Удобное управление током нагрузки с помощью преобразователя напряжения в ток

Данная статья представляет простой способ точного управления током через светодиод (или через типовую резистивную нагрузку).

Как вы, наверное, заметили, в разработке реальной электроники наблюдается определенное преобладание напряжения над током. Что я имею в виду: источники стабильного напряжения распространены и широко доступны, тогда как для создания чего-либо, приближенного к идеальным источникам тока, которые появляются на теоретических принципиальных схемах, требуются определенные усилия. Следовательно, ток, протекающий через нагрузку, обычно определяется амплитудой приложенного напряжения и вольт-амперными характеристиками нагрузки. В случае обычной резистивной нагрузки связь между током и напряжением – это просто сопротивление. Таким образом, ток равен напряжению, деленному на сопротивление. Если сопротивление нагрузки изменяется, ток нагрузки изменяется пропорционально.

Обычно это нормально, но бывают ситуации, в которых мы хотим напрямую задать ток, независимо от характеристик нагрузки. В таких случаях мы можем использовать преобразователь напряжения в ток (ПНТ, или англоязычный термин, VCC, «voltage-to-current converter»), который по сути является источником тока, управляемым напряжением. Мы генерируем сигнал напряжения обычными методами, а затем используем преобразователь напряжения в ток для формирования тока, который зависит только от этого входного напряжения.

Применения

Я не могу придумать слишком много ситуаций, в которых вам нужно было бы использовать преобразователь напряжения в ток для аккуратного управления током через резистивную нагрузку. На самом деле, на данный момент я не могу ничего придумать (не стесняйтесь оставлять комментарии, если у вас есть мысли на этот счет). Линейный характер соотношения тока и напряжения у резистора делает преобразование тока в напряжение несколько избыточным: (прямое) увеличение напряжения, как правило, имеет тот же эффект, что и использование напряжения для увеличения тока.

Однако нет сомнений в том, что преобразователь напряжения в ток – очень удобная схема, когда вы работаете со светодиодами. Светодиод (как и обычный диод) имеет нелинейную вольт-амперную характеристику, и поскольку количество световой энергии, генерируемой светодиодом, определяется током, протекающим через него, напряжение отнюдь не является прямым способом управления яркостью.

Этот вопрос обсуждается в этом техническом обзоре. Если вы прочитаете этот обзор, то увидите, что в качестве преобразователя напряжения в ток я использовал простую схему на операционном усилителе:

В данной статье я покажу вам другую схему, которая выполняет то же самое. Как они в сравнении между собой? Что ж, в предыдущей схеме используется только один операционный усилитель на светодиод, тогда как в новой используется два, но в наши дни операционные усилители настолько крошечные, что это вряд ли можно считать значительным преимуществом. На самом деле, схема с одним операционным усилителем может даже немного мешать, когда у вас уже есть микросхема с двумя операционными усилителями, потому что вам остается удивительно нетривиальная задача нейтрализовать неиспользуемый усилитель. Я бы не сказал, что одна из этих схем лучше, чем другая, но между ними есть одно важное отличие, которое я объясню в следующем разделе.

Анализ

Ниже показана схема:

Прежде чем переходить к графикам моделирования, рассмотрим принцип действия. Данная схема состоит из двух связанных между собой более или менее повторителей напряжения; Я говорю «более или менее», потому что один из повторителей имеет диод в цепи обратной связи. Нижний повторитель в качестве входного напряжения использует потенциал «земли», поэтому выходное напряжение и, следовательно, напряжение на инвертирующем входе равно 0 В. Это означает, что на нижнем выводе R1 всегда будет на 0 В.

Из упрощения «виртуального короткого замыкания» мы знаем, что два входа операционного усилителя будут иметь одинаковое напряжение. Это означает, что напряжение на верхнем выводе R1 равно управляющему напряжению, и, следовательно, ток через R1 всегда равен V_упр/R1. Но что является источником этого тока? Его, конечно, нельзя получить через инвертирующий вход U1, и единственная другая возможность – это выход U1. Таким образом, ток, текущий с выхода U1, всегда равен V_упр/R1, и, следовательно, ток через светодиод всегда равен V_упр/R1. То же самое было бы применимо, если бы светодиод был заменен резистором или даже катушкой индуктивности. Другими словами, эта схема используется для точного управления током, протекающим через компонент, помещенный в цепь обратной связи U1.

Основное отличие этой схемы от схемы на одном операционном усилителе заключается в следующем: схема с двумя операционными усилителями является дифференциальной, тогда как схема с одним операционным усилителем является несимметричной. В схеме с одним операционным усилителем входное напряжение всегда измеряется относительно земли. Схема с двумя операционными усилителями позволяет управлять током нагрузки с помощью дифференциального напряжения; это показано на следующей принципиальной схеме, где неинвертирующий вход U2 стал вторым входом схемы и теперь не подключен напрямую к земле.

Ниже показана реализация в LTspice, за которой следуют два графика. На первой диаграмме вы можете увидеть только одну кривую, потому что два графика (входное напряжение и ток нагрузки) полностью перекрываются. На второй диаграмме я поместил два графика в отдельных системах координат. Эти графики подтверждают, что ток нагрузки точно соответствует входному напряжению, несмотря на сложные вольт-амперные характеристики диода, и что соотношение между входным напряжением и током нагрузки действительно представляет собой (приятно простое) уравнение, объясненное выше, т.е. I_нагр = V_вх/R1 .

Заключение

В данной статье представлена и объяснена простая, но эффективная схема использования сигнала напряжения для точного управления током через нагрузку. Эта схема более универсальна, чем схема, которую я использовал ранее, потому что она принимает дифференциальное входное напряжение. Однако помните, что не у каждого операционного усилителя есть входы «rail-to-rail» («от шины к шине»); если отрицательное напряжение питания равно 0 В, некоторые операционные усилители не подойдут для версии преобразователя напряжения в ток с несимметричным входом (т.е. соединенным с землей), обсуждаемой в данной статье.

Если вы хотите сэкономить немного времени, вы можете загрузить мою схему LTspice по ссылке ниже.

Теги