Was macht diese Operationsverstärker- / Transistorschaltung? (überarbeitete Schaltung)

Zunächst einmal können Sie die Spannung am invertierenden Eingang (-) im Bereich von 9 bis 10 V regeln.

Opamp versucht, die Spannung an beiden Eingängen gleich zu halten, indem er die Ausgangsspannung variiert. Nehmen Sie zunächst an, dass der Operationsverstärker in seinem linearen Bereich arbeitet (die Ausgangsspannung ist nicht gesättigt). Das bedeutet, dass die Spannung am nicht invertierenden Eingang (+) genau gleich der Spannung am invertierenden Eingang ist.

Wenn Sie die Spannung auf 10 V einstellen, beträgt die Spannungsdifferenz am Widerstand R3 0 V. Unter Verwendung des Ohmschen Gesetzes ergibt dies einen Nullstrom. Dies bedeutet auch, dass 0A durch die Last gehen.

Wenn Sie die Spannung auf 9 V einstellen, beträgt die Spannung am R3-Widerstand keine 1 V (10 V-9 V). Unter Verwendung des Ohmschen Gesetzes ergibt sich 1A. Dieser gesamte Strom fließt auch durch die Last (weil der Eingangsstrom des Operationsverstärkers Null ist).

Auf diese Weise können Sie den Laststrom von 0 bis 1A steuern.

Nun das dynamische Verhalten.

Angenommen, Sie stellen mit dem Potentiometer 9,5 V ein. Die Spannung am Kollektor des Transistors beträgt 9,5 V. Dies bedeutet, dass die R3-Spannung 0,5 V und der Laststrom ebenfalls 0,5 A beträgt.

Ändern Sie nun das Potentiometer auf 9,6 V. Die Eingänge des Opamps sind nicht mehr symmetrisch. Die Spannung des invertierenden Eingangs ist höher als die des nicht invertierenden Eingangs. Daher passt der Operationsverstärker seinen Ausgang an, indem er die Spannung an der Basis des Transistors senkt. Der Kollektorstrom sinkt und damit auch die Spannung an R3. V(R3) fällt auf 0,4 V ab, an welchem ​​Punkt die Eingangsspannungen gleich sind und Sie wieder einen stationären Zustand haben.

Praktische Überlegungen.

Fast jeder Operationsverstärker wird in dieser Schaltung korrekt funktionieren. Sie müssen den maximalen Strom berücksichtigen, den der Operationsverstärker an das Gate geben kann. Wenn Ihr Ausgangsstrom max. 1A muss der Gatestrom 1A/(Trafo Beta) betragen. Sie müssen einen Operationsverstärker wählen, der mindestens so viel Strom liefert.

Sie müssen sich auch bewusst sein, dass, wenn Sie möchten, dass Ihre Schaltung funktioniert, wenn der Ausgang kurzgeschlossen ist, die Spannung am Ausgang auf GND + 0,7 V sinken muss. Auch wenn dies nicht der Fall ist, können Sie dies sehr einfach korrigieren, indem Sie einen Basiswiderstand hinzufügen.

Die Schaltung ist ein hypothetischer Versuch einer konstanten Stromzufuhr zur Last. Sobald festgestellt ist, dass die Schaltung (auf den ersten Blick) eine negative Rückkopplung hat, können Sie weitermachen und sagen, dass die Eingänge zum Operationsverstärker immer gleich sind (innerhalb von Millivolt).

Da Vin- eine feste Spannung hat, die vom Topf bestimmt wird, bleibt nur noch festzustellen, wie die Spannung an Vin+ erzeugt wird. Das ist einfach - diese Spannung wird vollständig durch den Strom durch R3 bestimmt.

Dies bedeutet, dass Sie den Topf so einstellen, dass er eine Spannung an Vin- erzeugt, und der Strom durch R3 passt sich an, um genau dieselbe Spannung an Vin+ zu erzeugen. An diesem Punkt ist das Gleichgewicht erreicht.

Der Strom durch R3 wird durch die Spannung vom Topf gesteuert. Was ist mit dem Strom durch die Last? Nun, es ist praktisch der Emitterstrom (R3-Strom) und daher ist diese Schaltung ein Versuch, einen konstanten Strom an die Last anzulegen.

Nehmen wir an, der Poti ist auf 9,5 V eingestellt - dies bedeutet (theoretisch und auf den ersten Blick), dass die Spannung an R3 0,5 V beträgt, dh 10 V - 9,5 V. Das bedeutet, dass 0,5 A durch R3 fließen und der Strom größtenteils durch die Last fließt. Wenn die Last 10 Ohm beträgt, beträgt die Spannung an der Last 5 V. Wenn die Last auf 1 Ohm abfällt, würde die Spannung an der Last auf 0,5 V abfallen.

Einschränkungen gibt es bei der Stromversorgung von 10V. Wenn die Last beispielsweise 20 Ohm beträgt, hat die Versorgungsspannung des Schaltkreises nicht genügend Headroom, um 0,5 A durch die Last zu leiten, und der Schaltkreis verhält sich nicht mehr linear.

Was ist falsch an dieser Schaltung - wenn Sie versuchen würden, sie zu bauen, würde sie oszillieren, obwohl der durchschnittliche Strom in die Last gerade noch auf einem festen Wert gehalten werden kann. Warum sollte es das tun? Es wird dies tun, weil es den fatalen Fehler gemacht hat, die Open-Loop-Verstärkung der meisten Operationsverstärker nicht zu verstehen.

