¿Por qué este opamp no funciona correctamente?

Estoy trabajando en una fuente de corriente ajustable. En un hilo hace un tiempo, se discutieron varios circuitos:

fuente de corriente ajustable simple para cadena de LED

... pero como me he decidido por una opción y no funciona correctamente, estoy comenzando un nuevo hilo para centrarme en mi enigma.

Aquí está el circuito:

ingrese la descripción de la imagen aquí

El divisor de resistencia (resistencia de 30K y potenciómetro) proporciona un voltaje de referencia en 'set' (el barrido de CC de v1 simplemente gira el eje del potenciómetro). El opamp debe servo 'compuerta' para que 'sentido' sea igual a 'establecer' y, por lo tanto, la corriente (en miliamperios) extraída a través de la carga 'Rcarga' es igual al voltaje de 'establecer' (en milivoltios). Simple como eso.

El suministro de 12v que alimenta el circuito 'establecido' y el opamp es un 7812 apagado del suministro de 24v. Y el mosfet es en realidad un FQP10N20C (un nfet de potencia bastante convencional).

He simulado con LTspice y se comporta como esperaba. Pero en la placa de prueba, a medida que 'set' aumenta de 0 a aproximadamente 400 mV, 'sense' rastrea 'set' cada vez menos bien. En un momento veo 257mV en 'set' pero solo 226mV en 'sensado'; por lo tanto, solo fluyen 226 mA a través de Rload y R1. 'Puerta' está a 3,53 V y 'abajo' está a 11,7 V. Si uno solo examina el amplificador operacional de forma aislada, parece que la 'puerta' debería impulsarse más alto (hasta que, presumiblemente, en algún momento fluya suficiente corriente para que el 'sentido' sea igual a 257 mV).

El opamp está diseñado para usarse con un suministro de un solo extremo, y debería poder conducir fácilmente su salida por encima de 3.53V (con un voltaje de suministro de 12V). La puerta del FET no debe estar hundiendo ninguna corriente (verificado con medidor).

Estoy perplejo.

Hoja de datos para el opamp (LT1006)

¿Tiene un diagrama de alcance (o una medición de CA en las entradas opamp o la puerta FET)? Es posible que haya oscilaciones de bajo nivel debido a la capacitancia de la puerta.
Como medida de seguridad contra las oscilaciones mencionadas por @PeterSmith, intente insertar una resistencia en serie con la puerta. Pruebe valores entre 100Ohm-1kOhm.
Por cierto, revisé la hoja de datos FDP18N50: su voltaje de umbral Vgs está entre 3V y 5V, además, el LT1006 no es un opamp de salida de riel a riel, por lo que su salida no puede alcanzar el riel positivo, que es 6V (su hoja de datos afirma aproximadamente 4,4 V máximo cuando se alimenta a 5 V), por lo que podría esperar un máximo de aproximadamente 5,5 V en la salida, tal vez no sea suficiente para impulsar el mosfet lo suficientemente fuerte si tiene una muestra con Vgs (th) cerca de 5 V. Intente aumentar el suministro de opamp y vea si mejora, o intente con un mosfet con Vgs (th) máximo más bajo.
Mirando el esquema del LT1006 en la hoja de datos (soy un diseñador de circuitos integrados, me gustan estos esquemas :-)) Creo que prefiere tener una carga resistiva a tierra en la salida. Sugiero conectar una resistencia de 1 kohm entre la salida del opamp y tierra, eso podría ayudar a mantener la salida en el voltaje correcto. Probablemente el modelo de simulación no incorpore este efecto, por lo que no se necesita la resistencia.
Según el comentario de @FakeMoustache, los modelos de simulación de LT (al igual que todos los fabricantes) son compromisos, pero LT ha documentado cuáles son los compromisos: linear.com/docs/4139
Intente medir los voltajes directamente en las entradas del amplificador operacional usando la misma conexión "común".
@LorenzoDonati: aunque el voltaje de suministro del amplificador operacional está etiquetado como v6, es de 12 voltios, como se especifica en el OP.
No alcance. Sí, cambié el suministro del opamp a 12v, disculpe la confusión. Sí, aparentemente algún tipo de oscilación. La resistencia de 1K de la salida opamp a la puerta fet no ayudó. El condensador en ese nodo lo arregló en su mayoría: creo que el condensador más la resistencia es aún mejor. No tengo tiempo para investigar a fondo hasta más tarde. Muchas gracias !
@WhatRoughBeast ¡Sí! Gracias. No leí el OP detenidamente.
@PeterSmith buen hallazgo. Aunque un poco anticuado. Creo que es anterior incluso a la primera versión de LTspice (IIRC algo llamado SwitcherCAD). Me pregunto si sus modelos han mejorado mucho más allá de lo que dice AN.
Editado para corregir el error en cuestión: MOSFET es en realidad FQP10N20C. Esto no debería afectar mucho las cosas, aunque Vth es un poco más bajo.

Respuestas (3)

Evidentemente, el problema es que hay algún tipo de oscilación en la salida del opamp. Poner un condensador de 10uF en el nodo de 'puerta' solucionó más o menos el problema, pero poner una resistencia de 1K entre la salida opamp y la puerta fet no ayuda mucho. Ahora veo una discrepancia de no más de 7 mv entre 'sensar' y 'establecer', en todo el rango de ajuste de corriente (ahora de 0 a 300 ma) y un voltaje (requerido para conducir esa corriente a través de la carga) entre aproximadamente 3 y 23v .

