Una fuente de precisión actual es un bloque de construcción fundamental en electrónica de laboratorio, permitiendo a ingenieros e investigadores ofrecer una corriente estable y controlada a una carga independientemente de las variaciones de la resistencia a la carga. Los amplificadores operativos (amplificadores) proporcionan un camino elegante para lograr esta precisión, aprovechando su alto rendimiento, baja compensación y versatilidad. Este artículo explora el diseño, construcción y optimización de un rendimiento de laboratorio de corriente de uso confiable.

Comprender las fuentes actuales constantes

Una fuente de corriente ideal mantiene una salida actual especificada independientemente del voltaje en sus terminales. En la práctica, las fuentes de corriente real tienen impedancia de salida finita y un rango de voltaje de cumplimiento limitado. La impedancia de salida determina qué tan bien rechaza los cambios de carga; mayor impedancia produce mejor comportamiento constante. El voltaje de cumplimiento define el voltaje máximo que la fuente puede desarrollar mientras que regula la corriente.

El principio básico consiste en detectar la corriente a través de un resistor y utilizar retroalimentación negativa para estabilizarla. Al controlar el voltaje a través de un resistor sentido conocido, la corriente está establecida por la ley de Ohm: I = V/R. Cualquier deriva en resistencia a la carga hará que el op2 ajuste su voltaje de salida para mantener la tensión de resistencia sensorial constante, manteniendo así la impedancia de salida del circuito es efectivamente la resistencia multiplicidad

Iout = Vref / R]sense

V[LT] Vcompl es el voltaje máximo de la carga bajo regulación, limitado por los carriles de suministro de la op y su capacidad de oscilación de salida. Por ejemplo, con un suministro de > 177;15 V y una corriente de 10 mA a través de 1 k Puls#937; carga, el voltaje a través de la carga sería de 10 VLT[LT]

Por qué Op Amps Excel en el diseño actual de fuentes

Los amplificadores operativos son ideales para los circuitos de fuente actuales debido a varios atributos clave:

  • Alto aumento de apertura] — Esto minimiza el error en el bucle de retroalimentación, asegurando que el voltaje en el resistor de sentido siga precisamente la referencia.
  • Tensión offset de entrada — Los amplificadores de operaciones de precisión modernos como el OPA277 tienen desplazamientos de tensión por debajo de 100 > 956;V, reduciendo errores de corriente sistemática.
  • Corriente de sesgo de entrada — Amplificadores de entrada FET (por ejemplo, TL071) obtienen corriente insignificante del nodo de referencia, mejorando la precisión.
  • Excelente estabilidad de temperatura — Muchos amplificadores de operaciones se especifican sobre amplios rangos de temperatura, esenciales para mediciones de laboratorio repetibles.
  • ]Design flexibility — Los amplificadores de opción se pueden configurar en múltiples topologías (por ejemplo, carga flotante o terrestre) para adaptarse a diferentes configuraciones experimentales.

Si bien el clásico LM741 es adecuado para demos básicos, el trabajo de laboratorio de precisión se beneficia de dispositivos más modernos. La elección de op amp debe considerar parámetros como ratio de rechazo de la fuente de alimentación (PSRR), relación de rechazo de moda común (CMRR), y capacidad de la unidad de salida. Para la detección de corriente de alta cara, se puede utilizar una configuración de amplificador de diferencia, pero la topología básica supone una carga molida.

Selección de componentes para el rendimiento de grado-bário

La selección de los componentes adecuados es fundamental para lograr la precisión y estabilidad de la corriente deseada. Cada componente debe ser elegido para minimizar errores de deriva, ruido y tolerancia.

El amplificador operativo

Para uso de laboratorios de uso general, el TL071 ofrece entradas JFET con bajo nivel de ruido actual y bajo. Para mayor precisión, considere el OPA277 o ]

El Resistor del Sentido

El medidor de sentido convierte la corriente a la tensión para la retroalimentación. Su precisión afecta directamente al punto de ajuste actual. Usar un resistor con un coeficiente de baja temperatura (por ejemplo, > 177;25 ppm/ desplazar#176;C o mejor) y tolerancia ajustada (0,1% o inferior).