Die meisten im Handel erhältlichen Operationsverstärker segeln insofern hart am Wind, als sie bei negativer Rückkopplung nahe daran sind, instabil zu werden - tatsächlich können einige Operationsverstärker nicht als Einheitsverstärkungsinverter arbeiten. Was diese Schaltung noch schlimmer macht - die Kollektorverstärkung wird möglicherweise innerhalb der Rückkopplungsschleife hinzugefügt, sodass der Operationsverstärker jetzt mit einer zusätzlichen Verstärkung innerhalb der negativen Rückkopplungsschleife fertig werden muss, was unter den meisten praktischen Lastbedingungen die Schaltung zum Schwingen bringt.

Wenn die Last 1 Ohm beträgt, würden die meisten Operationsverstärker gerade noch damit zurechtkommen, dass die Kollektorverstärkung eins ist, aber die zusätzliche kleine Phasenverschiebung, die entsteht, bringt sie an den Punkt der Oszillation.

Wenn die Last 2 Ohm beträgt, beträgt die Kollektorspannungsverstärkung weniger als 1, und diese Schaltung hat eine Chance zu funktionieren, vorausgesetzt, die Last ist rein ohmsch - jede kleine Menge an Kapazität wird diese Schaltung zum Singen bringen, da die Kapazität bei hohen Frequenzen dreht Kollektorgewinn größer als 1.

Vergessen Sie Lasten unter 1 Ohm und erwarten Sie nicht wirklich, dass dies in der Praxis funktioniert - es gibt bessere Schaltungen zur Steuerung des Laststroms.

Lassen Sie uns für diese Schaltung "rechnen". Wie andere bereits betont haben, haben die Eingangsklemmen bei negativer Rückkopplung die gleiche Spannung:

(1)$v_+ = v_- = v_i$

Wo$v_i$ist unsere unabhängige Variable, die durch die Potentiometereinstellung bestimmte Eingangsspannung.

Nehmen Sie der Einfachheit halber an, dass der Strom durch R3 identisch mit dem Laststrom ist$i_L$. Dann haben wir:

(2)$v_+ = 10V - i_L \cdot R_3$

Setzen wir (1) und (2) zusammen, erhalten wir:

(3)$i_L = \dfrac{10V - v_i}{R_3}$

Diese Schaltung implementiert also eine spannungsgesteuerte Stromquelle (VCCS).

Es ist klar, dass der Bereich der Eingangsspannung ist$9V \le v_i \le 10V$so ist der Laststrombereich (z$R_3 = 1\Omega$):

$0A \le i_L \le 1A$

Diese Analyse geht nun davon aus, dass der Operationsverstärker ideal ist und dass die Transistorstromverstärkung$\beta$ist unendlich. Da echte Operationsverstärker eine endliche Verstärkung und Bandbreite und echte Transistoren eine endliche Stromverstärkung haben, ist es richtig zu fragen, ob diese Analyse den Betrieb einer tatsächlichen Schaltung annähert.

Darüber hinaus gibt es „Randbedingungen“, die erfüllt werden müssen. Beispielsweise muss die maximale Spannung, die an die Last angelegt werden kann, weniger als 10 V betragen. Also für jede Menge ca$10 \Omega$oder mehr, wird Ihr Laststrombereich reduziert.

Es gibt mehrere andere Überlegungen, die den Rahmen dieser Antwort sprengen würden.

Insbesondere ist mir nicht klar, wie sich der Transistor auf die Rückkopplungsschleife auswirkt

Der Transistor liefert eine Stromverstärkung für den Laststrom sowie eine invertierende Spannungsverstärkung für die Rückkopplungsschleife. Da die Rückkopplung mit dem nichtinvertierenden Anschluss des Operationsverstärkers verbunden ist, würde es ohne diese invertierende Verstärkung eine positive Rückkopplung geben.

Diese Schaltung ist eine Stromquelle. Der Transistor sorgt ebenso wie der Operationsverstärker für eine Inversion. Die Nettoänderung ist positiv oder keine Inversion. Der Rückkopplungspunkt befindet sich jedoch am Kollektor des Transistors, was bedeutet, dass an diesem Punkt die gesteuerte Spannung anliegt. Dies bedeutet, dass jede Spannung, die in das Potentiometer eingewählt wird, am unteren Rand von R3 dupliziert wird. Wenn die Spannung an Vcc und über R3 garantiert konstant ist, handelt es sich um eine Stromquelle. All dies setzt natürlich voraus, dass alle anderen Parameter innerhalb des Dynamikbereichs der beteiligten Teile liegen. Beispielsweise ist es unmöglich, einen konstanten Strom in eine offene Last zu treiben.

Ich habe eine ähnliche Schaltung mit einem Leistungs-Mosfet als Ausgangstransistor aufgebaut und verwendet. In meinem Fall brauchte ich einen sehr schnellen Operationsverstärker, da ich den Mosfet in einen linearen Betriebsmodus zwang. Ich habe auch den Drain des Mosfet als Ausgang und nicht die Quelle verwendet. Die Schaltung funktioniert tatsächlich.