電圧制御電流源回路では、その名前が示すように、入力の両端の少量の電圧が、出力負荷の両端の電流を比例的に制御します。このタイプの回路は、BJT、SCRなどの電流制御デバイスを駆動するために電子機器で一般的に使用されます。BJTでは、トランジスタのベースを流れる電流がトランジスタを閉じる量を制御し、このベース電流を供給することができます。多くの種類の回路では、1つの方法はこの電圧制御電流源回路を使用することです。また、電流制御デバイスの駆動にも使用できる定電流回路を確認することもできます。
このプロジェクトでは、オペアンプを使用した電圧制御電流源を設計する方法を説明し、その動作を実証するためにそれを構築します。このタイプの電圧制御電流源回路は、電流サーボとも呼ばれます。回路は非常にシンプルで、最小限のコンポーネントで構成できます。
オペアンプの基本
この回路の動作を理解するには、オペアンプがどのように動作するかを知ることが不可欠です。
上の画像は単一のオペアンプです。増幅器は信号を増幅しますが、信号を増幅する以外に、数学演算も実行できます。OのP-アンプまたはオペアンプ アナログ電子のバックボーンであり、等サミング増幅器、差動増幅器、計装アンプ、オペアンプ積分器などの多くの用途で使用され
上の画像をよく見ると、2つの入力と1つの出力があります。これらの2つの入力には、+記号と-記号があります。正の入力は非反転入力と呼ばれ、負の入力は反転入力と呼ばれます。
アンプが機能するために使用される最初のルールは、これら2つの入力の差を常にゼロにすることです。理解を深めるために、以下の画像を見てみましょう-
上記のアンプ回路は電圧フォロワ回路です。出力はマイナス端子に接続され、1倍ゲインアンプになっています。したがって、入力の両端に与えられた電圧は、出力の両端で利用できます。
前に説明したように、オペアンプは両方の入力0を区別します。出力が入力端子の両端に接続されているため、オペアンプは他の入力端子の両端に供給されるのと同じ電圧を生成します。したがって、入力に5Vが与えられると、アンプの出力が負の端子に接続されると5Vが生成され、最終的に5V – 5V = 0のルールが証明されます。これはアンプのすべての負のフィードバック動作で発生します。
電圧制御電流源の設計
同じルールで、以下の回路を見てみましょう。
これで、負の入力に直接接続されたオペアンプの出力の代わりに、負のフィードバックがNチャネルMOSFETの両端に接続されたシャント抵抗から得られます。オペアンプの出力は、MOSFETゲートの両端に接続されています。
オペアンプの正入力の両端に1V入力が与えられていると仮定しましょう。オペアンプは、どんな犠牲を払っても負帰還経路を1Vにします。出力はMOSFETをオンにして、負端子の両端に1Vを取得します。シャント抵抗の規則は、オームの法則に従って降下電圧を生成することです、V = IR。したがって、1オームの抵抗に1Aの電流が流れると、1Vの降下電圧が発生します。
オペアンプはこの降下電圧を使用して、必要な1Vフィードバックを取得します。これで、動作に電流制御が必要な負荷を接続すれば、この回路を使って適切な場所に負荷を置くことができます。
オペアンプ電圧制御電流源の詳細な回路図は、以下の画像にあります–
建設
この回路を構築するには、オペアンプが必要です。LM358は非常に安価で、見つけやすいオペアンプであり、このプロジェクトに最適です。ただし、1つのパッケージに2つのオペアンプチャネルがありますが、必要なのは1つだけです。私たちは以前に多くのLM358ベースの回路を構築しました。それらをチェックすることもできます。以下の画像は、LM358のピン配列の概要です。
次に、NチャネルMOSFETが必要です。このIRF540Nを使用すると、他のMOSFETも機能しますが、必要に応じて追加のヒートシンクを接続するオプションがMOSFETパッケージにあることを確認し、適切な仕様を選択するために慎重に検討する必要があります。必要に応じてMOSFET。IRF540Nのピン配列を下の画像に示します–
