¿Cómo probar y calificar un regulador de caída baja construido en casa?

Construí un regulador de caída baja siguiendo las experiencias de construcción de un regulador lineal discreto. El circuito es simple así:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Me gustaría saber cómo probar el voltaje máximo de entrada y salida, el transporte de corriente y las clasificaciones de disipación de calor de este circuito con las partes especificadas en el circuito, así como su caída de voltaje mínima.

Al suministrar 5,5 V regulados a este circuito, puedo obtener el máximo de 5,4 V en la salida con una carga de 30 mA. ¿Esto significa una caída mínima de 0,1 V a 30 mA?

También obtuve un mínimo de salida de voltaje de 2.5V sin carga. ¿Cómo modificar este regulador para que pueda cerrar la carga girando la olla en un sentido hasta el final?

¿También es un problema el amplificador operacional que recibe energía de la entrada no regulada?

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Dado que este circuito no está protegido, ¿cómo agregar protección contra sobrecorriente? Estoy considerando usar LM358 en lugar de LM741 como chip de amplificador operacional, y cómo construir el circuito de detección de corriente y protección contra sobrecorriente usando el amplificador operacional adicional de LM358, una resistencia de derivación y algunos MOSFET más. (Tengo 2N7000, BS250y piezas IRF4905de IRF540repuesto a granel)

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Redondeando sugerencias, ¿parece este un circuito mejor?

esquemático

simular este circuito

La referencia se modifica según la sugerencia de @SpehroPefhany de usar un TL431 alimentado a través de una resistencia de 680 Ω. El viejo 741 se intercambia con el amplificador operacional dual de riel a riel OPA2134 (¡caro!) Según la sugerencia de @andyaka . Se intenta alguna compensación de frecuencia utilizando el condensador C3 en la puerta del transistor de paso M1.

Mi intención de la protección contra sobrecorriente es así:

El segundo amplificador operacional en el paquete OPA2134 está conectado a un amplificador diferencial, monitoreando la diferencia de voltaje entre la resistencia de derivación de corriente R4. Cuando la corriente se acerca a 4A, la caída de voltaje en R4 aumenta hasta el punto en que la salida de voltaje del amplificador diferencial OA1b se acerca al voltaje de umbral de 2N7000 y comienza a empujarlo, bajando el voltaje en la entrada inversora del amplificador de error OA1a, empujando el voltaje de la puerta de M1 más alto y comienza a apagar M1.

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Redondeando sugerencias de nuevo, ¿sería esto mejor?

esquemático

simular este circuito

El amplificador operacional ya no impulsa directamente el MOSFET de paso, y el voltaje de derivación actual se compara directamente con el voltaje de umbral de un MOSFET PNP BJT. Esto debería poder eliminar la necesidad de un amplificador operacional RRIO. Todavía estoy usando un LM358 relativamente moderno, pero ¿el 741 es adecuado aquí ahora?

"¿También es un problema el amplificador operacional que recibe energía de la entrada no regulada?" El parámetro para esto se llama "regulación de línea" y es algo que desea caracterizar.
@IgnacioVazquez-Abrams Entonces por favor dime como caracterizarlo?
Varíe la entrada y vea cómo cambia la salida.
@IgnacioVazquez-Abrams ¿Más detalles por favor?
@MaxthonChan: Escribiste: "Also is the op-amp getting power from the unregulated input a problem?"¿De qué otra manera podría funcionar?

Respuestas (3)

Le sugiero que no use un diodo zener de 3.3V como referencia; obtendrá una regulación de línea horrible (y rechazo de ondulación), especialmente con una resistencia como fuente de corriente, así como una mala estabilidad de temperatura.

Al menos use un TL431 (casi tan barato como un zener en volumen) que (si le da> 1 mA) mantendrá un voltaje muy constante (nominalmente 2.495 V) y tiene una estabilidad de temperatura bastante razonable. Su 1uF en paralelo debería resultar en una estabilidad incondicional.

