¿Necesita ayuda con OpAmp y FET para un VCVS?

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Quiero crear una fuente de voltaje controlado por voltaje que suministre energía a una carga resistiva (\ $ 1.67 \, \ Omega \ $, \ $ \ approx \ $ \ $ 7 \, \ mathrm {A} \ $ @ \ $ 12 \, \ mathrm {V} \ $). La disipación de la carga se calculará a partir de las mediciones de caída de voltaje y corriente mediante un sistema de control que ajusta el voltaje del VCVS con una salida DAC (\ $ V_2 \ $).

Adapté un circuito que encontré en línea ( vea la primera imagen aquí ) para mi solicitud:

ElFETdecanalNoriginalfuereemplazadoporunFETdecanalPporquepuedoacercarmemásaV1coneso.Elegí IRFP9140 para obtener el máximo actual, bajo \ $ R_ {DS, en} \ $, clasificación de alta potencia y estuche fácil de usar: puedo conectarlo a un disipador de calor. A medida que la tensión de control barre de \ $ 0 \ $ a \ $ 5 \, \ mathrm {V} \ $, la disipación máxima esperada en Q1 es de aproximadamente \ $ 22 \, \ mathrm {W} \ $ para \ $ V_2 = 2.5 \, \ mathrm {V} \ $.

La tensión de salida se reduce al rango DAC de R2 y R3 y se alimenta al OpAmp, que da salida a la puerta Volgate de Q1. Así que tuve que elegir un OpAmp y terminé con el LT1218 . Básicamente, repasé la lista de modelos disponibles en LTspice y este se ajustó a mi voltaje de alimentación (\ $ V_1 = + 12 \, \ mathrm {V} \ $) y tiene entradas y salidas de riel a riel. Probablemente hay mejores opciones.

No estoy seguro de si R4 es necesario. Lo he visto en muchos circuitos y la gente parece incluirlo para limitar la salida de OpAmp.

¿Este circuito parece razonable dado que

  • No necesito una salida altamente precisa (esto es parte de un sistema de control que ajusta \ $ V_2 \ $ a sus necesidades);
  • la eficiencia no importa;
  • el tamaño no importa, puede ser una gran PCB;
  • igual para enfriamiento, incluyendo agregar un ventilador;
  • Necesito varios de estos;
  • el circuito debe ser fácil de construir y probar;
  • Puedo reemplazar R1 con un valor mayor cuando la disipación máxima deseada en R1 es menor que en el circuito que se muestra.

Este es mi primer intento de usar un OpAmp en un circuito real, y nunca he usado un transistor para otra cosa que no sea encender y apagar una carga. Estoy muy contento con los consejos sobre ambos componentes.

Editar

Como se sugiere en los comentarios, simulé un paso en VC (V2 en la imagen de arriba) de 0 a 3 V y el resultado es bastante decepcionante:

Elresultado:

En primer lugar, el voltaje de salida necesita algo de tiempo hasta que se eleva a un valor limitado por el Q1's \ $ R_ {DS, on} \ $ y luego cae aproximadamente al valor deseado (\ $ 12 * 3/5 = 7.2 \, \ mathrm {V} \ $), pero oscilaciones. El rebasamiento inicial puede no ser realmente un problema en la aplicación real; lo que más me preocupa es el hecho de que no sé por qué sucede eso.

La planta es demasiado lenta para el OpAmp, ¿así que básicamente estoy buscando una manera de hacer que aparezca más rápido?

Editar 2

La adición del capacitor sugerido entre la salida del OpAmp y la entrada negativa, así como una resistencia en la entrada de voltaje de control fue muy efectiva.

Lasalidaseasientadespuésdeunos150µs:

Edición 3: otros OpAmps que he simulado

"swings": no pude hacer que el VO se establezca a la tensión deseada, incluso con diferentes valores para R4, R5 y C2.

  • LT1636: columpios
  • LT1637: la salida se asienta (simulación transitoria), pero la simulación de barrido de CC no terminará. Sin embargo, una simulación transitoria muy lenta durante un período de 5 segundos en diente de sierra en V2 muestra el comportamiento deseado. No estoy seguro de lo que eso significa. Más barato que LT1218.
  • LT6003: columpios
  • LT6013: la salida se resuelve, pero solo sigue a \ $ V_2 \ $ para \ $ V_2 > 0.7 \, \ mathrm {V} \ $ (este no tiene entradas de riel a riel)
  • OP184: la salida se resuelve (parece funcionar tan bien como el LT1218, pero más barato)
  • AD820A: la salida se resuelve, y esta parte fue más fácil de obtener en un paquete DIP. También más barato que el LT1218.

Edición 4: parece funcionar

He construido el circuito con un IRFP9140N y un AD820A, con todas las resistencias y condensadores como se muestra en el último diagrama del circuito, y parece funcionar como se desea.

    
pregunta Christoph

2 respuestas

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En general, con los mods discutidos para la estabilidad, creo que este es un buen circuito. Necesitas un amplificador operacional con salida de riel a riel (o cerca) pero todo lo demás no es crítico.