Fuente de Voltaje de Referencia

El voltaje de referencia#95 determina la corriente de conjunto. Una referencia estable es esencial. Utilizar una referencia de tensión de precisión como la serie LM40 o REF33xx, o crear un dividedor de tensión de un suministro de energía regulado. Para experimentos que requieren corriente variable, un imprevisible de potencia de baja potencia

Fuente de alimentación

La mayoría de los amplificadores de op requieren un suministro dual (por ejemplo, > 177;15 V) para el oscilación de salida simétrica. Sin embargo, la operación de un solo soporte es posible con dispositivos de ferrocarril a carril. Asegúrese de que el voltaje de suministro es suficientemente superior al voltaje de cumplimiento para evitar la saturación. Por ejemplo, un suministro de > 177;13 V puede soportar un rango de regulación de cumplimiento de suministro de bajo >

Diseño de circuitos: La topología de la fuente actual básica

La configuración de fuente de corriente op-amp más común es la fuente de corriente controlada por tensión (VCCS) utilizando un resistor de sentido en el circuito de retroalimentación. El amplificador de op fuerza el voltaje en su entrada de inversión para igualar el voltaje de referencia en la entrada no invertida. Dado que la entrada invertida está conectada a la unión del sentido resistor y el voltaje.

Iout = Vref / R]sense

[LT] [LT] [LT] [F] [L] de la red de salida [LT] [LT] [L] [L]] [L] [L]] [L] [L]] [L] [L]] [L]] [L]] [L]] [L]]]

Ejemplo de diseño: 10 mA Fuente actual de precisión

V.L. [LT] [10] V.L. = 10 V.E.U. [F.] [F.]] [V.] [V.]] [V.]] [V.] [V.]] [V.]

Estabilidad e indemnización

Las fuentes de corriente de la opción pueden oscilar debido a cargas capacitivas o parasitarias. Para asegurar la estabilidad, añadir un pequeño resistor (por ejemplo, 50–100 > #937;) en serie con la salida antes del resistor del sentido, y un pequeño condensador (por ejemplo, 10–100 pF) de la salida a la entrada de inversión para la compensación de fase.

Guía de construcción paso a paso

Construye el circuito en una tabla de pan o prototipo. Usar cableado corto, directo para minimizar la inductancia y el ruido parasitarios. Siga el pinout de su op (por ejemplo, TL071 pinout: 1 null offset, 2 entrada de inversión, 3 entrada no de inversión, 4 V-, 5 null offset, 6 salida, 7 V+, 8 NC).

  1. Conectar los pines de potencia de op amp: pin 7 a +15 V y pin 4 a −15 V. Añadir 0.1 μF condensadores de bypass de cada pin de suministro a tierra, colocados lo más cerca posible a los pines. Además, añadir un condensador electrolítico 10 > 956;F de cada carril de suministro a tierra para descolchado de granel.
  2. Conecte la entrada no invertido (pin 3) a la fuente de tensión de referencia. Si se utiliza un divider de tensión de la fuente de alimentación, utilice resistencias de precisión (por ejemplo, 0,1%) y amortiguar la salida con una amplificación de operación de unidad si es necesario para evitar la carga.
  3. Conectar la entrada de inversión (pin 2) a la unión del resistor sensorial y la carga.
  4. Coloque el resistor de sentido (100 > 937; 0,1%, 1/4 W) entre la salida de la salida de la op (pin 6) y la carga.
  5. Conectar el resistor de carga (por ejemplo, 100 > 937; 1 W) entre el resistor sensorial y el suelo. Para la prueba inicial, utilice un resistor de potencia que pueda manejar la disipación esperada.
  6. Aplicar potencia y verificar la corriente utilizando un multimetro en serie con la carga. Establecer el multimetro a modo actual (por ejemplo, 200 mA rango) e insertarlo en serie entre el resistor sensorial y la carga.
  7. Medir el voltaje a través de la resistencia sensorial con un voltímetro. Debe igualar V]ref dentro de la tolerancia de la resistencia y el offset. Para el ejemplo de diseño, V]sense debe ser 1.0 V >177; la tolerancia combinada de la referencia y resistor.

Solución de trazos: Si la corriente no es como se espera, compruebe las oscilaciones en la salida con un osciloscopio. Agregue un condensador de 100 pF de salida a la entrada de invertido para estabilizar. También verifique el voltaje de referencia en la entrada no invertido. Utilice un diseño de baja ruido; mantenga el bucle de retroalimentación corto para minimizar la capacitancia parasitica.

