La fuente/sumidero de corriente constante basada en OpAmp produce una corriente máxima alta cuando se pulsa el voltaje de carga

Estoy tratando de construir una fuente / sumidero de corriente constante alta basada en OpAmp basada en la nota de aplicación de dispositivos analógicos 968.

Esquema LTSpice

En el primer paso lo diseñé para un máximo de 1A, pero luego se planeó hasta 10A. La carga con 1 mOhm es solo un ejemplo de una carga muy alta que debería estar restringida por este circuito.

Todo funciona como se espera, siempre que el voltaje de carga no se pulse (o incluso se encienda una vez) de alguna manera. En mi ejemplo, agregué una fuente de voltaje de carga VL con 20 V pulsados ​​de 50 Hz para demostrar esto. Para ser precisos: en el caso de una fuente de corriente constante, VL es la fuente de voltaje que el circuito proporcionará a la carga. En el caso de un sumidero de corriente, VL es la fuente de voltaje que el usuario proporcionará para sumidero en este circuito.

Lo que sucede es que hay un gran pico de corriente sin restricciones que fluye a través de RL durante unos 20 µs. Después de otros 20 µs, la corriente se estabiliza a la corriente establecida esperada.

Corriente máxima alta

Traté de cambiar C1 de varias maneras. Elegir valores demasiado pequeños hace que OpAmp oscile como en el siguiente ejemplo. Cuanto menor sea el C1, mayores serán los picos de oscilación.

Balancearse

Jugué con varios tipos de OpAmps y mosfets pero no hubo un cambio real. ¿Hay alguna manera de prevenir esta corriente máxima alta de alguna manera? ¿Qué podría cambiar? ¿Este pico de corriente es realmente un problema ya que su tiempo es realmente pequeño?

Explique con precisión lo que hizo aquí y con referencia a su circuito: "Agregué una fuente de voltaje de carga con 50 Hz pulsados ​​​​20 V para demostrar esto". Bajar C1 más allá de cierto límite hará que u3 oscile debido a la pequeña retroalimentación positiva en ese dispositivo proveniente de R2.
Cualquier circuito tendrá una velocidad de respuesta finita, por lo que necesita algo de tiempo. Cuando el voltaje aumenta más rápido que esa velocidad de respuesta, no hay forma de que ningún circuito pueda detener el flujo de más corriente. Ese tiempo de respuesta es parte de la especificación. Especifíquelo y construya en consecuencia, si lo alcanzó, entonces su diseño está listo. Si alguien aplica voltaje más rápido, es su culpa.

Respuestas (3)

La capacitancia de salida del IRFH6200 es de 2,89 nF con 10 voltios de drenaje a fuente. Con cero voltios desde el drenaje hasta la fuente, esta capacitancia estará en el ámbito de 10 nF, por lo que, cuando aplica el pulso a VL, independientemente de cuánto tiempo tarde el sistema de control en recuperarse, está (en efecto) aplicando eso mismo pulso directamente a RL a través de un capacitor que comienza en aproximadamente 10 nF y disminuye a quizás 2 nF cuando se alcanza el pico del pulso.

Lo que sucede es que hay un gran pico de corriente sin restricciones que fluye a través de RL durante aproximadamente 20 µs.

Ese flujo de corriente inicial se debe al capacitor y al hecho de que el MOSFET, antes de la inyección del pulso de voltaje, se endurece debido a los amplificadores operacionales. El tiempo que tarda el bucle de control en estabilizarse depende de elegir amplificadores operacionales más rápidos (en parte), pero también depende de poder eliminar la carga de la compuerta MOSFET (los controladores de potencia generalmente se clasifican en amperios para lograr esto).

La capacitancia de la fuente de la puerta es de aproximadamente 10 nF y unos míseros 20 mA de un amplificador operacional reducirán el voltaje de la puerta a una velocidad de 20 mA/10 nF = 2 voltios por microsegundo; el MOSFET apagado.

Te duelen algunas cosas:

  1. Opamp lento. Pero ejecutar uno más rápido también aumenta el riesgo de oscilación.
  2. C1: provoca retrasos y desfases.
  3. El mosfet: gran capacitancia de puerta.

Lo que sucede es que todo no es lo suficientemente rápido para rastrear la señal de entrada, debido a las razones enumeradas anteriormente.

¿La solución?

  1. Tenga una expectativa real de lo bien que debería funcionar su CCS.
  2. Cure los males: opamp más rápido con mayor corriente de salida, baje c1 tanto como pueda. Use BJT en su lugar, baje el tope de la puerta tanto como pueda, ... Todos ellos corren el riesgo de empujar sus Vcc a una oscilación violenta.
  3. Haz un análisis de CA en tu amplificador. Asegúrate de que no oscile y ajusta los parámetros para ver dónde está la envolvente.

Usar un opamp puede ser difícil.

Gracias por sus comentarios. De hecho, usar un BJT ayudó mucho, sin embargo, está muy restringido con respecto a la potencia máxima. Vi muchas fuentes de corriente baratas (eBay) que usan solo OpAmps y mosfets, entonces, ¿pueden ignorar esos picos?

Piensa en lo que sucede:

El problema es que cuando VL es cero, la corriente no puede fluir. Los amplificadores operacionales y el circuito de retroalimentación intentan hacer que esa corriente fluya para que el amplificador operacional U3 genere el voltaje de salida más alto que pueda (cerca de +15 V) y lo alimente a la puerta de M1. Entonces M1 está completamente encendido.

Luego, aplica VL, M1 está completamente encendido, por lo que puede fluir una corriente muy grande, limitada solo por el Rdson de M1, RL y Rs. El bucle necesita algo de tiempo para reducir tanto el voltaje de la puerta de M1 que limitará la corriente.

Creo que la corriente de pico alto puede ser y será un problema si no todo está diseñado para ello. Puede agregar una resistencia en serie con el drenaje de M1, convertirlo en el valor más alto que aún permitirá que fluya la corriente deseada y permita cierta caída de voltaje en M1.

Esa fue exactamente mi suposición de que el problema es el mosfet inicialmente completamente encendido. ¿Hay una buena manera de crear el circuito de retroalimentación opuesto para que el mosfet esté inicialmente apagado y se encienda continuamente? ¿O este tipo de circuito de retroalimentación no es el mejor diseño para usar? Lo que además sucede es que la corriente parece fluir fuera de la puerta. ¿Es esto debido a la carga de la puerta?
La "retroalimentación opuesta" no existe a menos que se refiera a una retroalimentación positiva que sería completamente inútil para este circuito. ¿el mosfet está inicialmente apagado y se encenderá continuamente? Quieres decir encendido gradualmente . Pero su problema es apagar M1 cuando VL no está allí. Eso requeriría circuitos adicionales. la corriente parece fluir fuera de la compuerta Sí, esa es la compuerta (se comporta como un capacitor grande) que se descarga.
Realmente necesita mucha más experiencia en diseño antes de poder adaptar este circuito para implementar todo esto. No eres el primero que quiere "diseñar" algo no estándar con muy poca experiencia. Antes de que pueda diseñar algo usted mismo, debe comprender todos los diseños y principios básicos de circuitos. Sí, eso toma un par de años para dominar.
sí, todavía estoy aprendiendo, antes de construir algo físicamente quiero entender los principios y primero jugaré con simuladores de circuito. Pero lo que dices tiene sentido para mí.
La fuente/sumidero de corriente constante basada en OpAmp produce una corriente máxima alta cuando se pulsa el voltaje de carga
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