Fuente de corriente controlada por microcontrolador

Estoy tratando de diseñar una fuente de corriente programable que pueda llegar hasta 5 A. Tengo algunos diseños en mente, pero ninguno parece ser la mejor solución. Agradecería si alguien tiene alguna buena opinión de un nuevo diseño o una mejora.

El primer diseño:

Para el primer diseño, simplemente utilizo un amplificador de potencia de Burr-Brown - OPA549 [hoja de datos] . Conozco la resistencia de carga (R_L), así que simplemente cambio la salida de voltaje del seguidor de voltaje, y dado que el amplificador de potencia puede manejar la corriente (hasta 8A continuos). El circuito es bastante sencillo.

Fuente actual con OPA549

El problema de este circuito es la potencia disipada (desperdiciada) en forma de calor. De la hoja de datos OPA549:ingrese la descripción de la imagen aquí

Tiene una oscilación de voltaje de salida horrible para suministrar características de voltaje. Mi R_L es de aproximadamente 1 ohmio. Entonces, para conducir 5 A, tengo que producir una salida de 5 V a través del seguidor de voltaje. Lo que significa que tengo que usar al menos un suministro de 8 V (para compensar la horrible oscilación del voltaje de salida). 8V no es un suministro estándar, así que uso un suministro de 9V. Y la potencia disipada se convierte en: PD = IL (Vs-Vo) = 5 (9-5) = 20 Watts [Página 11 de la hoja de datos]. He intentado encontrar otros amplificadores de potencia para reemplazarlo. Pero no pude encontrar otros que pudieran llegar hasta 5A. He encontrado amplificadores de potencia 2A de riel a riel, pero no puedo usarlos.

el segundo metodo

Use un BJT con un microcontrolador:

Básicamente controlo la corriente a través de la carga (iC) controlando la corriente base (iB) del BJT.ingrese la descripción de la imagen aquí

El problema con este enfoque es el valor beta poco confiable en los transistores npn. Y no sé qué tan ruidosa será la señal.

El tercer método puedo usar un opamp y un BJT así:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Pero también depende en gran medida de ese valor Beta.

La cuarta opción

Esta es probablemente la mejor solución, pero no estoy muy seguro y necesito algunas opiniones. Utiliza un Opamp y un mosfet así:

ingrese la descripción de la imagen aquí

La discusión completa de este circuito se puede encontrar aquí . Parece que solo depende de la resistencia R3 (R_L en mi caso), cuyo valor conozco con precisión.

¿Qué método debo usar? la corriente a través de la carga debe ser lo más precisa posible, ya que estoy controlando la corriente con un control PID. Agradecería cualquier y todas las sugerencias.

Su tercer método NO depende en gran medida del valor Beta. La retroalimentación negativa del voltaje a través de R_E hace que Io sea proporcional a Vi (todavía depende muy poco de beta porque la corriente base también fluye a través de R_E; pero esto probablemente se puede ignorar; el uso de un transistor Darlington reduciría aún más este pequeño efecto).
Usar Darlington es una buena idea, porque los transistores de potencia no tienen buenos valores Beta. ¿Pero 5A no es demasiado para los Darlington? ¿Cuánta potencia disipará?
Investigué un poco, lo retiro, encontré transistores Darlington que pueden manejar hasta 12 A
por ejemplo, BDX68: beta > 1000, I_C_max = 25 A, P_diss_max = 200W. "¿Cuánta energía disipará?" solo depende de su voltaje de suministro, su carga, su R_E y, por supuesto, I_C.
En su primera solución, dice: "El problema con este circuito es la potencia disipada (desperdiciada) como calor". Esto es cierto para todas sus soluciones. ¿Qué es exactamente lo que estás tratando de lograr? ¿Cuáles son exactamente sus requisitos? No está claro en absoluto a partir de su pregunta: parece más como si hubiera descrito las ventajas y desventajas de varias implementaciones de fuente de corriente lineal sin decir realmente lo que quiere.
@EnderWiggins: tengo algunos darlington de 125 A, no hay problema con la corriente, pero la caída de voltaje en un darlington significa muchos más problemas de disipación de energía .
@Phil El problema con el primer método son las características de oscilación del voltaje de salida del amplificador operacional de potencia. Si fuera de riel a riel, no tendría problemas. Digamos que quiero 3A en mi carga. Debido a las características del opamp, TENGO que suministrar suministros de voltaje de 5V para tener al menos la salida de 3V en el seguidor de voltaje. Si pudiera tener la salida de voltaje y los suministros de voltaje más cerca, se habría disipado menos energía. Si tuviera un opamp de potencia de riel a riel 5A, eso resolvería el problema.
Habrá disipación de calor debido a la energía desperdiciada en todos los casos, pero solo quiero encontrar un método que minimice eso.

