So entwerfen Sie eine Stromverstärkerschaltung, um den Signalstrom auf 1A zu verstärken

Hier ist ein grundlegender Spannungs-Strom-Verstärker:

Aufgrund der Rückkopplung durch den Operationsverstärker ist die Spannung an R1 Vin. Das bedeutet, dass der Strom durch R1 proportional zu Vin ist. Der einzige Ort, von dem Strom kommen kann, ist durch den Drain des N-Kanal-FET. Das Nettoergebnis ist, dass diese Schaltung den Strom bei Iout proportional zu Vin senkt. Der Gesamtgewinn beträgt 1/R1.

Das ist das Grundkonzept, aber in Ihrem Fall gibt es einige Details zu beachten. Ihr Vin variiert von 0 bis 5 Volt. Das bedeutet, dass bei vollem Strom 5 V an R1 anliegen. Dies frisst nicht nur erheblich in den Versorgungsspannungsbereich, den Sie für die Last haben, sondern führt auch dazu, dass R1 bei vollem Strom von 1 A viel Leistung verbraucht. (5 V) (1 A) = 5 W. Selbst wenn Sie mit dieser Menge an Strom einverstanden sind, müssen Sie sorgfältig überlegen, wie Sie mit der Hitze umgehen.

Die Lösung besteht darin, einen Spannungsteiler zwischen Ihrem 0-5-V-Signal und Vin zu platzieren. Je niedriger der Vin-Bereich, desto niedriger die Verlustleistung. Sie verringern jedoch auch die Gesamtgenauigkeit, da die Offset-Spannung und alle anderen Fehler einen größeren Bruchteil des Ganzen ausmachen. Sie müssen auch berücksichtigen, wie gut der Operationsverstärker mit beiden Eingängen in Bodennähe abschneidet. Möglicherweise möchten Sie dem Operationsverstärker eine kleine negative Versorgung geben, um ihn innerhalb seines normalen aktiven Bereichs zu halten.

Ich würde wahrscheinlich damit beginnen, das 0-5-V-Signal um 5 zu dämpfen, also 0-1 V. Das bedeutet, dass die maximale Verlustleistung in R1 1 W beträgt, also sollte ein 2-W-Widerstand, der nur ohne speziellen Kühlkörper an die Platine gelötet wird, sein Bußgeld.

Da Sie bereits einen Mikrocontroller haben, ist es einfach, eine kleine negative Versorgung herzustellen. Viele Mikros haben einen Taktausgang, der dann eine Ladungspumpe ansteuern kann. Normalerweise lasse ich den Mikrostift ein Back-to-Back-Emitter-Folgerpaar ansteuern, das dann die Ladungspumpe antreibt. Nach all den Spannungsverlusten durch BE-Übergänge und Dioden erhalten Sie ungefähr -2,2 V. Dies ist jedoch für viele Operationsverstärker ausreichend.

Sie müssen auch die Dissipation im FET berücksichtigen. Es wird sehen, was auch immer der Ausgangsstrom durch es fließt, aber die Spannung darüber ist nicht so klar. Der schlimmste Fall, wenn die Last kurz ist. Sie haben dann die Versorgungsspannung abzüglich des R1-Abfalls über dem FET. Wenn Sie beispielsweise eine 12-V-Versorgung haben und R1 bei vollem Strom von 1 A um 1 V abfällt, kann der FET bis zu 11 W verbrauchen. Das ist für ein Leistungspaket wie einen TO-220 machbar, erfordert es aber definitiv ein Kühlkörper.

Ich würde dies als einen guten Ausgangspunkt betrachten: -

Ich würde auch eine Vsupply-Spannung von 6 V und einen Rail-to-Rail-Operationsverstärker verwenden. Bei 6 V am Kollektor und 5 V am Emitter beträgt die im Transistor verbrauchte Leistung etwa 1 Watt, sodass ein kleiner Kühlkörper erforderlich ist - ich würde einen Transistor im T0-220-Gehäuse verwenden.

Wenn Sie erwarten, 1 A an einen 3-V-Ausgang liefern zu können, beträgt die Verlustleistung 3 Watt, also müssen Sie darüber nachdenken, aber wenn die Stromaufnahme proportional zur Ausgangsspannung ist, erfordern 3 V 0,6 A und eine maximale Verlustleistung der Transistor von 1,8 Watt.

Wenn Sie genau auf 0 V heruntergehen müssen, ist eine negative 0,2-Volt-Stromschiene (oder negativer) am Operationsverstärker eine gute Idee.

Außerdem bevorzuge ich die Verwendung eines BJT anstelle eines MOSFET, da zum angemessenen Einschalten eines MOSFET zur Ausgabe von 1 A bei 5 V möglicherweise eine obere Versorgungsspannung von etwa 8 V bis 10 V erforderlich ist und die Verlustleistung erheblich höher ist, wenn 1 A fließt zu die Ladung.

Sie können einen Hochstrom-OP-AMP verwenden, z. B. LT1210. Hochstrom-Operationsverstärker haben normalerweise eine Stromrückkopplung, sie sind etwas schwierig zu bedienen. Sie müssen die Leiterplatte für solche ICs sorgfältig entwerfen.

Falls die Linearitätsanforderungen nicht hoch sind, können Sie BJT mit ausreichender Stromfähigkeit verwenden. Verwenden Sie eine gemeinsame Kollektorschaltung.

Die Versorgungsspannung muss in jedem Fall höher als 5 V sein.

Das Design mit gemeinsamem OPA und BJT (aus der nächsten Antwort) ist gut!

Allerdings: Wenn Ihre Last kapazitiv ist, wird diese Schaltung leicht instabil. Sie können mehrere passive Komponenten hinzufügen, um es stabil zu machen:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Stellen Sie sicher, dass Sie den geeigneten OP AMP und BJT gemäß den aktuellen Anforderungen auswählen.

Was ich getan habe, ist, einfach ein Nmosfet zu verwenden und es als Low-Side-Schalter an die Last anzuschließen. Sie können die gleiche Idee verwenden, aber mit Pmos, wenn Sie eine hohe Seite benötigen.

Ich denke, so einen Operationsverstärker und wahrscheinlich zusätzliche Versorgungsschaltungen kann man sich sparen. Aktuell verwende ich diese Schaltung für einen LED-Treiber und sie wurde bereits nach Industriestandards getestet. Sie können fast jeden NMOS auf dem Markt verwenden, überprüfen Sie einfach, ob der maximale Drain-Strom höher als Ihre 1,5 A ist.

R3 dient zum Entladen der NMOS-Kapazität, wenn Ihr Mikro neu gestartet wird, R2 dient zum Begrenzen des Ladestroms des NMOS-Gate-Kondensators. Stellen Sie also sicher, dass Sie sie haben.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}