Consideraciones de diseño de fuente de corriente constante

Estoy diseñando una fuente de corriente constante para impulsar un diodo láser. Necesito que sea ajustable (de 0 a 100 mA máx.) y lo suficientemente estable, ya que lo usaré como fuente de luz en un probador de espejos de Foucault para mi proyecto de fabricación de espejos de telescopio amateur.

Después de leer un poco, se me ocurrió el siguiente diseño general, sin embargo, tengo algunas preguntas.

  1. ¿Es este un diseño adecuado en general (no demasiado complicado)?
  2. La señal en la entrada no inversora de U5 será solo un punto de referencia de CC. ¿Puedo elegir el amplificador operacional más barato disponible (el ancho de banda más bajo) o hay otras consideraciones que debo hacer?
  3. ¿Debo preocuparme por la estabilidad del bucle y compensarla (C2-R3 u otra solución)?
  4. La fuente de corriente debe tener una corriente limitada para no dañar LD1. ¿Debo dimensionar la resistencia de retroalimentación R4 (con VD) teniendo esto en cuenta, o debo confiar en el circuito y configurar la corriente máxima indirectamente con R2-RV1 y configurar R4 para una caída de voltaje baja y obtener una retroalimentación de voltaje adecuada?

Gracias por su ayuda.

Fuente de corriente constante

sería mejor pegar el diodo entre R4 y Q1. de lo contrario, los cambios de temperatura en beta cambiarán la corriente del diodo aunque la corriente en R4 sea constante.
@tobalt eso no funcionaría tan bien si los rieles de alimentación fueran limitados, pero tal vez no entienda bien su circuito implícito.
@tobalt. Ese es un buen punto si la precisión es una preocupación tan importante. Quizás un dato que ayude en este aspecto es que la baja corriente permite el uso de un transistor con beta alta. Simulé un delta de 80C con LTSpice aquí y encontré un par de cientos de errores de uA con Vce por debajo de 1V.
@Andyaka tiene razón en que el VCC requerido aumentará con el voltaje directo de LD1 cuando el diodo esté atascado en el lado del emisor de Q1. Si esto no es tolerable, puede usar su circuito pero reemplace Q1 con uno beta más alto como lo sugiere devnull. Es decir, use un FET para una beta virtualmente infinita. Un JFET en particular también proporcionará limitación de corriente natural. Es posible que necesite un MOSFET si no puede encontrar un JFET con suficiente corriente de saturación I D S S .
Aquí se discutió una respuesta similar que analiza una fuente de corriente de precisión: electronics.stackexchange.com/questions/563888/… TL; DR: las principales fuentes de ruido están en orden descendente: a) el voltaje de referencia, b) la resistencia de ajuste actual, c) la tensión de alimentación VD. A y B también contribuyen a la deriva.
¿Cuánta precisión necesitas, exactamente? Si está configurando cualquier cosa con un potenciómetro a mano, realmente no puede obtener nada mejor que el 5% o quizás el 2% del rango del potenciómetro solo porque no puede ser tan preciso. Es por eso que creo que su diseño es demasiado complicado en este sentido. Por otro lado, puede considerar otras características importantes en su diseño, como, por ejemplo, la regulación exponencial (mejor granularidad a baja corriente) o el aumento lento de la corriente (más seguro para los ojos, por lo que puedo decir, se espera que mire hazlo, permítete un tiempo para parpadear si la intensidad está muy baja).
@fraxinus, gracias por tu pregunta. En la práctica, simplemente ajustaría el potenciómetro a mano hasta que esté satisfecho con la intensidad de la luz resultante de la prueba que estoy realizando. Una sesión de prueba tendrá 1h como máximo, y la luz será capturada por una cámara, no por mi ojo desnudo. Entonces, en este sentido, no necesito que el circuito sea preciso ya que no estoy cuantificando la salida de luz del diodo láser en función de su corriente, solo necesito que sea ajustable y estable.

Respuestas (2)

La fuente de corriente debe tener una corriente limitada para no dañar LD1. ¿Debo dimensionar la resistencia de retroalimentación R4 (con VD) teniendo esto en cuenta?

Si el BJT está saturado, el opamp aumentará su voltaje de salida hasta que se corte, y la regulación de la corriente de salida no funcionará. El BJT debe tener una resistencia de base para evitar tanto una corriente de salida de opamp excesiva como una corriente de base BJT excesiva cuando eso suceda. Esta resistencia debe colocarse "después" de C2, entre la parte superior de C2 y la base del transistor, de modo que incluso cuando el BJT esté saturado, esto no influya en la ruta de retroalimentación/compensación de alta frecuencia a través de C2.

Puede colocar una resistencia de alto valor entre el limpiaparabrisas del potenciómetro y tierra, de modo que cuando el limpiaparabrisas falle al abrirse, el amplificador operacional obtenga una entrada de 0 V, y no una entrada indefinida que dependa de la polaridad de su corriente de entrada.

Su elección de transistor es buena, ya que el diagrama de la hoja de datos (parte superior izquierda de la página 5) muestra que todavía tiene hFe de 100 con Vce por debajo de 0,1 V en Ic = 0,1 A.

Por lo tanto, debe dimensionar R4 para obtener la corriente máxima deseada con el voltaje de suministro mínimo, con un margen de aproximadamente 0,5 V Vce en el transistor. Es importante seleccionar un transistor VceSat bajo como lo hizo; si se queda sin vapor a bajo Vce, la corriente base aumentará y eso se suma a la corriente del emisor que se mide en la resistencia, y la corriente se vuelve imprecisa.

(Me refiero al voltaje de suministro mínimo/máximo si usa baterías, pero si Vcc está regulado, eso no se aplica)

Luego, con este valor de R4, a la tensión de alimentación máxima, y ​​con el transistor completamente encendido (Vce=0), calcule la corriente a través del diodo láser: no debe dañar el diodo.

Si la corriente es demasiado alta, entonces aumente el voltaje de referencia para dejar caer más voltios a través de la resistencia.

Luego calcule la disipación máxima en el transistor, que no ocurrirá a la corriente máxima sino por debajo de eso, y asegúrese de que el paquete SOT23 pueda manejarlo.

" Puedes poner una resistencia de alto valor entre el limpiaparabrisas del potenciómetro y tierra, [...] " +1!!

¿Puedo elegir el amplificador operacional más barato disponible (el ancho de banda más bajo) o hay otras consideraciones que debo hacer?

Las entradas del amplificador operacional deben funcionar hasta el riel de alimentación a tierra (el más negativo) si desea un control total hasta cerca de 0 mA. La salida del amplificador operacional también debe poder bajar hacia el riel más negativo (tierra en su circuito).

Si le preocupa la precisión del punto de ajuste, el voltaje de compensación de entrada podría ser una preocupación si decide usar un amplificador operacional LM324, pero depende de su especificación y el valor de la resistencia R4.

¿Debo preocuparme por la estabilidad del bucle y compensarla (C2-R3 u otra solución)?

Es casi seguro que cuando se usa un LM324 (por ejemplo), el bucle será estable porque el BJT funciona como un seguidor de emisor y, por lo tanto, no agrega ganancia y tiene muy poco cambio de fase relevante. En otras palabras, cuando usa un amplificador operacional de baja frecuencia (como el LM324), probablemente no pueda usar C2. Sin embargo, vale la pena dejar R3 en su lugar por si acaso.

La fuente de corriente debe tener una corriente limitada para no dañar LD1. ¿Debo dimensionar la resistencia de retroalimentación R4 (con VD) teniendo esto en cuenta?

Sí, haría eso (cinturón y tirantes).

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