In dieser Arbeit wird der sogenannte Bruton-Gyrator vorgestellt. Ein Schaltungstyp, der zu dieser Zeit im Audiobereich Anwendung fand, da Induktivitäten einfach durch aktive Schaltungen ersetzt werden konnten, die aus Operationsverstärkern, Widerständen und Kapazitäten bestanden. In diesem Fall wird eine andere Anwendung des Rotators vorgeschlagen, bei der er als Gleichstromquelle konfiguriert ist, deren Wert durch Einstellen eines Widerstands wählbar ist. Anwendungen der Stromquelle werden in der Polarisation von Hochstrom-LED-Dioden, Wheatstone-Brückensensoren und als Batterieladegerät entwickelt.
Hintergrund
Der Rotator ist ein Konzept, das 1948 von Bernard Tellegen entwickelt wurde, um jene elektronischen Schaltungen zu beschreiben, die in der Lage sind, das Verhalten einer Impedanz umzukehren. Einer der ursprünglich vorgeschlagenen rotierenden Schaltkreise wird durch zwei Operationsverstärker und vier Impedanzen beschrieben, wie in 1 gezeigt. Dieser Schaltkreis hat die Eigenschaft, das Frequenzverhalten der Impedanz Z4 zu modifizieren, die zwischen den Ausgangsanschlüssen 2 und 2 angeschlossen ist. Insbesondere wird die neue Impedanz, die über die Klemmen 1 und 1' gesehen wird, durch den Ausdruck gegeben:
Zinp=(Z1*Z3*Z5)/(Z2*Z4)
Die Schaltung in Abbildung 2 hat eine einfachere Konfiguration als die vorherige, da sie nur einen Operationsverstärker und drei Impedanzen verwendet, und wird Brutons Gyrator genannt, weil sie von diesem Ingenieur vorgeschlagen wurde [1]. Seine Eingangsimpedanz wird durch den Ausdruck bestimmt:
Zinp=(Z3*ZL)/Z2
Beachten Sie in diesem Fall, dass eine negative Eingangsimpedanz erhalten wird. Diese Tatsache bedeutet, dass wenn ein Spannungsgenerator an seinen Eingang angeschlossen wird, dieser bei positiven Werten der Spannung Strom aufnimmt und umgekehrt.
Auf diese Weise würde das Modifizieren einer ihrer Impedanzen gemäß Gleichung (2), wie z. B. der Z2-Impedanz als Kondensator und der anderen Impedanzen als Widerstandselemente, der Schaltung einen negativen induktiven Charakter verleihen, wie durch den Eingangsimpedanzausdruck gezeigt wird die resultierende Schaltung:
Zinp=- (R3*RL)/(1/(jwC2))= -jwL
siendo
L=C2∙R3∙RL
Ursprünglich wurden die Rotatoren für die Synthese von Induktivitäten in passiven RLC-Schaltungen verwendet, um sie auf diese Weise in aktive Topologien nur aus Widerständen und Kondensatoren umzuwandeln.
Als die Miniaturisierung zu neuen Möglichkeiten führte, wurde der Plattenspieler zu einem wichtigen Gegenstand, der in den 60er und 70er Jahren ebenso viele Anwendungen fand wie im Audiobereich. Bei ihnen war es sehr wichtig, beim Design von Filtern oder Entzerrern auf unbequeme Induktivitäten (sperrig, nicht wiederholbar und nicht leicht zu miniaturisieren) zu verzichten.
In diesem Artikel wird der Bruton-Gyrator als Gleichstromquelle vorgestellt, eine Anwendung, die sich von der historisch vorgeschlagenen unterscheidet. Es werden eine stromgesteuerte Stromquelle und verschiedene Anwendungen vorgeschlagen, in denen die entworfene Stromquelle angewendet werden kann.
Brutons Gyrator als Gleichstromquelle
Die Konfiguration als Stromquelle beginnt mit der Auswahl aller Bruton-Rotatorimpedanzen als Widerstandskomponenten und der Rotatorreferenz oder -eingabe durch eine Stromreferenz, die durch die integrierte Schaltung des REF200 implementiert wird. Dieses Bauteil enthält neben einem integrierten Stromspiegel zwei Präzisionsstromquellen, die jeweils einen Strom von 200 µA liefern. Abbildung 3 zeigt den Bruton-Gyrator, der für den Betrieb als stromgesteuerter Gleichstromgenerator konfiguriert ist. Der Ausgangsstrom (i_o) wird durch den Ausdruck definiert:
i_o=-(R2/R3)[r_e]
Der Wert des Ausgangsstroms i_o ist einfach durch die Steuerung der Widerstände R2 und R3 konfigurierbar, die wiederum diejenigen sind, die die Verstärkung der Schaltung definieren. Um also einen Strombereich zwischen 25 mA und 1,2 A zu erhalten, werden zwei Bipolartransistoren parallel am Ausgang des Operationsverstärkers eingebaut, wie in Abbildung 4 gezeigt, was der Schaltung mehr Stromkapazität verleiht.
