Cómo diseñar una bomba de corriente de precisión con Op

En teoría de circuitos, las fuentes de voltaje y las fuentes de corriente son igualmente ideales e igualmente fáciles de implementar. Simplemente dibuja un círculo y luego agrega signos más y menos para el voltaje o una flecha para la corriente. Ahora tiene un elemento de circuito que genera un voltaje específico en todas las condiciones o que impulsa una corriente específica en todas las condiciones.

En la vida real, las fuentes no son ideales y, además, aproximar una fuente de tensión teórica es significativamente más fácil que aproximarse a una fuente de corriente teórica. Las fuentes de voltaje son tan simples como una batería, un diodo zener o un divisor de voltaje resistivo combinado con un búfer.

Las fuentes de corriente, por otro lado, generalmente requieren un diseño de circuito inteligente y una mayor atención a los detalles operativos.

Hay varias formas de diseñar una fuente de corriente. Antes de ver una topología de dos amplificadores operacionales, repasemos brevemente algunas otras opciones. Puede obtener más información sobre todos estos temas haciendo clic en los enlaces respectivos.

Un enfoque interesante es usar un regulador de voltaje como regulador de corriente:

Otra opción es un circuito basado en un amplificador que analicé en un artículo anterior sobre cómo diseñar una fuente de corriente bidireccional simple, controlada por voltaje. Un circuito basado en amplificador recuerda vagamente a la topología de dos amplificadores operacionales, pero uno de los amplificadores es un amplificador de instrumentación en lugar de un amplificador operacional.

Finalmente, tenemos la bomba de corriente Howland, que fue analizada a fondo en un artículo de la AAC escrito por el Dr. Sergio Franco.

Encontré este circuito, que se describe como una "bomba de corriente de precisión", en una nota de aplicación antigua de Analog Devices. Produce una corriente de salida bidireccional que es directamente proporcional a un voltaje de entrada.

Aquí está el diagrama del circuito original:

Hay algunas cosas que me gustan de este circuito. Primero, solo se necesitan dos tipos de componentes: amplificadores operacionales y resistencias.

En segundo lugar, los amplificadores operacionales tienen el mismo número de pieza. Es cierto que este circuito usa dos amplificadores operacionales, mientras que la bomba Howland usa solo uno, pero el hecho de que ambos amplificadores operacionales puedan ser exactamente la misma parte es ventajoso porque puede usar un paquete IC de amplificador operacional dual y, por lo tanto, minimizar lo que sea. se requiere un costo adicional o espacio en la placa para el segundo amplificador operacional.

Tercero, cuatro de las cinco resistencias (R2, R3, R4, R5) pueden tener el mismo valor, y luego la ganancia de voltaje a corriente es controlada por una resistencia (R1). El valor de R2–R5 no es crítico, por lo que puede adaptar el circuito a los componentes que ya tiene en el laboratorio oa una lista de materiales existente. Sin embargo, tenga en cuenta que las resistencias de mayor precisión producirán una fuente de corriente de mayor precisión.

Cuarto, el voltaje de entrada es diferencial. Esto le brinda cierta flexibilidad en la forma en que proporciona el voltaje de control y le permite aprovechar la capacidad de corriente de salida bidireccional del circuito sin la necesidad de generar un voltaje de control que se extienda bajo tierra.

Usaremos una implementación de LTspice para ayudarnos a analizar la fuente de corriente de dos amplificadores operacionales.

Aquí estoy usando el "amplificador operacional unipolar ideal" de LTspice. Inicialmente lo probé con el OP-77, pero la simulación no funcionó correctamente. Es posible que haya habido un problema con el macromodelo OP-77, porque tengo otra versión del circuito que usa el amplificador operacional LT1001A y simula correctamente.

Los circuitos de fuente de corriente constante generalmente se basan en algún tipo de retroalimentación que hace que una fuente de voltaje produzca una corriente específica independientemente de la resistencia de la carga. (Puede ver un ejemplo sencillo de esto en el controlador LED controlado por voltaje que diseñé para un proyecto de sensor de color).

En la bomba de corriente de dos amplificadores operacionales, U1 amplifica el voltaje de control diferencial y U2 está configurado como un seguidor de voltaje que detecta el voltaje en la carga y lo retroalimenta a la etapa de entrada.

La configuración de fuente de voltaje que se muestra arriba produce un voltaje de entrada diferencial que varía de +250 mV a –250 mV. Según la ecuación proporcionada en la nota de la aplicación, la corriente de salida debe variar de 2,5 mA a –2,5 mA, ya que AV = 1 y R1 = 100 Ω, y esto es exactamente lo que observamos:

Una cosa que debe tener en cuenta con este circuito es el voltaje de salida U1. Toda la corriente de carga proviene de U1. Si ignoramos las corrientes muy pequeñas que fluyen a través de la resistencia de retroalimentación R4 y hacia la terminal de entrada positiva de U2, el voltaje en la terminal de salida de U1 será igual a IOUT multiplicado por la suma de la resistencia de carga y la resistencia de R1.

\[V_{SALIDA,U1}\aprox.\izquierda(R_{CARGAR}+R1\derecha)I_{SALIDA}\]

Este voltaje puede exceder fácilmente lo que la etapa de salida del amplificador operacional realmente puede generar, especialmente si está usando rieles de ± 3 V o ± 5 V en lugar de los voltajes de suministro analógico de ± 12 V o ± 15 V que eran, creo, más común en el pasado.

Debido a esta limitación, diría que la bomba de corriente de dos amplificadores operacionales es una buena opción para aplicaciones con baja resistencia de carga y/o corrientes de salida pequeñas.

Hemos echado un vistazo rápido a un circuito de fuente de corriente bidireccional que tiene requisitos de BOM razonables e incorpora una etapa de entrada de voltaje de control diferencial. En el próximo artículo, usaremos LTspice para analizar el rendimiento del circuito con mayor detalle.