전류 소스 및 전류 싱크는 전자 설계에 사용되는 두 가지 주요 용어이며,이 두 용어는 터미널에서 나가거나 들어갈 수있는 전류의 양을 나타냅니다. 예를 들어, 일반적인 8051 마이크로 컨트롤러 디지털 출력 핀 의 싱크 및 소스 전류 는 각각 1.6mA 및 60uA입니다. 핀이 High로 설정되면 최대 60uA를 공급 (소스) 할 수 있고 Low로 설정되면 최대 1.6mA를 수신 (싱크) 할 수 있습니다. 회로 설계 중에 때때로 자체 전류 소스 및 전류 싱크 회로 를 구축해야합니다. 이전 튜토리얼에서는 전류를 부하로 소싱하는 데 사용할 수있는 공통 연산 증폭기 및 MOSFET을 사용하여 전압 제어 전류 소스 회로를 구축했지만 경우에 따라 소싱 전류 대신 전류 싱크 옵션이 필요합니다.
따라서이 튜토리얼에서는 전압 제어 정전류 싱크 회로 를 구축하는 방법을 배웁니다. 이름에서 알 수 있듯이 전압 제어 정전류 싱크 회로는 적용된 전압을 기반으로 전류가 가라 앉는 양을 제어합니다. 회로 구성을 더 진행하기 전에 정전류 싱크 회로에 대해 이해합시다.
정전류 싱크 회로 란?
정전류 싱크 회로 는 입력 전압이 변경되지 않는 한 부하 저항에 관계없이 실제로 전류를 싱크 합니다. 저항이 1 옴이고 1V 입력을 사용하는 회로의 경우 정전류는 옴 법칙에 따라 1A입니다. 그러나 옴 법칙이 회로를 통해 흐르는 전류의 양을 결정한다면 왜 정전류 소스와 전류 싱크 회로가 필요합니까?
위 이미지에서 볼 수 있듯이 전류 소스 회로 는 부하를 구동하기 위해 전류를 제공합니다. 수신되는 전류 부하의 양은 전원 공급 장치 역할을하므로 전류원 회로에 의해 결정됩니다. 마찬가지로 전류 싱크 회로 는 접지처럼 작동하며 부하가 수신하는 전류의 양은 전류 싱크 회로에 의해 제어됩니다. 가장 큰 차이점은 소스 회로는 소스 (공급)에 부하에 대한 충분한 전류를 가지고있는 반면 싱크 회로는 회로를 통과하는 전류를 제한해야한다는 것입니다.
Op-Amp를 사용한 전압 제어 전류 싱크
전압 제어 정전류 싱크 회로는 이전에 구축 한 전압 제어 전류 소스 회로와 똑같은 방식으로 작동합니다.
전류 싱크 회로의 경우 연산 증폭기 연결이 변경됩니다. 즉, 음의 입력이 션트 저항에 연결됩니다. 이것은 연산 증폭기에 필요한 부정적인 피드백 을 제공합니다. 그렇다면 우리는이 PNP 트랜지스터 연산 증폭기의 출력 핀은 PNP 트랜지스터를 구동 할 수 있도록, 연산 증폭기의 출력간에 연결된다. 이제 연산 증폭기는 두 입력 (양수 및 음수)의 전압을 동일하게 만들려고 노력합니다.
연산 증폭기의 양의 입력에 1V 입력이 제공된다고 가정 해 보겠습니다. 연산 증폭기는 이제 다른 음의 입력도 1V로 만들려고합니다. 하지만 어떻게 할 수 있습니까? 연산 증폭기의 출력은 다른 입력이 Vsupply에서 1V를 얻는 방식으로 트랜지스터를 켭니다.
션트 저항기는 옴 법칙 V = IR에 따라 강하 전압을 생성합니다. 따라서 트랜지스터를 통한 1A의 전류 흐름은 1V의 강하 전압을 생성합니다. PNP 트랜지스터는이 1A의 전류를 싱크하고 연산 증폭기는이 전압 강하를 사용하여 원하는 1V 피드백을 얻습니다. 이런 식으로 입력 전압을 변경하면 션트 저항을 통한 전류뿐만 아니라베이스도 제어됩니다. 이제 제어해야 할 부하를 회로에 소개하겠습니다.
보시다시피, 우리는 이미 Op-Amp를 사용하여 전압 제어 전류 싱크 회로를 설계했습니다. 그러나 실제 데모를 위해 RPS를 사용하여 Vin에 가변 전압을 제공하는 대신 전위차계를 사용하겠습니다. 아래에 표시된 전위차계가 0V에서 Vsupply (+) 사이의 가변 전압을 제공하는 전위 분배기로 작동한다는 것을 이미 알고 있습니다.
