Microcontrolador PWM a problemas de amplificador push-pull bipolar. (cambio de nivel)

Estoy tratando de diseñar un circuito que permita que un microcontrolador (arduino) controle el voltaje de una carga. El voltaje de carga debe ser de naturaleza bipolar (+- 3 a 5 V) para usar en el control de un TEC.

Mi idea de diseño actual es tomar la salida del microcontrolador como PWM y filtrarlo por paso bajo para obtener un voltaje entre 0 y 3,3 V. A partir de ahí, planeo cambiarlo de nivel a +- 3 V a través de la entrada a un BJT como se muestra abajo:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Cuando esta porción del circuito se prueba sola, parece ofrecer las características correctas (50% del ciclo de trabajo PWM da 0 V, el promedio de muchos interruptores entre + y - 3 V, variando el ciclo de trabajo aumenta/disminuye este voltaje hasta los voltajes del riel de suministro de manera proporcional).

Desde allí, la entrada se alimenta a una topología de amplificador push-pull simple que se alimenta del mismo suministro bipolar que el cambiador de nivel, para impulsar la carga (corriente de carga en la región deseada de 1 amperio).

esquemático

simular este circuito

Cuando el cambiador de nivel y el filtro de paso bajo están conectados al amplificador push-pull, se carga y no proporciona el control de voltaje proporcional deseado que busco. Intenté mover la sección de paso bajo antes y después del transistor de cambio de nivel, pero en esa configuración tengo dificultades para conducir suficiente corriente a través de la base del transistor para que cambie (¿se necesita un amplificador de corriente?).

¿Cuál sería la mejor manera de resolver estos problemas con la topología dada (aproximada)? He considerado usar un amplificador operacional como búfer para la etapa de paso bajo, pero solo tengo acceso a los 741, lo que no funcionará con la fuente de alimentación de +- 3 V (Tal vez podría aumentar el voltaje de suministro: el la carga impulsada es un dispositivo TEC).

¿Es posible amortiguar la salida de la sección de paso bajo con un transistor simplemente? ¿O muevo la sección de paso bajo antes de Q1 y de alguna manera construyo un amplificador de corriente?

Cualquier aporte o sugerencia para superar este problema sería muy apreciado, gracias.

Tengo acceso a una sola fuente de alimentación de banco bipolar y BJT (no FET, desafortunadamente) (junto con algunos amplificadores operacionales LM741 y una selección de resistencias, condensadores e inductores, pero nada elegante o integrado (podría ser capaz de exprimir algunos Puertas AND lógicas de la serie 7400 para hacer cambios de nivel económicos si es necesario).

Tenga en cuenta que los valores de los componentes utilizados en estos esquemas son solo para una descripción aproximada.

Implementé la sugerencia de búfer de Spehro y parece estar funcionando como se desea. ¿Alguien puede hacer alguna sugerencia sobre cómo podría mejorar aún más este circuito? (La corriente Q1 parece un poco alta, ~100 mA, pero solo 75 ohmios en el colector parecen desviar la salida de paso bajo RC a alrededor de 0 V al 50% de PWM)

El circuito está elaborado en LTSpice para la simulación aquí .

A continuación se muestra el circuito elaborado en CircuitLab, si eso es más fácil de ver.

esquemático

simular este circuito

Actualización: agregué algunas resistencias de polarización a la sección del seguidor del emisor y modifiqué un poco las cosas en LTSpice para que el sistema sea lo más lineal posible desde la entrada hasta la salida de PWM. No estoy muy seguro de si lo que estoy haciendo es correcto, pero parece ser mejor que lo que he estado haciendo antes.

El circuito LTSpice vinculado antes se actualizó para que coincida si es más fácil de simular.

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simular este circuito

¿Por qué valores tan bajos para R2,R3? Debería poder aumentarlos en un orden de magnitud al menos para reducir la corriente Q1 (y escalar la carga, es decir, el LPF, de manera adecuada si es necesario. En una versión R4 = 200k y no necesitaría escalar)

Respuestas (2)

Puede intentar amortiguar la salida del filtro con un par de emisores-seguidores Darlington, que reemplazarán los cuatro diodos con cuatro transistores.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Puede intentar amortiguar la salida del filtro con un par de emisores-seguidores Darlington, que reemplazarán los cuatro diodos con cuatro transistores.

Verifique que la corriente de polarización sin carga en los transistores de salida no sea demasiado alta.

Sin embargo, podría ser más fácil usar un amplificador operacional, si puede obtener uno que sea adecuado.

