¿Por qué este regulador actual no regula?

Estoy tratando de hacer un regulador de corriente para encender algunos LED. Por ahora estoy trabajando solo en modelos de PSpice.

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El circuito anterior funciona bien si el amplificador operacional de detección está configurado como seguidor de voltaje o incluso si el voltaje de la resistencia de derivación se informa directamente a la entrada inversora del amplificador operacional principal U2A sin el U2B.

Ahora, si el U2B se usa para amplificar la resistencia de voltaje de derivación, para hacer que sea más baja de al menos 10 veces para absorber 10 veces menos energía, el amplificador operacional debe amplificar 10 veces este voltaje e informarlo en la entrada inversora de U2A.

Bajo PSpice, al variar el Vcc de 4.5 (el mínimo para tener opamps trabajando bajo estos valores de entrada) a 12V, con este U2B que se amplifica 10 veces, la corriente es así. Donde normalmente debería permanecer estable por debajo de 50mA. El valor promedio que puede ver depende también de la resistencia base del BJT.

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¿Qué me estoy perdiendo?

Respuestas (5)

Parece que el problema son los valores de R6 y R7. La relación del divisor de tensión es R 7 R 6 + R 7 , lo que resulta 1.8 k 18 k + 1.8 k = 0.091. Eso le da alrededor de 45,5 mA, que está cerca de lo que ve. En realidad quieres una proporción de 0.1. Agregue una resistencia de 220 ohmios en serie debajo de R7 y se acercará mucho más a su valor ideal.

Ok, (3.3V * 0.091)/R2 da ese valor "incorrecto". Mi error fue tomar un circuito no inversor de "módulo" y apenas aplicarlo a una caída de voltaje de resistencia y considerarlo como una fuente de voltaje. Hice (50mA*R2)*(1+R5/R7), sin considerar que esto requiere una entrada de 3.63V. ¿Es este error el que da la inestabilidad y la tendencia negativa (wrt a Vcc) también?
No estoy seguro de qué podría estar causando eso. No parece un cambio muy grande (alrededor de un tercio de un por ciento). Podría ser alguna falta de idealidad en los amplificadores operacionales o transistores. Puede intentar usar un paso de voltaje más pequeño en su sim, digamos, 0.01 voltios. En este momento es difícil decir la verdadera forma de la inestabilidad.
La forma cambia si la relación se hace para leer una resistencia de detección de 0,66 ohmios, es decir, 10 veces mayor. Es un triángulo recortado, por lo que es menos evidente. Me gustaría subrayar que con una configuración de seguidor de voltaje todo funciona (a 50 mA, pero ahora sabemos por qué sobre ese valor). Quiero decir, en los comentarios siempre hay un opamp, como dijo Andy como un posible problema. Pero no olvide que esto es una simulación, creo que los comportamientos/parámetros exotéricos no están modelados.

La retroalimentación negativa para un amplificador operacional generalmente se toma directamente de la salida del amplificador operacional o del emisor de un transistor como Q2. Si intenta poner "otras cosas" en este ciclo de retroalimentación, introduce retrasos y lo que encuentra (normalmente) es que está construyendo un oscilador.

Verifique cómo se ve la respuesta transitoria porque sospecho que su circuito oscilará a alguna frecuencia en la región de alto kHz.

Todos los jugadores principales, como TI, ADI, etc., diseñan amplificadores operacionales para competir entre sí y están constantemente impulsando las capacidades de frecuencia superior de sus dispositivos. Esto significa inevitablemente que los márgenes de fase de esos amplificadores operacionales están un poco cerca del punto de oscilación en los circuitos normales; ha agregado un segundo amplificador operacional y espera que sea estable; piénselo de nuevo.

Se puede estabilizar, pero esto puede ser un esfuerzo tortuoso.

Sospecho que el gráfico que muestra la corriente contra Vcc tiene un artefacto triangular debido a esta oscilación de alta frecuencia.

