如何使用运算放大器设计压控电流源电路

作者：Sourav Gupta

顾名思义，在压控电流源电路中，输入端的少量电压将按比例控制输出负载上的电流。这种类型的电路通常用于电子设备中，用于驱动BJT、SCR等电流控制器件。我们知道，在 BJT 中，流过晶体管基极的电流控制着晶体管闭合的程度，可以提供此基极电流由多种电路组成，一种方法是使用这种压控电流源电路。您还可以检查也可用于驱动电流控制设备的恒流电路。

在这个项目中，我们将解释如何设计和构建使用运算放大器的压控电流源以展示其工作原理。这种压控电流源电路也称为电流伺服。该电路非常简单，可以用最少数量的元件构成。

运算放大器的基础知识

要了解该电路的工作原理，必须了解运算放大器的工作原理。

上图是单个运算放大器。放大器放大信号，但除了放大信号之外，它还可以进行数学运算。运算放大器或运算放大器是 模拟电子的支柱， 用于许多应用，例如 求和放大器、 差分放大器、 仪表放大器、运算放大器积分器等。

如果我们仔细看上图，有两个输入和一个输出。这两个输入有 + 和 - 号。正输入称为同相输入，负输入称为反相输入。

放大器用于工作的第一条规则是使这两个输入之间的差异始终为零。为了更好地理解，让我们看下图 -

上述放大电路是电压跟随器电路。输出连接在负端，使其成为 1 倍增益放大器。因此，输入端提供的电压可用于输出端。

如前所述，运算放大器对两个输入进行微分 0。由于输出连接到输入端，运算放大器将产生与另一个输入端提供的相同电压。因此，如果在输入端提供 5V，当放大器输出连接到负端子时，它将产生 5V，最终证明规则 5V – 5V = 0。放大器的所有负反馈操作都会发生这种情况。

设计压控电流源

按照同样的规则，让我们看看下面的电路。

现在，不是将运算放大器的输出直接连接到负输入，而是从连接在N 沟道 MOSFET上的分流电阻器获得负反馈。运算放大器输出跨过 Mosfet 栅极。

假设在运算放大器的正输入端给出 1V 输入。运算放大器将不惜一切代价使负反馈路径达到 1V。输出将打开 MOSFET 以在负端获得 1V。分流电阻器的规则是根据欧姆定律产生压降，V=IR。因此，如果 1A 的电流流过 1 Ohm 的电阻器，则会产生 1V 的压降。

运算放大器将使用此压降并获得所需的 1V 反馈。现在，如果我们连接一个需要电流控制才能运行的负载，我们可以使用该电路并将负载放置在适当的位置。

运算放大器电压控制电流源的详细电路图可以在下图中找到 -

建造

为了构建这个电路，我们需要一个运算放大器。LM358是一款非常便宜且容易找到的运算放大器，它是该项目的完美选择，但是，它在一个封装中具有两个运算放大器通道，但我们只需要一个。我们之前已经构建了许多基于 LM358 的电路，您也可以查看它们。下图是 LM358 引脚图的概述。

接下来，我们需要一个 N 沟道 MOSFET，因为使用了这个IRF540N，其他 MOSFET 也可以工作，但是如果需要，请确保 MOSFET 封装可以选择连接额外的散热器，并且需要仔细考虑选择合适的规格MOSFET 根据需要。IRF540N 引脚排列如下图所示——

第三个要求是分流电阻。让我们坚持使用 1ohms 2watt 电阻器。需要额外的两个电阻，一个用于 MOSFET栅极电阻，另一个用于反馈电阻。这两个是降低负载效应所必需的。然而，这两个电阻之间的压降可以忽略不计。

现在，我们需要一个电源，它是台式电源。工作台电源中有两个通道可用。其中一个，第一个通道用于为电路提供电源，另一个是第二个通道，用于提供可变电压以控制电路的源电流。由于控制电压是从外部源施加的，因此两个通道需要处于相同的电位，因此第二通道的接地端跨接在第一通道的接地端上。

但是，可以使用任何类型的电位器从可变分压器给出该控制电压。在这种情况下，一个电源就足够了。因此，制作压控可变电流源需要以下元件——

运算放大器 （LM358）
MOSFET （IRF540N）
分流电阻器（1 欧姆）
1k电阻
10k电阻
电源 （12V）
供电单元
面包板和额外的连接线
压控电流源工作

如下图所示，该电路构建在面包板上用于测试目的。电路中未连接负载，使其接近理想的 0 欧姆（短路），用于测试电流控制操作。

输入电压从 0.1V 变为 0.5V，电流变化反映在另一个通道中。如下图所示，0.4V 输入和 0 电流消耗有效地成为第二个通道，在 9V 输出时消耗 400mA 电流。该电路使用 9V 电源供电。

您还可以查看此页面底部的视频以了解详细工作。它的响应取决于输入电压。例如，当输入电压为 0.4V 时，运算放大器将响应在其反馈引脚上具有相同的电压 0.4V。运算放大器的输出开启并控制 MOSFET，直到分流电阻上的电压降变为 0.4V。

欧姆定律适用于这种情况。如果通过电阻器的电流为 400mA （.4A），则电阻器只会产生 0.4V 的压降。这是因为电压 = 电流 x 电阻。因此，.4V = .4A x 1 欧姆。

在这种情况下，如果我们将负载（电阻负载）与原理图中描述的相同，在电源的正极端子和 MOSFET 的漏极引脚之间，运算放大器将打开 MOSFET，并且通过产生与以前相同的电压降，相同数量的电流将流过负载和电阻器。

因此，我们可以说通过负载的电流（电流源）等于通过 MOSFET 的电流，也等于通过分流电阻器的电流。把它放在一个数学形式，我们得到，

流入负载的电流 = 电压降 / 分流电阻。

如前所述，电压降将与运算放大器的输入电压相同。因此，如果输入电压发生变化，通过负载的电流源也会发生变化。因此，

流入负载的电流 = 输入电压 / 分流电阻。

设计改进

电阻功率的增加可以改善分流电阻的散热。要选择分流电阻的功率，可以使用R w = I 2 R ，其中R w是电阻功率，I是最大源电流，R是分流电阻的值。

与 LM358 一样，许多运算放大器 IC 在单个封装中具有两个运算放大器。如果输入电压过低，可以根据需要使用第二个未使用的运算放大器来放大输入电压。

为了改善散热和效率问题，低导通电阻 MOSFET 可以与适当的散热器一起使用。