3番目の要件はシャント抵抗です。1オーム2ワットの抵抗器に固執しましょう。追加の2つの抵抗が必要です。1つはMOSFETゲート抵抗用で、もう1つはフィードバック抵抗用です。これら2つは、負荷の影響を減らすために必要です。ただし、これら2つの抵抗間の低下はごくわずかです。
今、私たちは電源が必要です、それはベンチ電源です。ベンチ電源には2つのチャネルがあります。それらの1つは、最初のチャネルが回路に電力を供給するために使用され、もう1つは、回路のソース電流を制御するための可変電圧を提供するために使用される2番目のチャネルです。制御電圧は外部ソースから印加されるため、両方のチャネルが同じ電位である必要があります。したがって、2番目のチャネルの接地端子は最初のチャネルの接地端子の両端に接続されます。
ただし、この制御電圧は、任意の種類のポテンショメータを使用して可変分圧器から与えることができます。このような場合、単一の電源で十分です。したがって、電圧制御の可変電流源を作成するには、次のコンポーネントが必要です。
- オペアンプ（LM358）
- MOSFET（IRF540N）
- シャント抵抗（1オーム）
- 1k抵抗
- 10k抵抗
- 電源（12V）
- 電源ユニット
- ブレッドボードと追加の接続線
電圧制御電流源の動作
下の画像に示すように、回路はテスト目的でブレッドボードに構築されています。負荷は回路に接続されていないため、電流制御動作をテストするためにほぼ理想的な0オーム（短絡）になっています。
入力電圧が0.1Vから0.5Vに変更され、電流の変化が他のチャネルに反映されます。下の画像に見られるように、電流が0の0.4V入力は、9V出力で400mAの電流を引き出すために効果的に2番目のチャネルになります。回路は9V電源を使用して電力を供給されます。
このページの下部にあるビデオで詳細な作業を確認することもできます。入力電圧に応じて応答します。たとえば、入力電圧が.4Vの場合、オペアンプはフィードバックピンに同じ電圧.4Vを持つように応答します。オペアンプの出力がオンになり、シャント抵抗の両端の電圧降下が.4VになるまでMOSFETを制御します。
このシナリオでは、オームの法則が適用されます。抵抗を流れる電流が400mA（.4A）の場合、抵抗は.4Vの降下のみを生成します。これは、電圧=電流x抵抗であるためです。したがって、.4V =.4A x1オーム。
このシナリオでは、回路図で説明したように負荷（抵抗負荷）を直列に接続すると、電源の正端子とMOSFETのドレインピンの間に、オペアンプがMOSFETと以前と同じ電圧降下を生成することにより、同じ量の電流が負荷と抵抗を流れます。
したがって、負荷を流れる電流（電流が供給される）は、MOSFETを流れる電流に等しく、シャント抵抗を流れる電流にも等しいと言えます。私たちが得る数学的形式でそれを置くと、
負荷に供給される電流=電圧降下/シャント抵抗。
前に説明したように、電圧降下はオペアンプの両端の入力電圧と同じになります。したがって、入力電圧が変化すると、負荷を流れる電流源も変化します。したがって、
負荷に供給される電流=入力電圧/シャント抵抗。
設計の改善
- 抵抗器のワット数を増やすと、シャント抵抗器全体の熱放散を改善できます。シャント抵抗のワット数を選択するには、R w = I 2 Rを使用できます。ここで、R wは抵抗のワット数、Iは最大ソース電流、Rはシャント抵抗の値です。
- LM358と同様に、多くのオペアンプICには1つのパッケージに2つのオペアンプが含まれています。入力電圧が低すぎる場合は、2番目の未使用のオペアンプを使用して必要に応じて入力電圧を増幅できます。
- 熱と効率の問題を改善するために、適切なヒートシンクとともに低オン抵抗MOSFETを使用できます。