Estoy desarrollando un circuito para que actúe como una carga electrónica para las fuentes de alimentación de prueba de banco. Una pregunta anterior sobre cómo probar este circuito recibió varias respuestas muy útiles y se puede encontrar aquí: ¿Cómo probar la estabilidad del amplificador operacional? . Esta pregunta trata sobre cómo interpretar mi simulación y los resultados de las pruebas.
Este es el esquema del circuito simulado y probado en la placa de prueba:
La trama producida por LTSpice indica que el circuito es bastante estable. Hay un sobreimpulso de 1 mV en el aumento de 5 V que se resuelve en un ciclo. Apenas se puede ver sin acercar un poco el zoom.
Esta es una toma de la misma prueba usando el osciloscopio en el circuito integrado. El aumento de voltaje es mucho menor y el período es más largo, pero la prueba es la misma; alimentando una onda cuadrada en la entrada no inversora (+) del amplificador operacional.
Como puede ver, hay un sobreimpulso significativo, tal vez del 20%, luego una caída exponencial a una oscilación constante durante la duración de la señal alta, y hay un sobreimpulso menor en la caída. La altura de la señal baja es solo el piso de ruido (alrededor de 8 mv). Esto es lo mismo que cuando el circuito está apagado.
Así es como se ve la construcción de la placa de pruebas:
El MOSFET está en la parte superior sobre un disipador de calor, conectado por los cables amarillo, rojo y negro; puerta, drenaje y fuente, respectivamente. Los cables rojo y negro que conducen a la pequeña protoplaca son IN+ e IN- respectivamente, conectados a los conectores tipo banana de la placa de pruebas para evitar la corriente de nivel de potencia a través de la placa de pruebas. La fuente de alimentación que se carga en la prueba es una batería de plomo-ácido sellada (SLA), para evitar inestabilidades en la propia fuente de alimentación. El puente plateado es donde se inyecta la onda cuadrada de mi generador de funciones. La resistencia, diodo, etc. en la parte inferior izquierda es parte de un subcircuito de ajuste de nivel de carga manual (basado en potenciómetro) y no está conectado.
Mi pregunta principal es: ¿Por qué LTSpice no predice esta inestabilidad significativa? Sería muy útil si lo hiciera porque entonces podría simular mi red de compensación. Tal como está, solo tengo que conectar un montón de valores diferentes y volver a probar.
Mi hipótesis principal es que la capacitancia de puerta del IRF540N no está modelada en el modelo SPICE y estoy manejando una carga capacitiva de ~2nF que no se tiene en cuenta. No creo que esto sea del todo correcto porque veo capacitancias en el modelo ( http://www.irf.com/product-info/models/SPICE/irf540n.spi ) que parecen ser del orden correcto de magnitud.
¿Hay alguna manera de que la simulación prediga esta inestabilidad para que también pueda sintonizar los valores de mi red de compensación?
INFORME DE RESULTADOS:
Ok, resultó que el modelo LTspice que estaba usando para el amplificador operacional LM358 era bastante antiguo y no era lo suficientemente sofisticado para modelar la respuesta de frecuencia correctamente. La actualización a una relativamente reciente realizada por National Semi no predijo la oscilación, pero mostró claramente el exceso del 20%, lo que me dio algo con lo que trabajar. También cambié el voltaje máximo del pulso para que coincida con mi prueba de placa de prueba, lo que hizo que el sobreimpulso fuera más fácil de ver:
Basado en esa "retroalimentación", comencé con el método de compensación recomendado por unanimidad que creo que es un ejemplo de compensación de polo dominante . No estoy seguro de si la resistencia de la compuerta es parte de eso o de un segundo esquema de compensación, pero resultó ser fundamental para mí. Estos son los valores con los que terminé después de una buena cantidad de prueba y error:
Esto produjo una forma de onda muy estable, aunque me gustaría que la subida y la bajada fueran un poco más pronunciadas si pudiera, para probar mejor la respuesta de frecuencia de las fuentes de alimentación que probaré con esta carga. Trabajaré en eso un poco más tarde.
Luego usé los nuevos valores en el protoboard, y he aquí que obtuve esto:
Estaba bastante emocionado por eso :)
Especialmente porque, para encajar en los nuevos componentes, hice que los parásitos de la placa de pruebas fueran peores en lugar de mejores:
De todos modos, este terminó felizmente, espero que esto ayude a otros que lo encuentren en la búsqueda. Sé que me habría arrancado el poco pelo que me queda tratando de marcar estos valores metiendo diferentes componentes en la placa :)
Hay diferentes modelos para la unidad LM358. Las simulaciones de PSpice basadas en "LM358" dan como resultado un margen de fase de aplicación. 50...60 grados Pero aparentemente, este es un modelo muy simple.
Sin embargo, cuando se utiliza el modelo LM358/NS, el margen es ligeramente negativo . Esto explica la inestabilidad observada durante las mediciones. Por lo tanto, es necesaria la estabilización externa del esquema de retroalimentación.
Compensación : Un esquema de compensación (conexión en serie R=500...1000 Ohms y C=50...100nF) en el nodo de salida opamp proporciona un margen de fase de aprox. 50 grados (simulación).
La simulación LTSpice no puede tener en cuenta los elementos del circuito que no ha ingresado: en este caso, el cableado de su placa de pruebas que agrega un filtro (un filtro RLC).
Lo que está viendo es una respuesta de paso cuando comienza a conducir la onda (casi) cuadrada al amplificador. En el punto en el que inicialmente pulsa la entrada (después de haber estado en silencio durante una cantidad significativa de tiempo), está viendo transitorios de respuesta amortiguados (aparentes en los primeros ciclos de conmutación) y luego se acerca más a lo que esperaba ver.
Aunque el FET es probablemente una capacitancia lo suficientemente baja para que el amplificador controle, es una práctica normal desacoplar la capacitancia de la puerta a través de una resistencia. Esto formará un filtro de paso bajo en la puerta del FET, por lo que hay una compensación de la respuesta del circuito al timbre/sobreimpulso del amplificador, que es lo que se ve una vez que desaparece la respuesta del paso inicial. También hay un polo desde la entrada inversora hasta la referencia del circuito (tierra), y es común ver un pequeño capacitor en el circuito de retroalimentación de aproximadamente la misma capacitancia para compensar esto.
El valor que debe usar depende del diseño del circuito, pero en este caso comenzaría con alrededor de 100pF (en una placa de circuito impreso correctamente diseñada, este valor sería más como 5pF a 10pF).
En el timbre del amplificador, puede haber gráficos en la hoja de datos que muestren sobreimpulso/impulso insuficiente frente a varias cargas capacitivas. Esto es bastante común en las hojas de datos de los amplificadores modernos.
HTH
Yo no habría aplicado tal esquema. Este esquema se convierte fácilmente en un establo. Entre la salida y la puerta del transistor coloque la resistencia R1 = 1kOhm. Entre la fuente del transistor y la entrada inversora del amplificador operacional coloque una resistencia R2 = 10kOhm. Entre la salida y la entrada inversora del amplificador operacional coloque un capacitor C1 = 1000pF.
LvW
LvW
escaso
escaso
Andy alias
LvW
LvW
Russel McMahon
Russel McMahon
Pablo Uszak