Aufgrund der geringen Strombelastbarkeit des Operationsverstärkers (ca. 20 mA) wurden zwei Bipolartransistoren in Follower-Emitter-Konfiguration parallel geschaltet, so dass die resultierende Schaltung maximal Ströme bis 1,2 A liefern kann Verstärkung von 3000. Zu diesem Zweck wird die Stromreferenz der Schaltung (i_ref) auf -400 µA eingestellt, wobei die beiden 200-µA-Stromreferenzen intern der integrierten Schaltung REF200 parallel zugeordnet werden. Andererseits wird der Widerstand R3 als fester Bestandteil von 5,6 Ω mit der Fähigkeit gewählt, Leistungen von etwa 8 W abzuleiten, wodurch erkannt wird, dass der maximal zu unterstützende Strom in diesem Design 1,2 A beträgt.
Der Widerstand R2 wird von variabler Größenordnung sein und in der vorgeschlagenen Auslegung im Bereich von kΩ liegen. Auf diese Weise wird die Höhe des Ausgangsstroms gesteuert, wodurch maximale Ströme von bis zu 1,2 A mit Verstärkungen im Bereich von 63 bis 3000 erreicht werden können. Es wird eine symmetrische Stromversorgung von ±10 V verwendet.
Da jedes Design seine Grenzen hat, ist der Betrieb der vorgestellten Schaltung durch die maximale Ausgangsspannung (v_o) begrenzt, die der Operationsverstärker erreichen kann, was bedeutet, dass nicht der gesamte Strom angefordert werden kann, der von der Last gewünscht wird. Insbesondere muss diese Spannung immer größer sein als die Summe der Spannungsabfälle zwischen Basis-Emitter des Transistors plus dem Spannungsabfall am Widerstand R3 plus dem Spannungsabfall am Lastwiderstand RXNUMX. Somit muss der Ausdruck erfüllt sein:
V_sat,AO≥v_be,sat+I_o∙R3+I_o∙RL
Bei der ausgelegten Stromquelle und einer Versorgungsspannung von ±10 V beträgt die vom verwendeten Operationsverstärker (Typ OP07) maximal bereitgestellte Spannung etwa 8,4 V.
Unter diesen Bedingungen bedeutet ein korrekter Betrieb als Stromquelle, zwei Möglichkeiten in Betracht zu ziehen: entweder den Lastwiderstand (R_load) erhöhen und den Ausgangsstrom durch Programmieren des Widerstands R2 verringern oder den Lastwiderstand verringern und den Ausgangsstrom erhöhen. Wenn Gleichung 5 erfüllt ist, erhält das System ein für eine Stromquelle typisches Verhalten, bei dem es unabhängig von den Eigenschaften der Last sein muss, an die es seinen Strom liefert (ohmsche Last, Sensoren, LEDs usw.).
Tabelle I zeigt die mit der vorgeschlagenen Stromquelle erzielten Ergebnisse. Darin ist zu sehen, wie mit einer ohmschen Last RL immer unter den durch Gleichung (3000) festgelegten Bedingungen Stromverstärkungen von bis zu 1,2 und Ströme von 5 A erreicht werden können. Wie bereits erwähnt, wird die Verstärkung anhand des Werts des Widerstands R2 eingestellt.
Die implementierte Stromquelle findet nicht nur Anwendung bei der Versorgung ohmscher Lasten, sondern auch bei anderen Arten von interessanten Lasten wie Hochstrom-LED-Dioden, resistiven Sensorbrücken oder wiederaufladbaren Batterien. Im Folgenden wird gezeigt, wie die Anwendung der Stromquelle in einer solchen Situation gelöst wurde.
