Spannungs- und Stromregler mit einem Transistor

Es ist trivial, ein Single-Pass-Element (in diesem Fall den IRF520-MOSFET) in einem Netzteil mit einstellbarer Spannung und Stromstärke zu verwenden. Alles, was Sie brauchen, ist eine Diode.

Der Spannungsregler muss in der Lage sein, das Gate durch Hinzufügen oder Entfernen von Ladung anzusteuern, oder mit anderen Worten, das Gate mit mehr oder weniger Spannung anzusteuern, je nachdem, was zur Aufrechterhaltung der Spannungsregelung erforderlich ist.

Der Stromregler hingegen ist ein Weg: Er reduziert immer nur den Strom. Eine Erhöhung des Stroms würde erfordern, dass die Spannung bei einer festen Last höher gezwungen wird, und dann verlieren Sie die Spannungsregelung. Der Spannungsregler stellt die "maximale" Spannung ein, aber der Stromregler kümmert sich nur darum, wann oder ob der Strom ein eingestelltes Maximum überschreitet. In jeder möglichen Situation muss er immer nur eines tun: die Spannung reduzieren, was letztendlich den Strom reduziert. Es muss also nur die Spannung heruntergezogen werden. Niemals, um es zu erzwingen.

Verwenden Sie also eine Diode. Setzen Sie einen in Reihe mit dem Ausgang des Stromreglers. Verwenden Sie Vorwiderstände (die von den Operationsverstärkern und ihren Strom- und Leistungswerten abhängen), sodass der Stromregler immer mehr Strom ableiten kann, als der Spannungsregler liefern kann, und dies stellt sicher, dass der Stromregler den Spannungsregler immer überlasten kann wünscht, wenn es nötig ist, kann aber die Spannung nicht höher zwingen (was erfordern würde, dass der Stromregler Strom liefert, was die Diode verhindert).

Etwas wie das:

Dies ist nur eine von vielen Möglichkeiten, dies zu tun. Eine andere Möglichkeit wäre, einen BJT anstelle eines MOSFET als Durchgangselement zu verwenden und seine Basis mit einer Konstantstromquelle anzusteuern. Setzen Sie Dioden sowohl auf den Spannungsregler als auch auf den Stromregler, und sie müssen nur mehr oder weniger Strom von der Basis wegleiten, um die Spannung höher oder niedriger zu treiben. Auf diese Weise muss der Stromregler nicht einmal den Spannungsregler überlasten, da keiner Strom liefern kann, und daher muss jeder Regler nur in der Lage sein, den gleichen maximalen Strom abzuleiten, den die Konstantstromquelle liefern kann.

Das fällt mir gerade ein, es gibt wahrscheinlich ein Dutzend andere Möglichkeiten, dies zu erreichen. Eine andere beliebte Methode besteht darin, den Stromregler zu verwenden, um die Eingangsspannung des Spannungsreglers zu steuern, sodass er den Strom reguliert, indem er die Spannung senkt, die der Spannungsregler zu erzeugen versucht. Sie scheinen übermäßig auf den einen Teil davon fixiert zu sein, der kein Problem darstellt und für den es viele verschiedene Lösungen gibt, die alle funktionieren. Es ist nichts Seltsames oder Schwieriges daran, ein Durchgangselement zu verwenden.

Es gibt kein physikalisches Gesetz, das besagt, dass nur eine Regelschleife das Gate eines Transistors ansteuern soll.

Aus diesem Grund wird Ihre Schaltung definitiv niemals funktionieren.

Ich hasse es, der Überbringer schlechter Nachrichten zu sein, aber da ist der Haken. Ich habe keine Zeit, Ihre gesamte Schaltung zu kritisieren, aber hier sind die offensichtlichen schwerwiegenden Fehler, die verhindern werden, dass sie jemals funktioniert:

1. Sie müssen ein N-Kanal-MOSFET-Gate mit mehreren Volt ansteuern, normalerweise 5-10 V über der Quellenspannung. Dies bedeutet, dass Ihr Operationsverstärker 30 V ausgeben muss, wenn Sie eine 20-V-Ausgabe erhalten. Wenn Sie Ihren Operationsverstärker über eine 12-V-Schiene mit Strom versorgen, erhalten Sie vom IRF520 nur wenige Volt maximale Ausgangsleistung. Es benötigt 5 V höher als die Quellenspannung, um 1 A zu leiten, und fällt dabei um 50 V ab. Sie haben keine 50 V, daher wird noch mehr Spannung benötigt, um es ausreichend einzuschalten. Sie scheinen zu glauben, dass der Abfall bei Spannungsreglern mit dem Pass-Element zu tun hat. Das tut es nicht. MOSFETs sind in ihrem Sättigungsbereich resistiv, daher ist es ein Widerstand mit sehr niedrigem Wert. Bei 2 A, vorausgesetzt, es liegt 10 V über der Source an seinem Gate an, hat es einen Widerstand von 270 mΩ, fällt also um 540 mV ab.