Interesante. Necesito amplificar un pequeño voltaje de una resistencia de derivación debido a las capacidades de potencia. ¿Estás seguro de la demora? Porque si la retroalimentación se da con un seguidor de voltaje, funcionará bastante bien. Además, también hay una tendencia descendente. ¿Alguna sugerencia? El triangular es un caso, tiene una forma diferente pero sigue siendo periódica con otras combinaciones de resistencias en el segundo opamp.
El seguidor de voltaje del transistor probablemente tenga un punto de 3dB de 500MHz y muy por encima de los amplificadores operacionales normales: tiene muy poca contribución adicional al margen de fase. ¿Cómo quiere decir que la forma triangular es periódica? ¿Ha mirado un análisis transitorio adecuado? No espero que sea un triángulo en el análisis T, pero será periódico en el tiempo si el simulador que usa muestra alguna oscilación.
Quiero decir que es periódico con un período de 0.5V (¡no de tiempo! :)) Entonces, ¿dices que este comportamiento se debe a una oscilación en un Vcc fijo? Conceptualmente, ¿cómo puede oscilar? ¿Debo comprobar el margen de fase y encontrar sorpresas? Si es así, definitivamente lo comprobaré, ya que no lo hice (¡perdóname!)
¿Qué indica Pspice cuando realiza un análisis transitorio (varios cientos de milisegundos)?
Está bien. Hice una simulación de 100ms. Todo es estático, sin oscilaciones. Según Pspice, la periodicidad de la variación si I es sólo función de la Vcc.

Ejecutar una versión de su circuito bajo TINA proporciona un funcionamiento adecuado a 45,2 mA. El hecho de que su forma de onda muestre alrededor de 45 nA, en lugar de mA, sugiere que ha cometido un error al ingresar los datos. Debe comprobar si ha cambiado la resistencia de detección a 6,6 micro ohmios.

Dicho esto, aumentar la ganancia para reducir la disipación de potencia de la resistencia de derivación no parece una necesidad apremiante. A 45 mA, una derivación de 6,6 ohmios solo disipará 13 mW. ¿Por qué es esto un problema? ¿Realmente está usando una derivación tan frágil que 13 mW es un problema? Y, dado que se trata de un controlador LED, no puedo creer que necesite una gran estabilidad en su corriente de salida y se preocupe por la variación de temperatura en su derivación.

¿O me he perdido algo?

Estoy bastante seguro de que el gráfico muestra 45 miliamperios. Es más fácil de leer si haces zoom.
El poder, en este momento (conduciré corrientes más altas una vez que pueda dominar este) es un poder relativo: quiero hacer algo eficiente. Si el LED absorbe 1 mW, 13 mW son demasiado. Puede considerarlo como una restricción de proyecto/ejercicio. Si quiero conducir los LED al límite, me gustaría estar seguro de que la corriente es estable y aprenderé a hacer un buen regulador de corriente. Todos ganan :) Sobre la corriente, son mA, puedes hacer zoom en la imagen. Lo siento si es tan pequeño por defecto.

El mismo circuito, con un BUZ70 funcionará perfecto. Todavía hay una pequeña reducción en la corriente a altos voltajes (de 15 a 24V). No sé si es una reducción de la ganancia del MOS a voltajes más altos entre la puerta y el drenaje (¿no debería ser una ganancia más alta)?

Para su información, la mayoría de los LED UV tienen esta característica: son mucho más eficientes cuando están sobrecargados y, dado que le preocupa la eficiencia, sería útil comprender cómo se hace esto:

Los pulsos de corriente se aplican con una amplitud máxima controlada y un ancho de pulso máximo limitado. El ciclo de trabajo de la onda cuadrada se reduce para limitar tanto la temperatura de la unión PN como el brillo aparente. (Reducir el ciclo de trabajo también reduce el ancho de pulso).

Espero que se entusiasme con el controlador de corriente constante y comience a explorar el mundo más amplio de los controladores de conmutación de LED.

ps: si está manejando solo un LED, el suministro de 3.3V puede ser adecuado, por lo que es posible que solo se necesite Vcc para el OpAmp.

Oh, buen consejo el de la sobrecarga. Pensé en una buena solución hace unos días, usando notas viejas de la universidad y solo a nivel de concepto, vale la pena decirlo porque está usando una especie de conducción de corriente máxima. Idealmente, el voltaje de salida del amplificador operacional debería impulsar (tal vez usando una MCU) un controlador de CC a PWM que autocontrole el MOS con un ciclo de trabajo bajo, transiciones rápidas, entre apagado y encendido (saturación), reduciendo drásticamente la energía desperdiciada. Pero no sé cómo convertir la señal de retroalimentación de PWM a CC sin afectar el margen de fase. ¿Condensadores grandes paralelos a la retroalimentación?
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