Calibración y ajustes

Para ajustar la corriente a un valor preciso, utilice un potenciómetro de trimmer multitorno para establecer el voltaje de referencia. Por ejemplo, utilice un 10 k plaga#937; trimmer a través de una referencia estable de 2,5 V (por ejemplo, LM4040-2.5) para dividirse en el Vref deseado.

Los efectos de temperatura se pueden minimizar seleccionando componentes con coeficientes de baja temperatura. La deriva offset de la op amp (típicamente ⁇ 1 >956;V/ciente#176;C) y la TCR de la resistencia sensorial (actuar 25 ppm/cl#176;C) contribuyen. Para la estabilidad de grado de laboratorio, considere el uso de una red de resistencia de precisión con TCR.

Aplicaciones de laboratorio prácticos

Una fuente de corriente op-amp es indispensable en muchos experimentos de laboratorio. Su capacidad para proporcionar una corriente estable y ajustable lo convierte en una herramienta versátil para una amplia gama de mediciones.

  • Pruebas y caracterización LED — Conduzca LEDs con corriente constante para medir intensidad y eficiencia luminosas. El circuito puede barrer la corriente utilizando un DAC y registrar la relación voltaje-voltaje hacia adelante.
  • Sesgo de los sensores] — Muchos sensores (por ejemplo, los termoductores, fotodiodes) requieren una corriente estable de sesgo para la salida lineal. Por ejemplo, sesgo un termistor con 100 > 956;A para la medición precisa de temperatura.
  • ] Medición de detección de temperaturas (RTD)] — Las corrientes de excitación para las RTD deben ser estables y suficientemente bajas para evitar el autocalentamiento (normalmente 1 mA por 100 >#937; RTD).
  • Electroquímica] — Potentiostats y galvanostats para voltammetría cíclica utilizan fuentes de corriente de precisión para conducir la célula electroquímica.
  • Tracing de curvas transistoras — Corriente de base constante de suministro para medir las características de coleccionista en un trazador de curvas.
  • Espectroscopia de imagen — Usa una fuente actual para inyectar una corriente AC o DC conocida en un material y medir la respuesta de tensión a través de la frecuencia.
  • Calibración de los medidores actuales — Generar corrientes conocidas para calibrar los amímetros y las sondas actuales con alta precisión.

Topologías avanzadas para el rendimiento mejorado

Para aplicaciones más exigentes, considere estos circuitos avanzados que mejoran la precisión, la impedancia de salida o el rango actual.

Bomba de corriente de tierra

La bomba de corriente Howland (también conocida como una fuente de corriente controlada con carga flotante) utiliza una amplificación op con una red de resistor equilibrada para conducir una carga que no está directamente fijada. La impedancia de salida es muy alta (típicamente √10 M cl#937;) sobre un amplio rango de frecuencias.El circuito requiere cuatro resistores con alta precisión (0,1% de emparejamiento) para mantener el rechazo de la ecuación electroquímica.

Corriente de salida mejorada con transistores discretos

Para lograr corrientes más allá de la capacidad de transmisión de la op (por ejemplo, √Ī50 mA), agregue un transistor de potencia (BJT o MOSFET) dentro del bucle de retroalimentación. El resistor sensor permanece en el emisor (BJTs) o la vía fuente (MOSFETs). La opamación de la opatura conduce la base (o la puerta) y el transistor maneja la corriente de carga de carga más alta.

Control digital con DAC

Integrar un convertidor digital a análogo (DAC) para programar el voltaje de referencia. Un microcontrolador puede ajustar la corriente en tiempo real, permitiendo secuencias de prueba automatizadas. Usa un DAC con baja deriva y alta resolución (por ejemplo, 16 bits) para un control fino. La salida DAC debe ser amortiguada y filtrada antes de conectarse a la entrada de no inversión de la op.

Conclusión

Construir una fuente de corriente de precisión con los amplificadores de op es un proyecto que proporciona una herramienta versátil para experimentos de laboratorio. Al entender los principios de retroalimentación, elegir componentes de calidad y seguir prácticas de construcción de sonido, puede lograr accuracies mejor que 0.1%. Si usted está caracterizando LEDs, sensores de sesgo o realizar mediciones electroquímicas, una fuente actual bien diseñada mejorará la fiabilidad y repetibilidad de sus a medida de sus diferentes.

Para más lectura, explore las notas de aplicación de Analog Devices on building current sources] y ] Guía de Instrumentos de Texas para las fuentes de corriente de precisión. Además, el artículo Wikipedia sobre las fuentes de corriente constante ofrece una visión general.