Al agregar un gran (!) 10uF en la salida del opamp, ha aumentado el margen de fase que detuvo la oscilación.

Solo vi esta pregunta hace un momento, y su respuesta de que el amplificador operacional estaba oscilando. Esa fue mi primera suposición del esquema y los síntomas.

Sin embargo, no me gusta la forma en que lo solucionaste. Simplemente cargar la salida opamp con mucha capacitancia puede funcionar ahora en este caso a esta temperatura, con esta fase de la luna. Es posible que no funcione con el mismo modelo de opamp de un lote diferente o algún lote futuro.

Una mejor solución es poner un poco de resistencia en la ruta de retroalimentación, entre la parte superior de la resistencia de detección de corriente y la entrada negativa del opamp. Luego agregue un pequeño condensador de compensación directamente desde la salida del opamp a la entrada negativa. La tapa proporciona retroalimentación de CA negativa inmediata para mantener estable el amplificador. La resistencia eleva la impedancia de la señal para que el límite pueda tener algún efecto sin tener que ser demasiado grande para otras consideraciones. Pruebe 1 kΩ y tal vez 100 pF. Puede usar un condensador más grande si el tiempo de respuesta no necesita ser rápido y desea errar por el lado de una mayor estabilidad.

Agregado

No había mirado la hoja de datos del opamp antes, y solo respondí por un opamp ordinario. El LT1006 está optimizado para voltaje de compensación muy bajo y baja potencia. Eso significa que se hicieron concesiones en otras áreas. Uno de ellos es aparentemente la estabilidad. La hoja de datos muestra el amplificador utilizado como un seguidor de voltaje de ganancia unitaria, por lo que aparentemente es estable a la ganancia unitaria.

Sin embargo, observe detenidamente los esquemas de aplicación típicos en la página 11. Observe cómo uno tiene 1 kΩ en serie con un capacitor de compensación de 680 nF y el otro 2 kΩ con compensación de 330 nF. Esto significa que mi suposición anterior de 1 kΩ y 100 pF fue demasiado pequeña. Prueba una combinación más parecida a la que ellos usan. Como ya tiene una resistencia en serie de 1 kΩ, pruebe con 1 µF directamente entre la salida del opamp y la entrada negativa.

La otra cosa que debe hacer es mirar la señal a lo largo del tiempo, no su voltaje promedio. Ponga un alcance en él ya y vea lo que realmente está pasando.

Sí, incluso la discrepancia de 7 mv me dice que algo anda mal. Reemplacé el cable de R1 a la entrada negativa del opamp con una resistencia de 1 kΩ y agregué un límite de 1000pf entre la salida y la entrada negativa del opamp. Pero, sin ese condensador en la salida del opamp, veo hasta 20mv o más de discrepancia (entre las entradas del opamp); con ese límite, los componentes adicionales (1 kΩ y 1000pf) no reducen la discrepancia (aunque, por supuesto, pueden hacer que el circuito sea más robusto, como sugiere).
Algunas observaciones extrañas... Si conecto el circuito a su aplicación, una cadena de LED en serie, en lugar del potenciómetro de 50 Ω con el que he estado probando, la discrepancia entre las entradas opamp llega a 0. Esto es con los 3 componentes (mencionados en el comentario anterior). Pero si quito la tapa de la salida del opamp, las cosas se vuelven locas: la salida del opamp va a 5+v, y la corriente sube a 700-800ma (y por lo tanto, la entrada del opamp negativo a 700mv, aunque la entrada positiva está a 200mv más o menos). Algún comportamiento muy inestable que necesito controlar; una cosa es segura: es muy infeliz sin algo de amortiguación.
Gracias por la información adicional, @Olin. Una de sus aplicaciones (en esa misma página) también tiene un filtro de paso bajo RC simple en la salida opamp. Lo intenté anoche y pareció funcionar bastante bien.
Necesito tratar de seleccionar un opamp más adecuado. Estaba buscando principalmente uno que permitiera el suministro de un solo extremo.
Me pregunto si hay una buena manera de modelar esta inestabilidad en LTspice. Tengo el modelo LT1006 real (no un opamp genérico). ¿Quizás acoplar capacitivamente en una señal de ruido, barriendo su frecuencia?

Recientemente volví a este proyecto después de una pausa y seguí teniendo problemas con la estabilidad del opamp. Sin embargo, descubrí que hay una solución más simple al problema, el regulador lineal LT3080; esencialmente integra el amplificador operacional y el transistor de potencia de mi circuito original, y parece ser muy estable en mis pruebas.

http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/3080fc.pdf

Mi nuevo circuito es esencialmente el que se muestra en la figura titulada "Controlador LED de bajo voltaje de caída" en la página 17 de la hoja de datos. Pero en lugar de colocar una resistencia fija desde el pin SET a GND, conduzco un voltaje variable al pin SET (también se podría usar una resistencia variable, pero un voltaje funciona mejor para mi aplicación). La señal de voltaje simplemente necesita poder hundir los 10ua de la fuente de corriente interna.

Funciona a las mil maravillas.

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