Un LM358 debería funcionar bien con una resistencia pull-up suficientemente baja para permitir que la salida se acerque al riel positivo para que el MOSFET pueda apagarse. El LM358 es bueno para 32 V, su puerta MOSFET probablemente no esté clasificada para 32 V, por lo que limita su entrada máxima a menos que mejore su circuito.

No ha hecho ningún intento de lidiar con la compensación (de frecuencia). En algún momento (probablemente muy pronto) descubrirá por qué los LDO tienen problemas en esta área cuando se convierte en un oscilador. Es posible que no vea fácilmente la oscilación en la salida debido al enorme capacitor, así que mire la salida del amplificador operacional para ver si el circuito es estable.

De todos modos: cómo probar

  1. Prueba de regulación de línea y carga para el rango de entrada nominal con diferentes cargas (mínima a máxima y algunas intermedias). Mida el voltaje de salida para cada uno.

  2. Estabilidad de la temperatura: repita las pruebas a diferentes temperaturas, desde el mínimo hasta el máximo.

  3. Estabilidad: cambie la carga de máximo a mínimo con diferentes voltajes de entrada y observe el comportamiento de salida, buscando caídas o sobreimpulsos cuando la carga aumenta o disminuye repentinamente.

  4. Rechazo de ondulación: aplique algo de ondulación en la entrada a la frecuencia deseada y observe cuánto llega a la salida.

  5. Caída: observe el comportamiento de la salida a medida que la entrada aumenta de cero a un voltaje unos pocos voltios por encima de la salida, con varias cargas.

También puede medir la corriente de reposo Iq, si lo desea. Si su resistencia pullup es muy baja (como 1K), puede ver un aumento significativo en la corriente a medida que los rieles del amplificador operacional para un alto voltaje de salida establecido y una entrada ligeramente demasiado baja para regular.

Se modificó el diseño para incluir compensación de frecuencia bruta y protección contra sobrecorriente. ¿Es suficiente?
No creo que Andy sugiriera un OPA2134; parece extraordinariamente inadecuado para las tareas a las que lo ha asignado, además de ser costoso.
Andy sugirió un moderno, de riel a riel y mi búsqueda en Taobao (equivalente chino de eBay) arrojó este OPA2134. Otras partes de riel a riel son aún más caras.
La cuestión es que puede ser relativamente moderno (últimos 20 años), pero no es una entrada o salida de riel a riel. Es incluso peor que el 741. En realidad, es un gran amplificador de audio (ruido bajo, distorsión súper baja, giro rápido) pero tiene una precisión de CC mediocre. Necesita la entrada RR para el límite actual (o al menos el riel positivo) y para trabajar dentro de 2.495 V menos de tolerancia, por lo que tal vez 2.47 del riel negativo para la referencia y esta parte solo es buena para (V-) + 2.5V ( simplemente falla). Y la salida solo oscila dentro de 1.2V del riel positivo (probablemente lo suficientemente bueno para ese MOSFET en particular, pero no de riel a riel).
Entonces, ¿mi diseño requiere un chip de amplificador operacional RR dual real? Por favor sugiera algunas posibles partes de gominolas.
@MaxthonChan Desafortunadamente, no creo que exista un amplificador operacional Jellybean RRIO capaz de un alto voltaje de suministro. ADA4096-2 es RRIO y bueno para 30V, pero no es barato. OPA2192 aún no está disponible y probablemente también sea caro. Mejor cambiar su diseño!
Cambió el diseño nuevamente, verifique si eliminó la necesidad de un amplificador operacional costoso.
@MaxthonChan Me gusta (el transistor de límite de corriente en realidad tendría que ser un canal p), pero use un PNP BJT en lugar de un MOSFET para el límite de corriente: la caída de Vbe se controla mejor que Vgs (th).
Se actualizó el esquema Edit 3 para usar su PNP BJT sugerido para medir la derivación actual. La calificación actual en mi cabeza es 3.5-4A aquí.
Rodé uno en la placa de prueba siguiendo el esquema de Edit 3, y parecía lo suficientemente bueno y puede apagarse por completo. No se escucha ninguna oscilación en la puerta de la puerta del MOSFET de paso.

