Źródło prądowe ±1A sterowane napięciem ±10V – ADA4870, OPA547, pompa Howlanda, schematy

Pytanie

regulowane napieciem +-10V sterowane źródło prądowe +-1A

Odpowiedź Sztucznej Inteligencji

Bezpośrednia odpowiedź na pytanie

• Źródło prądowe ±1 A sterowane napięciem ±10 V (transkonduktancja 0,1 A/V) najprościej zbudować w oparciu o wzmacniacz operacyjny wysokoprądowy (np. ADA4870, OPA547/548) współpracujący z rezystorem pomiarowym Rs i komplementarnym stopniem mocy.
• Kluczowe elementy: precyzyjny Rs (0,1 Ω … 1 Ω), stabilna pętla sprzężenia zwrotnego, odpowiednie zasilanie (typ. ±18 … ±24 V) oraz solidne chłodzenie tranzystorów/układu scalonego.
• Alternatywy: ulepszona pompa prądowa Howlanda, mostek H-bridge z pomiarem prądu, moduły gotowe (np. moduł ADI CN-0412).

Szczegółowa analiza problemu

1. Parametry i relacje

Transkonduktancja:
\[ Gm=\frac{\Delta I{OUT}}{\Delta V_{IN}}=\frac{2\,\text{A}}{20\,\text{V}}=0{,}1\;\text{A/V} \]
Wymagany prąd |I_OUT| ≤ 1 A przy |V_IN| ≤ 10 V.

2. Wybór topologii

3. Minimalny schemat (wariant A – ADA4870)

1. ADA4870 zasilane ±17 V (limit układu) – umożliwia pełne wyjście ±12 V przy I_OUT = ±1 A.
2. Rs = 0,1 Ω / 2 W, podłączony w pętli sprzężenia zwrotnego (Kelvin).
3. Wewnętrzny wzmacniacz porównuje V_IN z napięciem na Rs (IOUT·Rs) i reguluje wyjście tak, aby:
   \[ I{OUT} = \frac{V_{IN}}{Rs} = \frac{V{IN}}{0,1\,\Omega} = 10 \cdot V_{IN} \]
   Aby zachować G_m = 0,1 A/V, należy zredukować V_IN do ±0,1 V (np. dzielnik 1:100 na wejściu) lub wzmocnienie różnicowe x0,1.

Korzyści małego Rs: mała moc
\[ P_{Rs,max}=I^2 R_s = (1\,\text{A})^2 \cdot 0,1\,\Omega = 0,1\,\text{W}. \]

4. Kompensacja i stabilność

• ADA4870 i OPA547 są stabilne dla kapacytancji do kilkuset pF; przy przewodach > 10 cm wstaw 5 Ω rezystor w szereg z wyjściem.
• Dla tranzystorowej wersji: kompensacja Millerem (47…100 pF) + rezystory bazowe 47…100 Ω.

5. Zarządzanie termiką

• Tranzystory mocy (TIP35C/TIP36C albo MOSFETy IRF9Z34N/IRLZ44N) oraz wzmacniacze w obudowach TO-220/TO-247 wymagają radiatora 5 … 15 K/W.
• Czujnik temperatury (PT100, termistor) można sprzęgnąć z obniżeniem maks. I przy > 80 °C.

6. Pasmo i dynamika

• Slew rate ADA4870: 250 V/µs → sinusoida 100 kHz, 10 Vpp < 5 % zniekształceń.
• W układzie dyskretnym ograniczeniem będzie szybkie przełączanie tranzystorów klasy AB (d > 10 µs).

Aktualne informacje i trendy

• Nowe układy rail-to-rail 1 A (Analog Devices ADA4870, TI OPA593) ułatwiają budowę kompaktowych VCCS.
• Coraz częściej stosuje się sterowanie cyfrowe (DAC + MCU) lub interfejsy SPI/I²C (np. Maxim MAX5581 + wzmacniacz mocy).
• PCB z wbudowanymi czujnikami Shunt (Allegro ACS724) pozwalają mierzyć prąd bez bocznika rezystancyjnego.

Wspierające wyjaśnienia i detale

• „Transkonduktancja” jest odpowiednikiem wzmocnienia: mówi, ile amperów wychodzi z układu na każdy wolt sterujący.
• Pompa Howlanda zachowuje się jak idealne źródło prądowe niezależne od impedancji obciążenia, o ile rezystory są sparowane lepiej niż 0,1 %.
• Przy małym Rs napięcie pomiarowe jest rzędu setek miliwoltów – konieczny wzmacniacz różnicowy o niskim offset (INA210, AD8418).

Aspekty etyczne i prawne

• 1 A przy napięciu > 20 V może przekraczać dopuszczalny prąd dotykowy – wszystkie zaciski wyjściowe muszą być izolowane ochronnie (IEC 61010-1).
• Radiatory i elementy mocy muszą być uziemione lub odseparowane, aby uniknąć poparzeń użytkownika.

Praktyczne wskazówki

1. Ścieżki prądowe ≥ 2 mm / A (FR-4 35 µm) lub wzmocnienie cyną.
2. Rs lutuj w układzie Kelvin, a linie pomiarowe prowadź symetrycznie do wejść różnicowych.
3. Przy obciążeniu indukcyjnym (cewki) zabezpiecz wyjście diodami Schottky’ego 2× 40 V / 3 A.
4. Symuluj (LTspice/TINA-TI) z rzeczywistymi modelami termicznymi, aby ocenić stabilność i moc strat.

Ewentualne zastrzeżenia lub uwagi dodatkowe

• Wzmacniacze operacyjne mocy tracą > 3 V head-room; przy małych napięciach obciążenia może zabraknąć zapasu.
• Obciążenia silnie kapacytatywne (> 1 µF) mogą wzbudzić układ – konieczna sieć Zobel (0,1 µF + 10 Ω).

Sugestie dalszych badań

• Przetestować topologię Current-Mode-Control z pomiarem prądu w konwerterach impulsowych – poprawa sprawności do 90 %.
• Zbadać zastosowanie wzmacniacza transkonduktancyjnego OT-A (np. LM13700) dla prądów ≤ 100 mA i skalować przez kaskadowanie.
• Przeanalizować gotowe moduły ADI CN-0412, CN-0413 (±200 mA) – koncepcje sterowania i ochrony.

Krótkie podsumowanie

Zaprezentowano praktyczne sposoby budowy bipolarnych źródeł prądowych ±1 A sterowanych napięciem ±10 V. Najmniej kłopotów sprawia jednoukładowe rozwiązanie z ADA4870/OPA547 plus Rs oraz odpowiednie chłodzenie. Przy większych wymaganiach kosztowych lub mocowych warto rozważyć dyskretny stopień mocy lub ulepszoną pompę Howlanda. Kluczowe jest prawidłowe skalowanie Rs, stabilizacja pętli oraz inżynieria cieplna.