Comment concevoir une pompe à courant de précision avec Op

En théorie des circuits, les sources de tension et les sources de courant sont également idéales et également faciles à mettre en œuvre. Vous dessinez simplement un cercle, puis vous ajoutez des signes plus et moins pour la tension ou une flèche pour le courant. Vous avez maintenant un élément de circuit qui génère une tension spécifiée dans toutes les conditions ou qui entraîne un courant spécifié dans toutes les conditions.

Dans la vraie vie, les sources ne sont pas idéales et, de plus, l'approximation d'une source de tension théorique est beaucoup plus facile que l'approximation d'une source de courant théorique. Les sources de tension sont aussi simples qu'une batterie, une diode Zener ou un diviseur de tension résistif combiné à un tampon.

Les sources de courant, en revanche, nécessitent généralement une conception de circuit intelligente et une plus grande attention aux détails opérationnels.

Il existe différentes manières de concevoir une source de courant. Avant d'examiner une topologie à deux amplificateurs opérationnels, examinons brièvement quelques autres options. Vous pouvez en savoir plus sur tous ces sujets en cliquant sur les liens respectifs.

Une approche intéressante consiste à utiliser un régulateur de tension comme régulateur de courant :

Une autre option est un circuit basé sur un amplificateur dont j'ai parlé dans un article précédent sur la façon de concevoir une source de courant bidirectionnelle simple, contrôlée en tension. Un circuit basé sur un amplificateur rappelle vaguement la topologie à deux amplificateurs opérationnels, mais l'un des amplificateurs est un ampli d'instrumentation plutôt qu'un amplificateur opérationnel.

Enfin, nous avons la pompe à courant Howland, qui a été analysée en profondeur dans un article AAC écrit par le Dr Sergio Franco.

J'ai trouvé ce circuit, qui est décrit comme une "pompe à courant de précision", dans une ancienne note d'application d'Analog Devices. Il produit un courant de sortie bidirectionnel directement proportionnel à une tension d'entrée.

Voici le schéma du circuit d'origine :

Il y a quelques choses que j'aime dans ce circuit. Tout d'abord, seuls deux types de composants sont nécessaires : les amplificateurs opérationnels et les résistances.

Deuxièmement, les amplificateurs opérationnels ont le même numéro de pièce. Il est vrai que ce circuit utilise deux amplificateurs opérationnels alors que la pompe Howland n'en utilise qu'un seul, mais le fait que les deux amplificateurs opérationnels puissent être exactement la même partie est avantageux car vous pouvez utiliser un boîtier IC à double amplificateur opérationnel et ainsi minimiser tout un coût supplémentaire ou un espace de carte est requis pour le deuxième ampli-op.

Troisièmement, quatre des cinq résistances (R2, R3, R4, R5) peuvent avoir la même valeur, puis le gain tension-courant est contrôlé par une résistance (R1). La valeur de R2 à R5 n'est pas critique, vous pouvez donc adapter le circuit aux composants que vous avez déjà en laboratoire ou à une nomenclature existante. Gardez à l'esprit, cependant, que des résistances de plus haute précision produiront une source de courant de plus grande précision.

Quatrièmement, la tension d'entrée est différentielle. Cela vous donne une certaine flexibilité dans la façon dont vous fournissez la tension de commande et vous permet de tirer parti de la capacité de courant de sortie bidirectionnelle du circuit sans avoir besoin de générer une tension de commande qui s'étend sous terre.

Nous utiliserons une implémentation LTspice pour nous aider à analyser la source de courant à deux amplificateurs opérationnels.

Ici, j'utilise le LTspice "amplificateur opérationnel unipolaire idéal". Je l'ai d'abord essayé avec l'OP-77, mais la simulation ne s'est pas déroulée correctement. Il y a peut-être eu un problème avec le macromodèle OP-77, car j'ai une autre version du circuit qui utilise l'ampli-op LT1001A et il simule correctement.

Les circuits à source de courant constant reposent généralement sur un certain type de rétroaction qui amène une source de tension à produire un courant spécifié quelle que soit la résistance de charge. (Vous pouvez en voir un exemple simple dans le pilote de LED à tension contrôlée que j'ai conçu pour un projet de capteur de couleur.)

Dans la pompe de courant à deux amplificateurs opérationnels, U1 amplifie la tension de commande différentielle et U2 est configuré comme un suiveur de tension qui détecte la tension aux bornes de la charge et la renvoie à l'étage d'entrée.

La configuration de la source de tension illustrée ci-dessus produit une tension d'entrée différentielle qui varie de +250 mV à –250 mV. Selon l'équation fournie dans la note d'application, le courant de sortie devrait varier de 2,5 mA à –2,5 mA, puisque AV = 1 et R1 = 100 Ω, et c'est exactement ce que l'on observe :

Une chose à laquelle vous devez faire attention avec ce circuit est la tension de sortie U1. Tout le courant de charge provient de U1. Si nous négligeons les très petits courants qui traversent la résistance de rétroaction R4 et dans la borne d'entrée positive de U2, la tension à la borne de sortie de U1 sera égale à IOUT multiplié par la somme de la résistance de charge et de la résistance de R1.

\[V_{OUT,U1}\approx \left(R_{LOAD}+R1\right)I_{OUT}\]

Cette tension peut facilement dépasser ce que l'étage de sortie de l'ampli-op peut réellement générer, surtout si vous utilisez des rails de ± 3 V ou ± 5 V plutôt que les tensions d'alimentation analogiques de ± 12 V ou ± 15 V qui étaient, je crois, plus commun dans le passé.

En raison de cette limitation, je dirais que la pompe de courant à deux amplificateurs opérationnels est un bon choix pour les applications à faible résistance de charge et/ou à faibles courants de sortie.

Nous avons examiné rapidement un circuit de source de courant bidirectionnel qui a des exigences de nomenclature raisonnables et intègre un étage d'entrée de tension de commande différentielle. Dans le prochain article, nous utiliserons LTspice pour analyser plus en détail les performances du circuit.