【技术专辑】使用电压 – 电流转换器方便地控制负载电流

本文是AAC模拟电路系列的一部分,它提供了一种直接的方法来精确控制通过LED(或通过典型的电阻负载)的电流。

 

正如您可能已经注意到的那样,现实生活中的电子设计往往表现出一定的电压超过电流的优势。我的意思如下:稳定的电压源是常见的并且可以广泛使用,而需要一些努力来创建接近理论电路图中出现的理想电流源的任何东西。因此,流过负载的电流通常由施加电压的幅度和负载的电流 - 电压特性决定。在普通电阻负载的情况下,电流 - 电压关系仅仅是电阻。因此,电流等于电压除以电阻。如果负载电阻发生变化,负载电流会按比例变化。

 

这通常很好,但是在某些情况下我们想要直接指定电流,而不管负载的特性如何。在这种情况下,我们可以使用电压 - 电流转换器(VCC),它实质上是一个电压控制的电流源。我们根据我们的典型方法生成电压信号,然后我们使用VCC生成仅依赖于此输入电压的电流。

 

应用

 

我想不出太多需要使用VCC来小心控制通过电阻负载的电流的情况。实际上,目前我无法想到任何事情(如果你可以帮助我,请随时发表评论......)。电阻器的电流 - 电压关系的线性特性使得电流 - 电压转换有些冗余:(直接)增加电压通常具有与使用电压来增加电流相同的效果。

 

然而,毫无疑问,当您使用发光二极管时,VCC是一个非常方便的电路。LED(作为二极管)具有非线性电流 - 电压特性,并且由于LED产生的光能量由流过它的电流决定,因此电压决不是控制亮度的直接方式。

 

本技术简介以及本项目文章中讨论了此问题。如果您仔细阅读该项目,您会看到我使用简单的运算放大器电路作为电压 - 电流转换器:

 

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实际上,我使用三个这样的电路来创建使用RGB LED的“单像素”彩色显示器。在本文中,我将向您展示一个完成同样事情的不同电路。他们如何比较?那么,之前的电路每个二极管只使用一个运算放大器,而新的电路使用两个运算放大器,但运算放大器现在非常小,这几乎不能被认为是一个显着的优势。实际上,当你已经拥有一个双运放IC时,单运放电路甚至可能会有点麻烦,因为你有一个令人惊讶的中立未使用放大器的重要任务。我不会说其中一个电路严格优于另一个电路,但我将在下一节中解释一个重要的区别。

 

分析

 

这是电路:

 

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在我们查看模拟图之前,让我们考虑一下这个功能。该电路或多或少由两个互连的电压跟随器组成; 我说“或多或少”,因为其中一个跟随器在反馈路径中有一个二极管。底部的跟随器接地为输入电压,因此输出电压以及反相输入端的电压为0 V.这意味着R1的下端始终为0 V.

 

我们从“ 虚拟短路 ”近似中知道运算放大器的两个输入端子将处于相同的电压。这意味着R1上端的电压等于控制电压,因此通过R1的电流始终为V CONTROL / R1。但是这个电流的来源是什么?它当然不能由U1的反相输入端提供,唯一的另一种可能性是U1的输出端。因此,从U1输出流出的电流始终为V CONTROL / R1,因此通过二极管的电流始终为V CONTROL/ R1。如果二极管被电阻器或电感器取代,则同样适用。换句话说,该电路用于精确控制流经U1反馈路径中的元件的电流。

 

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该电路与单像素彩色显示器项目中使用的单运放电路之间的主要区别如下:双运放电路是差分电路,而单运放电路是单端电路。在单运放电路中,输入始终以地为参考。双运放配置允许您使用差分电压控制负载电流; 这在下面的电路图中描述,其中U2的同相端已成为第二输入而不是直接接地。

 

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这是LTspice实现,后面是两个图。在第一种情况下,您只能看到一条迹线,因为两条迹线(输入电压和负载电流)完全重叠。在第二个图中,我将两条轨迹放在不同的窗格中。这些图确认负载电流小心地跟随输入电压,尽管二极管具有复杂的电流 - 电压特性,并且输入电压和负载电流之间的关系确实是上面解释的(非常简单)方程式,即I L = V IN / R1。

 

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结论

 

本文介绍并解释了一种简单而有效的电路,用于使用电压信号精确控制通过负载元件的电流。这种配置比我之前使用的电路更通用,因为它接受差分输入电压。但是,请记住,并非每个运算放大器都有轨到轨输入; 如果负电源为0 V,则某些运算放大器将与本文中讨论的VCC的接地输入版本不兼容。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计