово, как вы думаете. Да, если текущий уровень меняется со временем, необходимо это отслеживать. Однако, если изменения (которые можно считать шумом) не коррелируют со временем выборки, длинные прогоны данных будут усреднять этот шум. Другими словами, проблемы со стабильностью будут иметь тенденцию отфильтровываться в течение рассматриваемых длительных периодов времени. В принципе, всегда есть возможность накапливания ошибок, но это не должно быть большой проблемой. А стабильность в данном случае означает стабильность в течение 10 секунд, что несложно сделать.

И я должен определить свои условия, особенно стабильность. 0,01% (100 ppm) в источнике тока не так сложно и дорого, хотя 0,1% намного проще. И если вы используете тип низкотемпературного шунта, который я предложил, вы можете использовать это напряжение для управления источником тока, а опорное напряжение становится ограничивающим фактором, за которым следует смещение усилителя.