Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Sterowane napięciem szerokopasmowe źródło prądowe - Jak to działa?

W numerze 2/2020 EdW przedstawiony był, pokazany na rysunku B, nieskomplikowany układ elektroniczny z dwoma układami scalonymi. Jest to... sterowane napięciem szerokopasmowe źródło prądowe. Zadanie było w sumie bardzo trudne, a utrudnieniem dodatkowym było niejako odwrotne narysowanie schematu: w analizowanym układzie wejściem jest punkt B, a wyjściem punkt A. Ze względu na intuicyjne podejście większości elektroników zdecydowanie łatwiejsza byłaby analiza schematu narysowanego odwrotnie, według rysunku C.
Article Image

Najważniejsze informacje na temat źródeł prądowych

To celowe utrudnienie nie przeszkodziło jednak uczestnikom konkursu, za co należą się szczere gratulacje.

Analizę schematu trzeba jednak poprzedzić przypomnieniem kluczowych informacji na temat źródeł prądowych. Otóż określenie „źródło prądowe” większości elektroników kojarzy się z prądem stałym, a także z lustrem prądowym. Istotnie, bardzo często mamy do czynienia ze stałoprądowymi źródłami prądowymi i je z powodzeniem wykorzystujemy.

Zdecydownaie mniej popularne są źródła prądowe prądu zmiennego, czyli takie, których prąd może płynąć w obu kierunkach. Początkującym sprawia kłopot nawet zrozumienie sensu ich istnienia oraz zasad działania praktycznych realizacji. Przypomnijmy, że przede wszystkim źródło prądowe to teoretyczny model, hipotetyczny idealny element, którego jedynym parametrem jest prąd.

Można powiedzieć, że idealne źródło prądowe jest dwójnikiem, który wymusza prąd o stałym natężeniu w dołączonym obwodzie, niezależnie od wartości napięcia na jego zaciskach. W praktyce źródło prądowe zgodnie z nazwą może być źródłem, czyli dostawcą prądu i energii, ale może też pochłaniać, przyjmować prąd z innych obwodów. W każdym razie prąd płynący przez idealne źródło prądowe nie zależy od warunków zewnętrznych. Ten prąd może być prądem stałym, ale może też być prądem zmiennym i to o dowolnym kształcie.

Rys.B Sterowane napięciem szerokopasmowe źródło prądowe - schemat z zadania

Jeżeli na wykresie narysujemy charakterystykę – zależność prądu i napięcia, a potem porównamy ją z charakterystykami rezystorów o różnych wartościach, to od razu nasunie się słuszny wniosek, że źródło prądowe ma nieskończenie wielką rezystancję wewnętrzną. Choć to też jest trudne do zrozumienia dla zupełnie początkujących, rzeczywiście rezystancja dynamiczna idealnego źródła prądowego jest (powinna być) nieskończenie wielka. A to w praktyce oznacza, że prąd ani trochę nie zależy od napięcia i zmian napięcia.

Sterowane źródła prądowe z wykorzystaniem wzmacniacza AD8130

Trzeba też wspomnieć, że oprócz źródeł prądowych o ustalonym prądzie, nie tylko w teoretycznych rozważaniach mamy również do czynienia ze sterowanymi źródłami prądowymi, czyli takimi, w których prąd wyjściowy zależy albo od napięcia sterującego, albo od prądu sterującego. I właśnie na rysunkach B, C mamy szerokopasmowe zmiennoprądowe źródło prądowe sterowane napięciem.

Rys.C Sterowane napięciem szerokopasmowe źródło prądowe - czytelny schemat

Elektronik hobbysta bardzo rzadko ma potrzebę realizacji podobnych układów. Tego rodzaju sterowane źródła prądowe wcale nie są jednak akademickim wynalazkiem przeznaczonym tylko do gnębienia studentów. Znajdują zastosowanie do testowania układów i elementów elektronicznych, ale też są wykorzystane w medycynie do diagnostyki niektórych chorób, w tym raka. Prąd ze sterowanego źródła napięciowego przepuszczany jest przez tkankę i przez pomiar napięcia określa się jej impedancję w szerokim zakresie częstotliwości – jest to odmiana spektroskopii częstotliwościowej.

Jak to Takie źródła prądowe sterowane napięciem można zrealizować na wiele sposobów, przede wszystkim z wykorzystaniem wzmacniaczy operacyjnych. Zamiast jednak stosować klasyczne wzmacniacze operacyjne, można wykorzystać gotowe rozmaite scalone wzmacniacze różnicowe, które obecnie są produkowane w szerokiej gamie odmian i typów.

I właśnie do realizacji sterowanego źródła prądowego można wykorzystać wzmacniacz różnicowy AD8130. Ten scalony wzmacniacz ma specyficzną budowę, co w tym przypadku jest zaletą i w najprostszym przypadku układ sterowanego źródła prądowego mógłby wyglądać jak na rysunku D.