"Sin embargo, podría ser más fácil usar un amplificador operacional" ¡Sí, estoy de acuerdo con esto sobre todo! Un amplificador operacional de doble riel parece la mejor idea
@KyranF Me temo que esta es una de esas preguntas que se basa en la disponibilidad de componentes en la tienda justo afuera del mercado húmedo en alguna ciudad de Arunachal Pradesh.
jaja bueno, no hay nada de malo en hacer increíbles circuitos construidos desde cero con partes aleatorias
Esto probablemente funcionará, pero realmente no es la mejor idea si quieres ser eficiente. Si está comenzando con la señal PWM, también podría controlar los transistores de salida de alta corriente con la señal PWM directamente en lugar de usar el modo lineal. De lo contrario, necesitará un disipador de calor MUY grande.
Sí, Sphero. Estoy algo limitado por los componentes disponibles para mí (transistores de señal BC55X NPN/PNP y algunos transistores de potencia TIP41/42, LM741 y una selección de resistencias, condensadores e inductores, pero nada especial). Y esa es una descripción asombrosamente específica de la fuente de los componentes (aunque estoy bastante lejos de allí: P)
Gracias de nuevo por tu aportación. Acabo de implementar la sugerencia en LTSpice (no estoy muy seguro de cómo controlar el ciclo de trabajo de las ondas cuadradas en CircuitLab) y parece estar dando el comportamiento deseado (50% del ciclo de trabajo produce una potencia de salida cercana a 0, 0 y 100 producen ~ + - 1 Amperio a través de la carga). Con respecto a la eficiencia, es probable que Q1 se caliente (~ 100 mA en C, E). Dibujaré el esquema completo y editaré mi pregunta para que la gente pueda echarle un vistazo.

Si desea controlar un TEC desde un microcontrolador, en realidad sugeriría una técnica ligeramente diferente. Eche un vistazo al MAX1968/MAX1969. Este chip es un controlador TEC. Conduce un TEC con dos convertidores de CC a CC. Es básicamente un puente H con filtros de paso bajo LC en ambos lados del TEC, junto con circuitos de control y detección de corriente. Duplicar el circuito de la unidad que utiliza este chip debería funcionar bien en su aplicación. Es bastante eficiente desde el punto de vista energético debido a los convertidores y no requiere un diseño de riel dividido. El circuito que tiene en mente será terriblemente ineficiente y requerirá un disipador de calor absolutamente gigantesco para lidiar con la disipación de energía en los transistores de salida.

Eche un vistazo a la hoja de datos aquí: http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX1968-MAX1969.pdf

La página 10 tiene un esquema que muestra los transistores de control integrados y cómo están conectados al TEC. Debería poder duplicar esta configuración sin demasiada dificultad. El chip usa FET internamente como transistores de accionamiento, pero los BJT deberían funcionar igual de bien. Y la disipación de energía será mucho menor ya que las etapas de salida estarán encendidas o apagadas, no en modo lineal.

Gracias por la contribución, desafortunadamente estoy limitado por las piezas disponibles para mí (una selección de transistores de señal pequeña, resistencias de rango E96 (aproximadamente), algunos condensadores e inductores y algunos LM741). Eché un vistazo a la pág. 10 de la hoja de datos del MAX1969, pero no creo que pueda construir nada tan complejo para este proyecto. La eficiencia no es muy crítica para este proyecto (solo se necesita impulsar ~ 4 W TEC, pero tengo disipadores de calor a mano y algunos transistores más robustos para la etapa de salida).
Bueno, no dupliques todo, solo la etapa de salida. Si lo desenvuelve, son cuatro transistores, dos inductores, dos condensadores y una resistencia de detección de corriente. Elimine la resistencia si no necesita retroalimentación actual. También puede eliminar los inductores y capacitores y simplemente manejar el TEC con un puente H simple como un motor de CC si realmente lo desea, aunque no funcionará tan bien como con el filtrado.
¿Le importaría agregar un esquema para explicar cómo se podría hacer esto? En cuanto al uso de una configuración de puente H, ¿qué tan fácil sería obtener una salida proporcional (aproximadamente lineal) del PWM?
La idea básica es simplemente construir un puente H y pegar el TEC donde colocaría el motor. Agregar filtros de paso bajo LC en serie con ambos lados del TEC mejorará el rendimiento del TEC, ya que no creo que les guste ser manejados a altas frecuencias. Creo que la salida será casi lineal, pero podría ser una buena idea agregar algún tipo de retroalimentación, tal vez leyendo el voltaje en ambos lados del TEC o la corriente a través del TEC, alimentando esto a un ADC en su micro y luego cerrar el ciclo en el software.
Microcontrolador PWM a problemas de amplificador push-pull bipolar. (cambio de nivel)
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