Aquí hay un LDO bastante simple y de buen comportamiento que simula muy bien:ingrese la descripción de la imagen aquí

+V es 24 VCC, el voltaje en la carga es >23,9 V con R3 a 5 V y <100 mV R3 a 0 V.

Lo limpiaré un poco, tal vez cambie el LT1007 por un opamp de salida RR para obtener un LDO realmente bajo, y publique un enlace al archivo LTspice mañana.

+1 Buen circuito simple y obvio. || Vgsmax de FET es de 20 V, y la mayoría de los FET estarán en peligro con el suministro de 24 V CC que se usa aquí. Agregar una resistencia de salida U1 y una abrazadera Vgs a FET ayuda (lo sabe :-)). | La estabilidad en el mundo real puede requerir algo de juego. Pero, en general, es el tipo de circuito que viene inmediatamente a la mente. | La protección contra sobrecorriente no está presente, por supuesto.

Este circuito simplemente no funcionará correctamente con cargas de baja potencia. El voltaje de salida máximo del 741 es de al menos 3 voltios por debajo del voltaje del riel de suministro y esto significa que el MOSFET del canal P siempre conducirá algo de corriente: el umbral de voltaje de la fuente de la puerta puede ser tan bajo como -2 voltios y dado que el 741 probablemente no pueda llegue a 3 voltios del riel de suministro positivo, tendrá grandes problemas en algún momento u otro.

Esto también explica por qué no puede apagar correctamente el voltaje de salida regulado.

Intente usar un amplificador operacional que no fue diseñado a mediados del siglo pasado. Sugerencia: se necesitan tipos de salida de riel a riel para solucionar lo anterior. Tenga en cuenta también que puede encontrar grandes problemas de inestabilidad con los amplificadores operacionales más nuevos debido a su producto GBW aumentado. en el mundo antiguo 741 es probable que disminuyan la velocidad y causen problemas en su circuito.

¿Son LM358 o LM324, ambos chips de amplificador operacional que tengo a granel, buenos amplificadores operacionales para este propósito? O, por favor, recomiéndeme algunas piezas de gelatina lo suficientemente baratas para que las almacene a granel.
@MaxthonChan, mi recomendación es que elija un amplificador operacional que tenga capacidad de salida de riel a riel. Como mínimo, debería poder generar un voltaje que esté dentro de los 0.5 voltios del riel de suministro positivo; lea las hojas de datos; todo está allí a menos que desee que las lea por usted y le informe diligentemente LOL.
Responder a la sección de edición de su pregunta no es relevante hasta que haya cubierto el diseño principal. También agregaré que hay muchos ejemplos en la red de protección contra sobrecorriente. Tener un stock de ciertos dispositivos no debería restringir a nadie en el diseño de un circuito adecuado, esa es mi filosofía de todos modos.
Se me ocurrió algo llamado OPA2134, reclamando un voltaje de salida máximo de Vcc-0.5V y una velocidad de 8MHz. Más de $ 1 cada uno (LM324 cuesta 1 centavo cada uno) y ¿le parece bien? Ordenaré algunas muestras para probar.
No es fácil hacer que funcionen los reguladores de caída baja debido a las toneladas de ganancia adicional debido a que el drenaje/colector del transistor de paso está conectado hacia la carga. No animaría a nadie a gastar más allá de su presupuesto en nada, pero si tiene la intención de ponerlo en marcha, prepárese para luchar contra la inestabilidad (oscilación francamente masiva) en la salida con mano firme. Como digo, los reguladores de LDO son un poco inestables en el mejor de los días.
¿Cómo probar y calificar un regulador de caída baja construido en casa?
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