Como projetar uma bomba de corrente de precisão com Op

Na teoria do circuito, fontes de tensão e fontes de corrente são igualmente ideais e igualmente fáceis de implementar. Você apenas desenha um círculo e adiciona sinais de mais e menos para tensão ou uma seta para corrente. Agora você tem um elemento de circuito que gera uma tensão especificada sob todas as condições ou que conduz uma corrente especificada sob todas as condições.

Na vida real, as fontes não são ideais e, além disso, aproximar uma fonte de tensão teórica é significativamente mais fácil do que aproximar uma fonte de corrente teórica. As fontes de tensão são tão simples quanto uma bateria, um diodo zener ou um divisor de tensão resistivo combinado com um buffer.

As fontes de corrente, por outro lado, geralmente requerem algum projeto de circuito inteligente e maior atenção aos detalhes operacionais.

Existem várias maneiras de projetar uma fonte de corrente. Antes de examinarmos uma topologia de dois amplificadores operacionais, vamos revisar brevemente algumas outras opções. Você pode aprender mais sobre todos esses tópicos clicando nos respectivos links.

Uma abordagem interessante é usar um regulador de tensão como regulador de corrente:

Outra opção é um circuito baseado em amplificador que discuti em um artigo anterior sobre como projetar uma fonte de corrente bidirecional simples, controlada por tensão. Um circuito baseado em amplificador lembra vagamente a topologia de dois amplificadores operacionais, mas um dos amplificadores é um amplificador de instrumentação em vez de um amplificador operacional.

Por fim, temos a bomba de corrente Howland, que foi minuciosamente analisada em um artigo da AAC escrito pelo Dr. Sergio Franco.

Encontrei este circuito, que é descrito como uma "bomba de corrente de precisão", em uma antiga nota de aplicativo da Analog Devices. Ele produz uma corrente de saída bidirecional que é diretamente proporcional a uma tensão de entrada.

Aqui está o diagrama do circuito original:

Há algumas coisas que eu gosto sobre este circuito. Primeiro, apenas dois tipos de componentes são necessários: amplificadores operacionais e resistores.

Em segundo lugar, os amplificadores operacionais têm o mesmo número de peça. É verdade que este circuito usa dois amplificadores operacionais, enquanto a bomba Howland usa apenas um, mas o fato de que ambos os amplificadores operacionais podem ser exatamente a mesma parte é vantajoso porque você pode usar um pacote IC de amplificador operacional duplo e, assim, minimizar qualquer custo adicional ou espaço na placa é necessário para o segundo amplificador operacional.

Em terceiro lugar, quatro dos cinco resistores (R2, R3, R4, R5) podem ter o mesmo valor e, então, o ganho de tensão para corrente é controlado por um resistor (R1). O valor de R2–R5 não é crítico, portanto, você pode adaptar o circuito aos componentes que já possui no laboratório ou a uma BOM existente. Tenha em mente, porém, que os resistores de maior precisão produzirão uma fonte de corrente de maior precisão.

Em quarto lugar, a tensão de entrada é diferencial. Isso lhe dá alguma flexibilidade em como você fornece a tensão de controle e permite que você aproveite a capacidade de corrente de saída bidirecional do circuito sem a necessidade de gerar uma tensão de controle que se estenda abaixo do solo.

Usaremos uma implementação do LTspice para nos ajudar a analisar a fonte de corrente de dois amplificadores operacionais.

Aqui estou usando o LTspice "amplificador operacional unipolar ideal". Inicialmente tentei com o OP-77, mas a simulação não funcionou corretamente. Pode ter ocorrido algum problema com o macromodelo OP-77, pois tenho outra versão do circuito que utiliza o amplificador operacional LT1001A e simula corretamente.

Os circuitos de fonte de corrente constante geralmente dependem de algum tipo de realimentação que faz com que uma fonte de tensão produza uma corrente especificada, independentemente da resistência da carga. (Você pode ver um exemplo direto disso no driver de LED controlado por tensão que desenvolvi para um projeto de sensor de cor.)

Na bomba de corrente de dois amplificadores operacionais, U1 amplifica a tensão de controle diferencial e U2 é configurado como um seguidor de tensão que detecta a tensão na carga e a alimenta de volta ao estágio de entrada.

A configuração da fonte de tensão mostrada acima produz uma tensão de entrada diferencial que varia de +250 mV a –250 mV. Conforme equação fornecida na nota do app, a corrente de saída deve variar de 2,5 mA a –2,5 mA, pois AV = 1 e R1 = 100 Ω, e é exatamente isso que observamos: