設(shè)計(jì)一個(gè)Howland電流泵電路

時(shí)間：2024-12-10 16:03:43

關(guān)鍵字：電流泵運(yùn)算放大器平衡電阻器 LM741

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[導(dǎo)讀]Howland電流泵是由麻省理工學(xué)院的Bradford Howland教授于1962年發(fā)明的。它由一個(gè)運(yùn)算放大器IC和一個(gè)平衡電阻器橋組成，即使負(fù)載電阻值發(fā)生變化，也能在負(fù)載下保持恒定的電流值。在這里，我們將通過(guò)在硬件上構(gòu)建Howland電流源來(lái)了解其基本工作原理和電路。

簡(jiǎn)單電流源對(duì)于可變負(fù)載并不理想，因?yàn)橥ㄟ^(guò)負(fù)載的電流也隨著負(fù)載電阻的變化而變化。解決這個(gè)問(wèn)題的方法是采用恒流源，如Howland電流泵電路。

Howland電流泵是由麻省理工學(xué)院的Bradford Howland教授于1962年發(fā)明的。它由一個(gè)運(yùn)算放大器IC和一個(gè)平衡電阻器橋組成，即使負(fù)載電阻值發(fā)生變化，也能在負(fù)載下保持恒定的電流值。在這里，我們將通過(guò)在硬件上構(gòu)建Howland電流源來(lái)了解其基本工作原理和電路。

基本Howland電流泵電路圖

現(xiàn)在，通過(guò)應(yīng)用基爾霍夫電流定律和歐姆定律，我們看到輸出電流等于輸入電流和通過(guò)電阻R4的電流之和。

R1和R2與運(yùn)放形成一個(gè)相對(duì)于負(fù)載電壓VL的非反相放大器。因此，我們得到

將VA的值從式(2)代入式(1)，

現(xiàn)在，解出io = AV1 - VL/RO的值，

A = 1 / R1

因此，由式求RO值，可得：

為了使輸出電流相對(duì)于負(fù)載電阻的輸出電壓恒定或獨(dú)立，我們必須達(dá)到平衡橋條件，即

Howland電流泵的仿真

Howland電路是一種理想的電流源電路，它能使電流相對(duì)于負(fù)載電阻或電壓的變化保持恒定。在下面的模擬視頻中，你可以看到電流的值是恒定的，而不管RL。在這里，模擬運(yùn)行三次，負(fù)載電阻的三個(gè)不同值，即1k， 2k和3k，但電阻上的電流保持不變，而不考慮電阻的值。在這里，我們得到了在每種情況下的9mA恒流輸出。

所需的組件

?運(yùn)算放大器IC - LM741

?電阻- (3.9k - 2 no, 1K- 3 no)

?電路試驗(yàn)板

?9 v供應(yīng)

?連接電線

運(yùn)算放大器IC LM741

LM741運(yùn)算放大器是一種直流耦合高增益電子電壓放大器。它是一個(gè)有8個(gè)引腳的小芯片。使用運(yùn)算放大器IC作為比較器，比較兩個(gè)信號(hào)，即反相信號(hào)和非反相信號(hào)。在運(yùn)算放大器IC 741中，PIN2為反相輸入端，PIN3為非反相輸入端。這個(gè)IC的輸出引腳是PIN6。該集成電路的主要功能是在各種電路中進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。

當(dāng)非反相輸入電壓(+)高于反相輸入電壓(-)時(shí)，比較器輸出為高。如果反相輸入端(-)的電壓高于非反相端(+)，則輸出為L(zhǎng)OW。在這個(gè)無(wú)線開(kāi)關(guān)電路中，LM741用于向IC 4017提供從低到高的時(shí)鐘脈沖，每次通過(guò)LDR時(shí)。點(diǎn)擊這里了解更多關(guān)于運(yùn)算放大器741的信息。

LM741的引腳圖

LM741引腳配置

測(cè)試Howland電流泵硬件

根據(jù)歐姆定律，增加負(fù)載電阻值也會(huì)改變負(fù)載上的電壓。但一個(gè)理想的電源應(yīng)該保持恒定的電流流過(guò)負(fù)載電阻。下面是測(cè)試Howland電流泵電路的硬件設(shè)置，這里的9v電源是通過(guò)RPS(穩(wěn)壓電源)提供的，但9v電池也可以用于測(cè)試。在這里，我們用2k和3.9k的負(fù)載電阻測(cè)試了電路，并使用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量了負(fù)載上的電流。如下圖所示，兩種情況下電流都保持恒定。