Źródło prądowe ze wzmacniaczem operacyjnym

Zacznijmy od tego, że nazwa "źródło prądowe" mi się nie podoba. Słowo "źródło" sugeruje raczej element wytwarzający energię, na przykład baterię lub zasilacz. Wzmacniacz operacyjny oczywiście nie jest elektrownią i prądu sam z siebie wytworzyć nie potrafi. Zdecydowanie lepszym określeniem było by słowo "ogranicznik", gdyż prezentowane tu układy tak właśnie się zachowują. Pozwalają na przepływ prądu nie większego, niż ustawiony. Może być mniejszy, ale nie może przekroczyć wartości granicznej, choćby nawet było zwarcie w układzie.

Z oczywistych powodów takie rozwiązania znajdują zastosowanie w zasilaczach, aby w razie nieprawidłowej pracy układu nie popłynąć duży prąd, który mógłby spalić elementy. Innym zastosowaniem jest sterowanie diod LED, bo jasność diody łatwiej można regulować sterując ją prądowo niż napięciowo. W samym wzmacniaczu operacyjnym znajduje się kilka źródeł prądowych!

Popatrzmy więc na pierwszy schemat. Wzmacniacz tak steruje pracą tranzystora, by napięcie występujące na rezystorze było takie samo jak napięcie na wejściu nieodwracającym. To jest bardzo proste i wszystko sprowadza się (kolejny raz!) do prawa Ohma. Symbolem żarówki oznaczyłem obciążenie, czyli to czym chcemy sterować - może to być dioda, rezystor, cokolwiek.

Po co jest tranzystor? W niektórych przypadkach można go pominąć i wyjscie wzmacniacza dołączyć prosto do rezystora i obciążenia. Jednak w większości przypadków wyjście wzmacniacza ma obciążalność rzędu kilkudziesięciu miliamperów, co może być niewystarczające. Wtedy najprostszym sposobem jest wyposażenie wzmacniacza w dodatkowy stopień wyjściowy w postaci pojedynczego tranzystora.

Poniżej mamy bliźniaczo podobny układ, w którym wszystko jest odwrócone. Podobnie jak wcześniej, prąd wyznacza napięcie na rezystorze R, jednak jest on podłączony do zasilania, a nie do masy. W związku z tym, napięcie na tym rezystorze to różnica napięcia zasilającego oraz Vin. Czy ta zmiana ma jakieś praktyczne znaczenie? Taki układ stosuje się, kiedy obciążenie z jakiegoś powodu musi być połączone z masą. Pamiętać trzeba, że w tym układzie prąd wyjściowy zależy od dwóch napięć - wejściowego i zasilania. Jeśli napięcie zasilające jest niestabilne, wówczas całe źródło prądowe będzie działać kiepsko.

Co się stanie, jeśli obciążeniem będzie zwarcie? Nic. Będzie płynął dalej taki sam prąd jak wcześniej. Można to sprawdzić amperomierzem. A co w przypadku, jeśli podłączymy odbiornik o dużej rezystancji lub nie podłączymy go wcale, zostawiając przerwę w obwodzie? Wówczas układ wejdzie w nasycenie i prąd będzie płynął z wyjścia wzmacniacza przez złącze baza-emiter. Przy projektowaniu źródła prądowego trzeba wziąć pod uwagę rezystancję obciążenia i przemnożyć ją przez prąd, jaki ma przez nie płynąć. Dostaniemy wtedy napięcie, jakie musiałoby się pojawić na obciążeniu, by spełnić żądane warunki. Jeśli to napięcie przekracza napięcie zasilania, wówczas układ nie będzie działał.

Tranzystor bipolarny jest dobry, jeśli w naszym układzie mają płynąć niewielkie prądy, powiedzmy do 100mA, góra do 500mA. Dobre są popularne klasyki, takie jak BC547, BC557, BC368, BC369. Jeśli chcemy sterować większym prądem, lepiej będzie wziąć tranzystor polowy - jest ich szeroki wybór, a w szczególności często są stosowane tranzystory MOSFET N serii IRF oraz BUZ.