이제 회로를 만들고 어떻게 작동하는지 확인해 봅시다.
구성
이전 튜토리얼과 마찬가지로 LM358은 매우 저렴하고 찾기 쉬우 며 널리 사용할 수 있으므로 사용합니다. 그러나 하나의 패키지에 두 개의 연산 증폭기 채널이 있지만 하나만 필요합니다. 우리는 이전에 많은 LM358 기반 회로를 구축했으며이를 확인할 수도 있습니다. 아래 이미지는 LM358 핀 다이어그램의 개요입니다.
다음으로 PNP 트랜지스터가 필요합니다. BD140 이이를 위해 사용됩니다. 다른 트랜지스터도 작동하지만 열 방출이 문제입니다. 따라서 트랜지스터 패키지에는 추가 방열판을 연결하는 옵션이 있어야합니다. BD140 핀아웃은 아래 이미지에 나와 있습니다.
또 다른 주요 구성 요소는 션트 저항입니다. 이 프로젝트를 위해 47ohms 2watt 저항을 고수합시다. 자세한 필수 구성 요소 는 아래 목록에 설명되어 있습니다.
- 연산 증폭기 (LM358)
- PNP 트랜지스터 (BD140)
- 션트 저항기 (47 Ohms)
- 1k 저항
- 10k 저항
- 전원 공급 장치 (12V)
- 50k 전위차계
- 브레드 보드 및 추가 연결 와이어
전압 제어 전류 싱크 회로 작동
회로는 아래 그림에서 볼 수 있듯이 테스트 목적으로 간단한 브레드 보드로 구성됩니다. 정전류 설비를 테스트하기 위해 서로 다른 저항이 저항 부하 로 사용됩니다.
입력 전압은 전위차계를 사용하여 변경되고 전류 변화는 부하에 반영됩니다. 아래 이미지에서 볼 수 있듯이 0.16A 전류는 부하에 의해 가라 앉습니다. 이 페이지 하단에 링크 된 동영상에서 자세한 작업을 확인할 수도 있습니다. 그러나 회로 내부에서 정확히 무슨 일이 일어나고 있습니까?
앞서 논의했듯이, 8V 입력 동안 연산 증폭기는 피드백 핀에서 8V 동안 션트 저항기 양단의 전압 강하를 발생시킵니다. 연산 증폭기의 출력은 션트 저항기가 8V 강하를 생성 할 때까지 트랜지스터를 켭니다.
옴 법칙에 따라 저항은 전류 흐름이 170mA (.17A) 일 때만 8V 강하를 생성합니다. 이것은 전압 = 전류 x 저항 때문입니다. 따라서 8V =.17A x 47 Ohms입니다. 이 시나리오에서는 회로도에 표시된대로 직렬로 연결된 연결된 저항 부하도 전류 흐름에 기여합니다. 연산 증폭기는 트랜지스터를 켜고 션트 저항과 동일한 양의 전류가 접지에 가라 앉습니다.
이제 전압이 고정되어 있으면 어떤 저항 부하가 연결 되든 전류 흐름은 동일합니다. 그렇지 않으면 연산 증폭기의 전압이 입력 전압과 동일하지 않습니다.
따라서 부하를 통과하는 전류 (전류가 가라 앉음)는 트랜지스터를 통과하는 전류와 동일하며 이는 션트 저항을 통과하는 전류와 동일합니다. 따라서 위의 방정식을 재정렬하면
부하에 의한 전류 싱크 = 전압 강하 / 션트 저항.
앞에서 설명한 것처럼 전압 강하는 연산 증폭기의 입력 전압과 동일합니다. 따라서, 부하에 의한 전류 싱크 = 입력 전압 / 션트 저항.
입력 전압이 변경되면 부하를 통한 전류 싱크도 변경됩니다.
디자인 개선
- 열 방출이 더 높으면 션트 저항기 와트를 늘리십시오. 션트 저항의 와트를 선택하기 위해 R w = I 2 R을 사용할 수 있습니다. 여기서 R w 는 저항 와트이고 I 는 최대 전류 흐름이고 R 은 션트 저항의 값입니다.
- LM358에는 단일 패키지에 두 개의 연산 증폭기가 있습니다. 이 외에도 많은 연산 증폭기 IC에는 단일 패키지에 두 개의 연산 증폭기가 있습니다. 입력 전압이 너무 낮 으면 두 번째 연산 증폭기를 사용하여 필요에 따라 입력 전압을 증폭 할 수 있습니다.