Respuestas (2)

Todas estas soluciones desperdiciarán exactamente la misma cantidad de energía eléctrica y generarán la misma cantidad de calor. Cada uno de sus circuitos solo cambia qué componente se calienta.

Todo esto es lo que se llama una fuente de corriente lineal . Una fuente de corriente lineal funciona (por definición) convirtiendo el exceso de voltaje en calor. Si su carga requiere 2V para alcanzar la corriente deseada de 5A y el suministro es de 5V, el calor (potencia) PAG será el exceso de voltaje mi veces la corriente I :

PAG = I mi = 5 A ( 5 V − 2 V ) = 5 A ⋅ 3 V = 15 W

No hay forma de evitar eso con cualquier fuente de corriente lineal. Puede distribuirlo o moverlo alrededor de diferentes componentes, pero nunca lo reducirá. Culpa a la física. La energía tiene que ir a alguna parte .

Si desea reducir el desperdicio de energía, probablemente desee una fuente de alimentación conmutada (SMPS). El diseño de tal es digno de un libro completo, pero si desea una introducción rápida, le sugiero que lea ¿Cómo puedo manejar un LED de manera eficiente? Aunque no está manejando un LED, el problema es esencialmente el mismo, ya que los LED también funcionan idealmente con una fuente de corriente.

Sin embargo, dado que parece que su carga es un fijo 1 Ω resistencia, realmente no necesita una fuente de corriente. Una fuente de voltaje funcionaría igual de bien, ya que una resistencia es un convertidor de corriente - voltaje, según la ley de Ohm:

mi = I R

Si está permitido en su aplicación, una solución más simple que un SMPS es simplemente encender y apagar rápidamente el voltaje completo de la batería sobre su carga. Si su suministro es de 5V, esto entregará 5A a su carga. Puede entregar 5A o 0A con bajas pérdidas, y si necesita algo entre esos, entonces lo enciende y apaga rápidamente, por lo que la corriente promedio es su valor deseado. Para muchas aplicaciones, esto es lo suficientemente bueno. Si no, un SMPS es básicamente eso, con un inductor agregado para suavizar la corriente hasta el valor promedio en los ciclos de conmutación.

¡Gracias! Eso es útil, no sabía la diferencia entre la fuente de alimentación de modo conmutado y la fuente de corriente lineal. Pero el verdadero problema con OPA549 es este: mi carga es de 1 ohmio. Y necesita 4V para llegar a 4A. Pero para obtener una salida de 4V del opamp, necesito al menos una fuente de 6-7 V (que es difícil de conseguir, así que tengo que usar una de 9V). entonces, P = IE = 4A(9V- 4V) = 20 W. Ahora, si el OPA549 fuera de riel a riel, podría haber usado una fuente de 5V y obtener la salida de 4V fácilmente. entonces, P = IE = 5A (5V - 4V) = 5 Watts.
Por cierto, en caso de que se pregunte qué carga es solo 1 ohmio, estoy tratando de calentar un filamento de tungsteno para que pueda emitir electrones termoiónicamente. Estoy tratando de controlar la corriente a través de estos filamentos que tienen una resistencia de 1 a 2 ohmios. No tiene nada que ver con la pregunta, pero como ustedes ayudaron mucho, solo quería compartir la aplicación.
@EnderWiggins hubiera sido una buena información para proporcionar en la pregunta, porque entonces podríamos haberle dicho de inmediato que la mejor solución probablemente sea encender y apagar rápidamente el voltaje de suministro completo, como explico en mi último párrafo. La masa térmica del filamento significará que los rápidos cambios en la corriente tienen muy poco efecto sobre la temperatura.
Sí, esa es otra posibilidad. pero de la literatura que he revisado hasta ahora, como esta, ( scribd.com/doc/123333014/… ) afirma que incluso si la señal de control es PWM, induce ruido. Por lo tanto, encender y apagar rápidamente la fuente de alimentación inducirá algo de ruido en la emisión. Intuitivamente, mis pensamientos son los mismos que los tuyos, que no debería afectarlo tanto. Tengo que probarlo yo mismo. Pero gracias, ya me has ayudado bastante!

En la segunda solución, me falta un poco la resistencia del emisor para la retroalimentación actual. Intentaría algo como la segunda solución, pero con la resistencia de emisor requerida. Mire aquí: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Const_cur_src_111.svg Puede ajustar la corriente con la resistencia del emisor y el voltaje base. La discusión de la ecuación está aquí https://en.wikipedia.org/wiki/Current_source Sin embargo, usar un Darlington o colocar dos transistores regulares en un Darlington es ciertamente una buena idea. Y empezaría ajustando el voltaje base con un potenciómetro.

Sin embargo, habrá mucho calor en cualquier caso, a menos que utilice un enfoque PWM.

Ah, y esta fuente de corriente controlada por voltaje también podría ser interesante para usted, ya que, según tengo entendido, necesita una fuente de corriente controlada por voltaje, porque lo que obtiene del DAC es un voltaje.

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