Der Ausfall bei Linearreglern kommt vom Fehlerverstärker (Operationsverstärker), nicht vom Durchgangselement. Wenn Sie den Operationsverstärker direkt an die Eingangsspannungsschiene anschließen, die 22 V beträgt, kann er nur innerhalb von ein paar Volt davon schwingen, und daher kommt Ihr Ausfall. Natürlich, wenn Sie einen BJT verwenden würden. Da Sie einen MOSFET verwenden, beträgt Ihr Ausfall grundsätzlich mindestens 10 V. Sie müssen Ihren Operationsverstärker also mit 10 V über der maximalen Ausgangsspannung versorgen, oder 30V, um den gewünschten Spannungsbereich zu erreichen. Es gibt keinen Trick, um dies zu umgehen. Sie müssen den Operationsverstärker immer noch mit ein paar zusätzlichen Volt über die Eingangsschiene versorgen, wenn Sie einen BJT verwenden. Außerdem sind viele Dinge erforderlich, um einen stabilen Betrieb des Operationsverstärkers zu gewährleisten, aber eine Konstantspannungsschiene gehört nicht dazu. Wenn dies der Fall wäre, könnten Linearregler mit 3 Anschlüssen nicht existieren.

2. Operationsverstärker mögen keine kapazitiven Lasten. Mit anderen Worten, sie mögen Dinge wie MOSFET-Gatter nicht, die an ihren Ausgängen angebracht sind. Das Gate eines MOSFET ist ein Kondensator, und durch das Aufladen wird der FET ein- und ausgeschaltet. Jetzt haben Sie sich glücklicherweise für einen FET mit relativ niedriger Gate-Kapazität entschieden, was gut ist. Sie müssen jedoch immer noch eine erhebliche Frequenzkompensation durchführen, um sicherzustellen, dass Ihre Operationsverstärker unter allen Lastbedingungen stabil sind. Mit anderen Worten, Sie müssen wissen, wie man Bode-Plots erstellt, den Phasenabstand herausfinden, wissen, was die Wörter Null und Pol bedeuten, und im Allgemeinen mit der Frequenzbereichsanalyse Ihrer Schaltung vertraut sein. Bis Sie dies tun, werden Sie nicht in der Lage sein, ein funktionierendes, stabiles Labornetzteil herzustellen, außer vielleicht versehentlich. Und selbst dann wirst du es nie erfahrenWenn es stabil ist, kennen Sie nur eine Teilmenge von Lasten, die es nicht zum Schwingen oder Überschwingen bringen (und wahrscheinlich alles zerstören, was damit verbunden ist).

Aber du hast gesagt, das war, damit du richtig lernen kannst? Nun, ein Labornetzteil ist eine fantastische Möglichkeit, alles zu lernen, was ich gerade erwähnt habe. Solange das nach den Dingen klingt, mit denen Sie Ihre Zeit verbringen möchten (und sie sind meiner Meinung nach alle sehr nützlich), dann geben Sie nicht auf! Erwarten Sie nur nicht, dies zu bauen und es bald oder ohne ein bisschen mehr Lernen und Arbeit tatsächlich zum Laufen zu bringen.

3. Sie können ohne negative Spannungsquelle oder virtuelle Masse nicht auf 0 V herunterregeln. Was sowieso das Gleiche ist.

Kein Spannungsregler kann ohne irgendeine negative Spannungsquelle zum Absaugen des Vorspannungsstroms auf 0 V herunterregeln. Damit ein Regler regeln kann, muss Strom fließen, und bei 0 V fließt kein Strom. Das ist Scherphysik. Wenn Sie 0 V wollen, brauchen Sie eine negative Spannungsschiene. Ende der Geschichte. Und nein, der LT3083 ist gegen diese Anforderung nicht immuner als alles andere. Von Seite 11 des LT3083-Datenblatts:

Sie müssen also Ihre Spannungsschienenstrategie für Ihre Operationsverstärker für den Anfang überdenken. Aber das ist der einfache Teil. Insbesondere auf 0V regelnd. Versorgen Sie einfach den negativen Leistungsstift des Operationsverstärkers mit ein paar Volt unter der Erde, und er hat kein Problem damit, auf 0 V zu schwingen, und er kann auf 0 V regeln. Keine weiteren Änderungen erforderlich. Sie brauchen keine symmetrischen Stromschienen oder ähnliches. Operationsverstärker wissen oder kümmern sich nicht darum, welches willkürliche Potenzial Sie als Masse bezeichnet haben. Operationsverstärker werden zu Operationsverstärkern (ja, ich verwende Operationsverstärker als Verb), egal wie sie mit Strom versorgt werden. Wenn sie nicht von einem Potenzial versorgt werden, das größer als ihr Spannungsbereich ist, werden Operationsverstärker explodieren. Aber ansonsten werden sie Operationsverstärker sein.

Wie auch immer, bleiben Sie dran - dies ist tatsächlich eine großartige Möglichkeit, viel über die analoge Seite der Elektronik zu lernen. Bitte seien Sie nicht entmutigt, dies ist ein gutes Projekt und Sie werden sich in Zukunft darüber freuen, wenn Sie bis zu seinem Abschluss daran festhalten. Tun Sie der Zukunft eine gute Zukunft und arbeiten Sie weiter auf dieses Ziel hin, auch wenn es weiter entfernt ist, als Sie gehofft haben!