OpAmp-basierte Konstantstromquelle/-senke erzeugt einen hohen Spitzenstrom, wenn die Lastspannung gepulst wird

Ich versuche, eine OpAmp-basierte Quelle / Senke mit hohem Konstantstrom basierend auf dem Anwendungshinweis 968 für analoge Geräte zu bauen.

LTSpice-Schema

Im ersten Schritt habe ich es für maximal 1A ausgelegt, später sind aber bis zu 10A geplant. Die Belastung mit 1mOhm ist nur ein Beispiel für eine sehr hohe Belastung, die durch diese Schaltung begrenzt werden soll.

Alles funktioniert wie erwartet, solange die Lastspannung nicht auf irgendeine Weise gepulst (oder sogar einmal eingeschaltet) wird. In meinem Beispiel habe ich eine Lastspannungsquelle VL mit 50Hz gepulsten 20V hinzugefügt, um dies zu demonstrieren. Um genau zu sein: Im Falle einer Konstantstromquelle ist VL die Spannungsquelle, die die Schaltung an die Last liefert. Im Falle einer Stromsenke ist VL die Spannungsquelle, die der Benutzer bereitstellt, um in diesen Stromkreis zu sinken.

Was passiert, ist, dass für etwa 20 µs ein großer, uneingeschränkter Spitzenstrom durch RL fließt. Nach weiteren 20µs stabilisiert sich der Strom auf den erwarteten Sollstrom.

Hoher Spitzenstrom

Ich habe versucht, C1 auf verschiedene Weise zu ändern. Die Wahl zu kleiner Werte führt dazu, dass der OpAmp wie im folgenden Beispiel schwingt. Je niedriger C1, desto größer sind die Schwungspitzen.

Schwingen

Ich habe mit verschiedenen OpAmps und Mosfets gespielt, aber es gab keine wirkliche Veränderung. Gibt es eine Möglichkeit, diesen hohen Spitzenstrom irgendwie zu verhindern? Was könnte ich ändern? Ist dieser Spitzenstrom wirklich ein Problem, da seine Zeit wirklich klein ist?

Erklären Sie genau, was Sie hier und in Bezug auf Ihre Schaltung getan haben: "Ich habe eine Lastspannungsquelle mit 50 Hz gepulsten 20 V hinzugefügt, um dies zu demonstrieren". Das Absenken von C1 über eine bestimmte Grenze hinaus führt zu Oszillationen von u3 aufgrund der kleinen positiven Rückkopplung auf diesem Gerät, die von R2 kommt.
Jede Schaltung hat eine endliche Reaktionsgeschwindigkeit und benötigt daher einige Zeit. Wenn die Spannung schneller als diese Reaktionsgeschwindigkeit ansteigt, kann keine Schaltung verhindern, dass mehr Strom fließt. Diese Reaktionszeit ist Teil der Spezifikation. Geben Sie es an und bauen Sie es entsprechend. Wenn Sie es erreicht haben, ist Ihr Design fertig. Wenn jemand schneller Spannung anlegt, ist er selbst schuld.

Antworten (3)

Die Ausgangskapazität des IRFH6200 beträgt 2,89 nF bei 10 Volt von Drain zu Source. Bei Null Volt von Drain zu Source liegt diese Kapazität im Bereich von 10 nF. Wenn Sie also den Impuls an VL anlegen, legen Sie dies (tatsächlich) an, unabhängig davon, wie lange oder kurz es dauert, bis sich das Steuersystem erholt denselben Impuls direkt an RL über einen Kondensator, der bei etwa 10 nF beginnt und auf vielleicht 2 nF abfällt, wenn die Spitze des Impulses erreicht ist.

Was passiert, ist, dass für etwa 20 µs ein großer, uneingeschränkter Spitzenstrom durch RL fließt

Dieser anfängliche Stromfluss ist auf den Kondensator und die Tatsache zurückzuführen, dass der MOSFET vor dem Einspeisen des Spannungsimpulses aufgrund der Operationsverstärker hart ist. Wie lange es dauert, bis sich der Regelkreis stabilisiert, hängt (teilweise) von der Wahl eines schnelleren Operationsverstärkers ab, aber auch von der Fähigkeit, Ladung vom MOSFET-Gate zu entfernen (Leistungstreiber werden normalerweise in Ampere angegeben, um dies zu erreichen).

Die Gate-Source-Kapazität beträgt etwa 10 nF und mickrige 20 mA von einem Operationsverstärker werden die Gate-Spannung mit einer Rate von 20 mA/10 nF = 2 Volt pro Mikrosekunde reduzieren - es könnte 5 bis 8 uns dauern, nur um sich zu drehen der MOSFET aus.

