So entwerfen Sie eine Präzisionsstrompumpe mit Op

In der Schaltungstheorie sind Spannungsquellen und Stromquellen gleichermaßen ideal und gleichermaßen einfach zu implementieren. Sie zeichnen einfach einen Kreis und fügen dann Plus- und Minuszeichen für die Spannung oder einen Pfeil für den Strom hinzu. Jetzt haben Sie ein Schaltungselement, das unter allen Bedingungen eine bestimmte Spannung erzeugt oder unter allen Bedingungen einen bestimmten Strom treibt.

Im wirklichen Leben sind Quellen nicht ideal, und außerdem ist die Annäherung an eine theoretische Spannungsquelle deutlich einfacher als die Annäherung an eine theoretische Stromquelle. Spannungsquellen sind so einfach wie eine Batterie, eine Zenerdiode oder ein ohmscher Spannungsteiler in Kombination mit einem Puffer.

Stromquellen hingegen erfordern in der Regel ein ausgeklügeltes Schaltungsdesign und mehr Aufmerksamkeit für Betriebsdetails.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine Stromquelle zu gestalten. Bevor wir uns eine Topologie mit zwei Operationsverstärkern ansehen, werfen wir einen kurzen Blick auf einige andere Optionen. Mehr zu all diesen Themen erfahren Sie, indem Sie auf die jeweiligen Links klicken.

Ein interessanter Ansatz besteht darin, einen Spannungsregler als Stromregler zu verwenden:

Eine weitere Option ist eine verstärkerbasierte Schaltung, die ich in einem früheren Artikel zum Entwurf einer einfachen, spannungsgesteuerten, bidirektionalen Stromquelle besprochen habe. Eine verstärkerbasierte Schaltung erinnert entfernt an die Zwei-Operationsverstärker-Topologie, aber einer der Verstärker ist eher ein Instrumentenverstärker als ein Operationsverstärker.

Schließlich haben wir noch die Howland-Strompumpe, die in einem AAC-Artikel von Dr. Sergio Franco ausführlich analysiert wurde.

Ich habe diese Schaltung, die als „Präzisionsstrompumpe“ beschrieben wird, in einer alten App-Notiz von Analog Devices gefunden. Es erzeugt einen bidirektionalen Ausgangsstrom, der direkt proportional zur Eingangsspannung ist.

Hier ist der Original-Schaltplan:

Es gibt ein paar Dinge, die mir an dieser Strecke gefallen. Erstens werden nur zwei Arten von Komponenten benötigt: Operationsverstärker und Widerstände.

Zweitens haben die Operationsverstärker die gleiche Teilenummer. Es stimmt, dass diese Schaltung zwei Operationsverstärker verwendet, während die Howland-Pumpe nur einen verwendet, aber die Tatsache, dass beide Operationsverstärker genau das gleiche Teil sein können, ist vorteilhaft, da Sie ein Dual-Operationsverstärker-IC-Paket verwenden und dadurch alles minimieren können Für den zweiten Operationsverstärker sind zusätzliche Kosten oder Platz auf der Platine erforderlich.

Drittens können vier der fünf Widerstände (R2, R3, R4, R5) den gleichen Wert haben, und dann wird die Spannungs-Strom-Verstärkung durch einen Widerstand (R1) gesteuert. Der Wert von R2–R5 ist nicht kritisch, sodass Sie die Schaltung an Komponenten anpassen können, die Sie bereits im Labor haben, oder an eine vorhandene Stückliste. Beachten Sie jedoch, dass Widerstände mit höherer Präzision eine Stromquelle mit höherer Präzision erzeugen.

Viertens ist die Eingangsspannung differenziell. Dies gibt Ihnen eine gewisse Flexibilität bei der Bereitstellung der Steuerspannung und ermöglicht es Ihnen, die bidirektionale Ausgangsstromfähigkeit der Schaltung zu nutzen, ohne eine Steuerspannung erzeugen zu müssen, die bis unter die Erde reicht.

Wir verwenden eine LTspice-Implementierung, um die Stromquelle mit zwei Operationsverstärkern zu analysieren.

Hier verwende ich den „idealen einpoligen Operationsverstärker“ von LTspice. Ich habe es zunächst mit dem OP-77 versucht, aber die Simulation lief nicht richtig. Möglicherweise liegt ein Problem mit dem OP-77-Makromodell vor, da ich eine andere Version der Schaltung habe, die den Operationsverstärker LT1001A verwendet und diese korrekt simuliert.

Schaltungen mit Konstantstromquellen basieren im Allgemeinen auf einer Art Rückkopplung, die bewirkt, dass eine Spannungsquelle unabhängig vom Lastwiderstand einen bestimmten Strom erzeugt. (Ein einfaches Beispiel hierfür ist der spannungsgesteuerte LED-Treiber, den ich für ein Farbsensorprojekt entworfen habe.)

In der Strompumpe mit zwei Operationsverstärkern verstärkt U1 die Differenzsteuerspannung und U2 ist als Spannungsfolger konfiguriert, der die Spannung an der Last erfasst und sie an die Eingangsstufe zurückführt.

Die oben gezeigte Spannungsquellenkonfiguration erzeugt eine Differenzeingangsspannung, die zwischen +250 mV und –250 mV variiert. Gemäß der Gleichung im App-Hinweis sollte der Ausgangsstrom zwischen 2,5 mA und –2,5 mA variieren, da AV = 1 und R1 = 100 Ω, und genau das beobachten wir:

Eine Sache, auf die Sie bei dieser Schaltung achten müssen, ist die U1-Ausgangsspannung. Der gesamte Laststrom kommt von U1. Wenn wir die sehr kleinen Ströme vernachlässigen, die durch den Rückkopplungswiderstand R4 und in den positiven Eingangsanschluss von U2 fließen, ist die Spannung am Ausgangsanschluss von U1 gleich IOUT multipliziert mit der Summe des Lastwiderstands und des Widerstands von R1.

\[V_{OUT,U1}\ approx \left(R_{LOAD}+R1\right)I_{OUT}\]

Diese Spannung kann leicht über dem liegen, was die Ausgangsstufe des Operationsverstärkers tatsächlich erzeugen kann, insbesondere wenn Sie ±3-V- oder ±5-V-Schienen anstelle der analogen Versorgungsspannungen von ±12 V oder ±15 V verwenden, die meiner Meinung nach höher waren früher üblich.

Aufgrund dieser Einschränkung würde ich sagen, dass die Strompumpe mit zwei Operationsverstärkern eine gute Wahl für Anwendungen mit niedrigem Lastwiderstand und/oder kleinen Ausgangsströmen ist.

Wir haben einen kurzen Blick auf eine bidirektionale Stromquellenschaltung geworfen, die über angemessene Stücklistenanforderungen verfügt und eine differenzielle Steuerspannungseingangsstufe enthält. Im nächsten Artikel werden wir LTspice verwenden, um die Leistung der Schaltung detaillierter zu analysieren.