Anwendungen
Thermische Charakterisierung von Hochstrom-LED-Dioden
Hochstrom-LED-Dioden sind aufgrund ihrer langen Lebensdauer, ihres geringen Verbrauchs und ihrer hohen Effizienz derzeit aus anwendungstechnischer Sicht eine sehr interessante Technologie. Seine Konstantstromversorgung ist von besonderem Interesse, da dieses Verfahren einfach ist und sich sein Gleichspannungsabfall gemäß seiner statischen Kennlinie einstellt. Die vorgeschlagene Stromquelle ermöglicht die Polarisierung dieses Diodentyps, wenn hohe Stromstärken erforderlich sind. Andererseits ist es sehr einfach, Dioden parallel zu speisen und den Strom gleichmäßig zu verteilen, solange die Lasten ähnlich sind. Auch die Konstantstromversorgung von in Reihe geschalteten LED-Dioden ist möglich, solange Gleichung (5) erfüllt ist, da in diesem Fall die Lastspannung die Summe der Gleichabfälle der LED-Dioden ist.
Eine der ersten Erfahrungen war die Entwicklung und Nutzung der Stromquelle zur Temperaturcharakterisierung einer Power-LED-Diode. Abbildung 5 zeigt den verwendeten Versuchsaufbau. Die Konstantstrom-LED-Diode wurde vorgespannt, indem ein Satz von Werten (25 mA, 50 mA, 100 mA und 200 mA) ausgewählt wurde, indem der Wert des Widerstands R2 entsprechend angepasst wurde. Dabei wurde die LED-Diode jeweils einem Temperaturscan im Intervall [-40°C..+80°C] in einer Klimakammer unterzogen. Gleichzeitig wurde der Durchlassspannungsabfall über der Diode gemessen, so dass es eine Reihe experimenteller Messungen gibt, die die thermische Drift der Durchlassspannung VF der LED-Diode zeigen, wenn sie mit konstantem Strom vorgespannt ist. Die experimentellen Messungen werden automatisch durch eine entworfene Erfassungssoftware erfasst, und die Messausrüstung wurde durch den Personalcomputer über den IEEE488-Instrumentierungsbus gesteuert.
Die Kenntnis dieser thermischen Drift ermöglicht es uns, die thermische Stabilität dieser Komponente und die Notwendigkeit zu kennen, eine mögliche thermische Kompensation in den praktischen Schaltungen, in die sie eingreift, durchzuführen oder nicht. Abbildung 6 zeigt grafisch die thermische Entwicklung der Durchlassspannung VF der LED-Diode. Daraus kann gefolgert werden, dass die thermische Drift negativ ist und zwischen -2,27 mV/°C und -3,04 mV/°C liegt. Abbildung 7 zeigt die Stabilität der Stromquelle während des thermischen Charakterisierungstests.
Polarisierung von Wägezellen bei konstantem Strom
Eine weitere praktische Situation, in der eine Stromquelle angewendet wird, ist die Polarisierung von Sensoren. In dieser Arbeit wird vorgeschlagen, die Stromquelle zu verwenden, die in der Stromversorgung einer Wägezelle (vier in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration angeordnete Piezowiderstände) ausgelegt ist. Das Blockdiagramm dieser Anwendung ist in Abbildung 8 dargestellt.
Der Wägezellenhersteller empfiehlt darin eine Spannung von 10 V, daher muss bei einem Ersatzwiderstand von 400 Ω ein Stromwert von 25 mA durch entsprechende Anpassung des Widerstandes R2 gewählt werden. Die Zellkonditionierungsschaltung besteht aus einem integrierten Instrumentenverstärker (Modell INA110) und einem nichtinvertierenden Verstärker. Die kombinierte Wirkung ihrer Verstärkungen ermöglicht eine Empfindlichkeit von 1 V/kg im globalen Schaltkreis. Gemäß dem verwendeten Zellmodell (Vollausschlag von 15 kg) wurde die Belastungs-/Spannungscharakteristik experimentell ermittelt, indem 1-kg-Schritte der Eingangslast bis zu einem Maximum von 10 kg erzeugt wurden. Die ausgelegte Empfindlichkeit bedeutet, dass die Ausgangsspannung zwischen 0 V bei Nulllast und 10 V bei 10 kg Last liegt.
Abbildung 9 zeigt, wie die Konstantstromversorgung dazu beiträgt, eine optimale Linearität der globalen Konditionierungsschaltung zu erreichen. Es enthält die Reaktion der Schaltung auf zunehmende und abnehmende Reihen von Eingangslasten (zwischen 0 und 10 kg). Die relative Unsicherheit betrug weniger als 1,7 %.
Stichworte
LED-Dioden-Anwendungen; aktuelle Quelle
