Superar vbe en una aplicación de bajo voltaje

Solución rápida y sucia:

• Reemplace el NPN con un transistor PNP o un P-MOSFET.
• Intercambie la entrada que no se invierte con la entrada de inversión en el amplificador operacional.
• Agregue una resistencia de 100 Ω entre la salida del amplificador operacional y la base de PNP para mayor seguridad. Salta esto si estás usando un P-MOSFET.

Tal vez no puedas adquirir un PNP o un P-MOSFET, en ese caso, simplemente deja que el amplificador operacional realice algunos cálculos matemáticos para que todo esté bien.

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

De esta manera, el op-amp ejecutará esta expresión, \ $ V_ {motor} = V_ {DAC} \ $, si no hubiera habido ningún cálculo matemático y simplemente intercambias el transistor NPN con el motor. habría sido \ $ V_ {motor} = 3.7-V_ {DAC} \ $.

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Andy Aka señaló que el esquema anterior oscilará. Así que intenté ese esquema en una placa de pruebas pero con un N-MOSFET en lugar de un NPN y tenía razón. Osciló a 180 kHz.

Sin embargo, después de conectar un condensador de 3.3 µF de tierra a drenaje, o un colector en el esquema anterior, si utilizara un transistor NPN, el problema desapareció. Pero Andy Aka no cree que sea confiable.

Dicho esto, no uses mi diseño si tu dispositivo que estás haciendo tiene elementos que ponen en peligro tu vida.

No eliminaré esta respuesta porque la primera parte de la respuesta dice claramente " solución rápida y sucia ".

1. No trates de hacer esto linealmente.
2. No intentes hacer esto con un BJT.

Prueba esto:

Elmotorsiempreseenciendeoapagaporcompleto.Paraentrarenelcontrolintermedio,secambiaentreencendidoyapagadolosuficientementerápidoparaqueelmotorno"vea" los pulsos, solo el promedio. Esto se denomina modulación de ancho de pulso o PWM, para abreviar.

La principal ventaja es que se disipa muy poca energía en el controlador. La mayoría de las veces, el interruptor (Q1 en el circuito anterior) está completamente apagado (sin corriente), o completamente encendido (muy poco voltaje). De cualquier manera, disipa poco poder.

Este FET también alcanza los 37 mΩ cuando se maneja con 2.5 V en la puerta. A su corriente máxima de 120 mA, caerá menos de 5 mV, o aproximadamente el 0.12% de la tensión de alimentación. Se disipará alrededor de medio milivatio, que es tan poco que no podrás notar el aumento de temperatura con un dedo.

Una frecuencia PWM en el rango de 24 a 30 kHz suele ser buena para los motores. El mecanismo motor responde mucho más lentamente que eso, pero esto está por encima de la audición humana para evitar quejidos audibles. También desea que la corriente a través de las bobinas del motor sea bastante estable y no suba y baje demasiado en cada ciclo.

La producción de PWM a partir de un valor de control es trivial en la actualidad. La mayoría de las veces, el valor de control será digital de todos modos, por lo que solo se trata de hacer una pequeña conversión en el microcontrolador. Casi todos los micro tienen capacidad de salida PWM. Hay muchos que tienen mucha resolución de ciclo de trabajo a una frecuencia PWM de 25 kHz.

Por ejemplo, digamos que quería un control de 8 bits (256 niveles de unidad efectivos) a 25 kHz. Eso requiere solo un reloj de 6.4 MHz al módulo PWM.

El resto es firmware.

También hay chips independientes disponibles que hacen que PWM tenga un ciclo de trabajo proporcional a una tensión de entrada analógica. Sin embargo, PWM es básicamente libre en el micro que inevitablemente está allí de todos modos.

  

¿Qué topologías de circuito están disponibles que maximizarían el voltaje?   ¿El rango va al motor (y la corriente de accionamiento)?

Con solo una batería de 3.7 voltios y el requisito de conducir hasta 3.6 voltios en el motor, me sentiría tentado a construir un elevador de voltaje de bajo suministro de energía. Me quedaría con la idea general de un seguidor de emisor (o fuente) BJT (o MOSFET) para mejorar la potencia de salida del amplificador operacional porque es una solución mucho más estable que un circuito de fuente (emisor) común por las razones I dio otra respuesta. La razón por la que es más estable es porque un seguidor de voltaje tiene una ganancia de unidad o menos y no cambia tanto la fase para plantear un problema de oscilación cuando el bucle está cerrado.

Me sentiría tentado por algo como esto: -

Se ejecutará con una eficiencia de casi el 90%, por lo que la mayoría de las aplicaciones deberían estar bien. Lo sugeriría, pero compruebe los cálculos de la duración de la batería.

También consideraría usar un amplificador operacional riel a riel para el circuito de accionamiento del motor y, dada la naturaleza de baja potencia del motor, creo que se preferiría un BJT. Verifique el calor disipado por el BJT; con un voltaje de 50% (2.5 voltios) a 120 mA, la disipación es de 300 mW y es posible que se requiera un poco de disipador de calor.

Use un PNP en lugar de un NPN e intercambie las entradas, pero no olvide compensar la ganancia extra. Aquí, C1 envía cualquier frecuencia alta directamente a la entrada, lo que ralentiza la respuesta del opamp, y el C2 multiplicado por el molinero ralentiza el Q2 en gran medida.

Calcular los valores reales de estos no es tan fácil.

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Independientemente de la topología de control lineal que elija (NPN o PNP), necesitará al menos 200 mV \ $ V_ {CE} \ $ para mantener el transistor fuera de saturación y mantener la ganancia actual hacia adelante \ $ \ beta \ $.

Por lo tanto, el mejor escenario es una salida máxima de 3.5 V para su motor de 3.6 V.

Una simple bomba de carga para darle a OA1 un espacio adicional de 400 mV mientras mantiene el colector de Q1 en la batería, sería la forma más sencilla de agregar un poco más de voltaje de salida.

La razón por la que su circuito no va al riel es porque está usando un seguidor de voltaje.

El truco es cambiar las cosas y usar un controlador inversor como el que se muestra a continuación. Tenga en cuenta que las entradas al amplificador operacional se invierten de su solución original. Debido a que M1 agrega una inversión al circuito, (el voltaje en el motor aumenta cuando la salida del amplificador operacional disminuye), efectivamente cambia los pines del amplificador operacional alrededor.

Mientras elija un MOSFET con un Vgs suficientemente bajo, este circuito debe conducir de riel a riel.

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

También puede usar un PNP en lugar del MOSFET, pero el amplificador operacional debe poder extraer suficiente corriente de base para amplificarse a la corriente del motor deseada.

NOTA: Este tipo de circuito puede oscilar y, por lo tanto, es posible que se requieran algunos componentes adicionales y ajustes para que funcione correctamente.