Rys.D Układ sterowanego źródła prądowego - najprostszy przykład

Układ scalony AD8130 jest w sumie wzmacniaczem różnicowym, a dokładniej wzmacniaczem pomiarowym o specyficznej konstrukcji i interesującej zasadzie działania. Najbardziej zainteresowani mogą szczegółów poszukać w karcie katalogowej, a do rozwiązania zadania Jak to działa? wystarczy uproszczona informacja, że podczas normalnej pracy wzmacniacz dąży to tego, żeby napięcia między końcówkami 4–5 oraz 1–8 były jednakowe.

Także i w tym zastosowaniu podczas pracy te napięcia są jednakowe. Analiza działania takiego układu będzie zdecydowanie łatwiejsza, jeżeli przerysujemy schemat do postaci z rysunku E. Układ połączeń jest identyczny, tylko inaczej narysowany.

Załóżmy, że na wejście oznaczone VIN, czyli na nóżkę 1 podajemy niewielkie napięcie dodatnie względem masy (napięcie oznaczone VIN). Wtedy kostka AD8130 na swoim wyjściu (nóżka 6) wytwarza takie napięcie, żeby prąd płynący z wyjścia przez rezystor pomiarowy RSENSE i zewnętrzną rezystancję obciążenia RLOAD wywołał na rezystorze pomiarowym RSENSE spadek napięcia dokładnie równy napięciu wejściowemu VIN.

Rys.E Układ sterowanego źródła prądowego - alternatywne rozrysowanie schematu

Kostka AD8130 jest zasilana symetrycznie, więc napięcie wejściowe VIN może być ujemne względem masy i wtedy prąd wyjściowy popłynie w przeciwnym kierunku.

A to oznacza, że istotnie mamy tu źródło prądowe sterowane napięciem VIN. Jego prąd wyjściowy jest równy: IO = VIN / RSENSE

Układ AD8130 jest bardzo szybki i dość precyzyjny. Napięcie VIN i prąd IO mogą zmienia się w szerokich granicach. W szczególności mogą być bardzo małe. A przy małych prądach wyjściowych powstaje pewien problem.

Wady i zalety źródła prądowego z kostką AD8130

Otóż kostka Analog Devices AD8130 to bardzo szybki wzmacniacz różnicowy o paśmie ponad 200MHz. A jego niedokompensowana wersja AD8129, która może pracować przy wzmocnieniu co najmniej równym 10×, ma pasmo aż 270MHz. Jak na wzmacniacz różnicowy, mają one nietypową budowę, która godna jest oddzielnego omówienia.

Według katalogu nie są zresztą klasycznymi wzmacniaczami różnicowymi czy pomiarowymi, tylko różnicowymi wzmacniaczami odbiorczymi (Differential Receiver Amplifiers), ponieważ ich głównym przeznaczeniem jest odbieranie i wzmacnianie szybkich sygnałów przesyłanych różnicowo przez różne linie.

Zaletą jest ogromna szybkość oraz niezwykle ważny w takim zastosowaniu bardzo dobry współczynnik CMRR.

Ale wadą są między innymi duże prądy wejściowe i stosunkowo mała impedancja wejść. I właśnie w omawianym przypadku źródła prądowego, przy bardzo małych prądach wyjściowych da o sobie znać błąd wynikający ze znacznego prądu polaryzacji (IB) wejść 4, 5 kostki AD8130, który według katalogu typowo może wynosić ±1uA, maksymalnie ±3,5uA.

Rys.F Układ sterowanego źródła prądowego eliminujący błąd wynikający z prądu polaryzacji wejść

Aby wyeliminować ten błąd, w układzie z rysunku D i E można dodać wtórnik o znikomym prądzie wejściowym według rysunku F. Zmniejszy on obciążenie wyjścia i zapewni większą dokładność także przy małych prądach. Pracujący tu w roli wtórnika AD8065 to szybki klasyczny wzmacniacz operacyjny o paśmie 145MHz z tranzystorami JFET na wejściach, który ma znikomy polaryzujący prąd wejściowy typowo 1pA i dużą impedancję wejściową (100GΩ||2,1pF).

Pomysł tego zadania pochodzi z rubryki Design Ideas czasopisma „EDN” z grudnia 2005. Materiały dostępne są m.in. na stronie. Można tam znaleźć kilka dodatkowych schematów z wersjami o wyjściu zmiennopradowym.

Firma:
Tematyka materiału: źródło prądowe
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich czerwiec 2020
Udostępnij
UK Logo
Elektronika dla Wszystkich
Zapisując się na nasz newsletter możesz otrzymać GRATIS
najnowsze e-wydanie magazynu "Elektronika dla Wszystkich"