Ein paar Dinge tun dir weh:

  1. Langsamer Operationsverstärker. Aber ein schnelleres Laufen erhöht auch das Oszillationsrisiko.
  2. C1: verursacht Verzögerungen und Phasenverschiebung.
  3. Der Mosfet: große Gate-Kapazität.

Was passiert ist, dass das Ganze aus den oben aufgeführten Gründen nicht schnell genug ist, um das Eingangssignal zu verfolgen.

Die Lösung?

  1. Haben Sie eine echte Erwartung, wie gut Ihr CCS funktionieren sollte.
  2. Heilen Sie die Übel: schnellerer Operationsverstärker mit höherem Ausgangsstrom, senken Sie c1 so weit wie möglich. Verwenden Sie stattdessen BJT, senken Sie den Gate-Stopper so weit wie möglich, ... Alle laufen Gefahr, Ihre Vccs in heftige Schwingungen zu versetzen.
  3. Führen Sie eine AC-Analyse Ihres Verstärkers durch. Stellen Sie sicher, dass es nicht oszilliert, und stellen Sie die Parameter fein ein, um zu sehen, wo sich die Hüllkurve befindet.

Die Verwendung eines Operationsverstärkers kann schwierig sein.

Vielen Dank für Ihr Feedback. Die Verwendung eines BJT hat zwar sehr geholfen, aber dann sind Sie in Bezug auf die maximale Leistung sehr eingeschränkt. Ich habe viele billige (eBay) Stromquellen gesehen, die nur OpAmps und Mosfets verwenden. Vielleicht ignorieren sie diese Spitzen einfach?

Denken Sie darüber nach, was passiert:

Das Problem ist, dass der Strom nicht fließen kann, wenn VL Null ist. Die Operationsverstärker und die Rückkopplungsschleife versuchen, diesen Strom fließen zu lassen, damit der Operationsverstärker U3 die höchste Ausgangsspannung ausgibt, die er kann (nahe bei +15 V), und diese an das Gate von M1 weiterleitet. M1 ist also voll eingeschaltet.

Dann legen Sie VL an, M1 ist voll eingeschaltet, sodass ein sehr großer Strom fließen kann, der nur durch den Rdson von M1, RL und Rs begrenzt ist. Die Schleife braucht einige Zeit, um die Gate-Spannung von M1 so weit abzusenken, dass sie den Strom begrenzt.

Ich denke, der hohe Spitzenstrom kann und wird ein Problem sein, wenn nicht alles darauf ausgelegt ist. Sie könnten einen Widerstand in Reihe mit dem Drain von M1 hinzufügen und ihn zum höchsten Wert machen, der immer noch den gewünschten Stromfluss zulässt und einen gewissen Spannungsabfall über M1 zulässt.

Das war genau meine Vermutung, dass das Problem der anfangs voll aufgedrehte Mosfet ist. Gibt es eine gute Möglichkeit, die entgegengesetzte Rückkopplungsschleife zu erstellen, sodass der Mosfet zunächst ausgeschaltet ist und kontinuierlich eingeschaltet wird? Oder ist diese Art von Rückkopplungsschleife nicht das beste Design? Was zusätzlich passiert, ist, dass Strom aus dem Gate zu fließen scheint. Liegt das an der Gate-Ladung?
"Gegenseitiges Feedback" existiert nicht, es sei denn, Sie meinen positives Feedback, das für diese Schaltung völlig nutzlos wäre. der mosfet ist anfangs aus und wird dauerhaft eingeschaltet? Du meinst allmählich eingeschaltet . Aber Ihr Problem ist, M1 auszuschalten, wenn VL nicht da ist. Das würde eine zusätzliche Schaltung erfordern. Strom scheint aus dem Gate zu fließen. Ja, das Gate (verhält sich wie ein großer Kondensator) entlädt sich.
Sie brauchen wirklich viel mehr Designerfahrung, bevor Sie diese Schaltung anpassen können, um all dies zu implementieren. Sie sind nicht der Erste, der mit zu wenig Erfahrung etwas Nicht-Standard „designen“ möchte. Bevor Sie selbst etwas entwerfen können, müssen Sie alle grundlegenden Schaltungsdesigns und -prinzipien verstehen. Ja, das zu meistern dauert ein paar Jahre .
Ja, ich lerne noch, bevor ich etwas physisch baue, möchte ich die Prinzipien verstehen und ich werde zuerst mit Schaltungssimulatoren spielen. Aber was du sagst ergibt für mich Sinn.
OpAmp-basierte Konstantstromquelle/-senke erzeugt einen hohen Spitzenstrom, wenn die Lastspannung gepulst wird
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