Apruebo el uso de un MOSFET compatible con 180W en esta aplicación (lineal). Ciertamente, puedes usar un BJT o un Darlington (o un Sziklai pair ) pero no hay muchas razones para hacerlo. ese nivel de poder

De manera similar, el amplificador operacional puede ser un poco excesivo, probablemente podrías usar uno más barato, o uno de precisión aún más costoso, pero debería estar bien. Hay más compromiso en el uso de amplificadores operacionales con R-R entrada que salida, y en este caso es innecesario, así que supongo que ese es un punto que podría mejorarse.

Sin embargo, creo que es un excelente primer disparo, y no olvides los condensadores de derivación de la fuente de alimentación cuando construyes el circuito real. ¡Buen trabajo!

    
respondido por el Spehro Pefhany
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Este es un tipo de cosa de un cuadrante, lo que significa que suministra una polaridad de voltaje y puede generar corriente. Como tal, es asimétrico, mientras que la salida se puede subir con \ $ Q_1 \ $, se basa en la carga de salida para bajar. Entonces, la carga se vuelve muy importante para todo comportamiento dinámico.

En general, el circuito es como agregar un búfer que tiene voltaje y ganancia de corriente a un OpAmp. Ese búfer está dentro del bucle de realimentación del OpAmp. Entonces, ese nuevo búfer ve todas las características de bucle abierto del OpAmp. Además, el ancho de banda de OpAmp tendrá que ser menor que el ancho de banda de 3dB del búfer. Nota: cuando agregó \ $ C_2 \ $ alrededor de \ $ U_1 \ $, se reduce el ancho de banda de \ $ U_1 \ $ para que sea compatible con el búfer de \ $ Q_1 \ $. También se deshizo de \ $ C_1 \ $ (aparentemente), lo que aumentó el ancho de banda de \ $ Q_1 \ $ buffer.

Comience con la etapa de salida porque eso impulsará casi todo. La etapa de salida es \ $ R_g \ $, \ $ Q_1 \ $, \ $ R_1 \ $ y \ $ C_1 \ $ (si hay una). \ $ R_g \ $ incluye \ $ R_4 \ $ más la impedancia de salida de bucle abierto de \ $ U_1 \ $. Aquí hay una función de transferencia para ello:

\ $ \ frac {V_o} {U_1 \ text {output}} \ $ = \ $ \ frac {R_1 s C _ {\ text {gd}} - R_1 g_f} {s C _ {\ text {gd}} \ left (R_1 s C _ {\ text {gs}} R_g + R_1 g_f R_g + R_g + R_1 \ right) + s C _ {\ text {gs}} R_g + 1} \ $

Es un poco áspero, y te dejaré descubrir cómo es que el primero de los 2 polos aparece a unos 100 kHz, pero puedes ver de inmediato que la ganancia de CC de la etapa de salida será:

\ $ A_o \ $ = \ $ g_f R_1 \ $

Entonces, la ganancia del búfer se escala con \ $ Q_1 \ $ transconductance and load. Con \ $ R_1 \ $ de ~ 2 Ohmios y \ $ g_f \ $ de 7 S (para un IRFP9140), \ $ A_o \ $ es ~ 23dB. Si \ $ R_1 \ $ aumentó a 20 ohmios, \ $ A_o \ $ sería ~ 43dB. Esta dependencia de la ganancia del búfer en la carga puede ser un problema para la estabilidad del bucle.

Algunas reflexiones sobre la elección de \ $ Q_1 \ $

  • Elija un FET con \ $ V _ {\ text {ds}} \ $ > 1.5 \ $ V_1 \ $
  • La potencia será primordial y se necesita un TO-220 o un paquete con igual resistencia térmica.
  • \ $ R _ {\ text {ds}} \ $ no importa. Como esta operación será lineal, \ $ Q_1 \ $ nunca se activará lo suficiente como para ver \ $ R _ {\ text {ds}} \ $. Simplemente elija un FET que tenga suficiente capacidad \ $ I_d \ $.
  • Elija una parte con un \ $ g_f \ $ inferior. Eso reducirá la sensibilidad de ganancia a la carga.
  • Elija una parte con menos \ $ C _ {\ text {gd}} \ $ porque junto con \ $ R_g \ $ y \ $ g_f \ $ definen la ubicación del polo dominante del búfer.
  • Evite un capacitor de salida como \ $ C_1 \ $, y si no puede, entonces puede olvidarse de \ $ C _ {\ text {gd}} \ $, porque ese será el límite dominante en el ancho de banda del búfer.

En cuanto al OpAmp

  • Elija uno que tenga menos ancho de banda que el búfer. O, como lo ha hecho, limítelo con un condensador Miller local.
  • Elija un OpAmp que tenga una buena impedancia de salida de bucle abierto. Por ejemplo, el LT1218 \ $ R_o \ $ es ~ 400 Ohms. Si el OpAmp tiene ese tipo de \ $ R_o \ $, eléctricamente \ $ R_4 \ $ no sería necesario.
respondido por el gsills

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