Spannungsgesteuerte Stromquelle

Hier ist eine Schaltung, die ziemlich gut zu funktionieren scheint, um einer Spannung zu ermöglichen, einen Strom von bis zu zwei Ampere zu steuern.

Schaltkreis

Es funktioniert auf dem Falstad-Simulator (der Spannungseingang mit Dreieckswelle erzeugt eine identische Stromwellenform durch die Diode, die die LED ist - die PWM-Steuerung funktioniert nicht nur, wenn die Eingangsspannung auf die Hälfte eingestellt wird, wird der Strom tatsächlich halbiert) und ich werde es stecken mit meinen eigenen Komponenten, aber ich möchte einige Dinge herausfinden, bevor ich das Schaltungsdesign abschließen kann.

Die Wellenform links stellt die Spannung dar, die den Strom durch die Diode regelt. Die Dreieckswelle (die 40 Hz und die Wahl der Dreieckswelle sind willkürlich) liegt bei 5 V. Es ist über einen Spannungsteiler mit dem Operationsverstärker verbunden, und der rosafarbene Widerstand unten rechts wird in Abstimmung mit der Spannung gewählt, die in den Operationsverstärker geht (nach dem Teiler sind es 100 mV). Der Zweck der Einstellung 1 7 Ω ist die Wärmeentwicklung zu minimieren. Es ist bei diesem Wert, weil ich 700 mA durch die Diode wollte.

Die Gleichspannungsquelle rechts hat 10 V.

Jetzt habe ich mir das Datenblatt für meinen Operationsverstärker, den MCP600x, angesehen und sein absoluter Maximalstrom beträgt 2 mA. Der von mir verwendete Darlington-Transistor (BD681) hat a H F E von 750, was bedeutet, dass, wenn ich diese Grenze erreiche, der Kollektorstrom ist 2 M A ∗ 750 = 1.5 A . Dies bedeutet, dass ich diese Schaltung nicht verwenden sollte, um eine 3-Ampere-LED anzusteuern. Stellen sie Rail-to-Rail-Operationsverstärker mit höheren Nennströmen her? Mein Transistor ist für 4 A ausgelegt (obwohl er etwas Kühlkörper benötigen wird, da er einen Abfall von 1,3 V hat)

Da der Transistor bei hohen Strömen ziemlich viel Wärme abführt, wäre meiner Meinung nach ein MOSFET erforderlich, um Ineffizienzen zu reduzieren. Ich hatte jedoch nicht viel Glück, eine MOSFET-Schaltung mit einer guten Stromregelung zu bekommen, da es keinen leitenden Pfad vom Gate zur Source gibt. Ich kann es jedoch als Schalter verwenden, sodass der PWM-Betrieb in Ordnung ist.

Ich denke, meine Frage ist: Gibt es eine relativ einfache Möglichkeit, eine Mosfet-Schaltung zu bauen, die wie diese funktioniert, aber mehr Strom (und einen höheren Wirkungsgrad) liefern kann? Welche Art von MOSFET sollte ich verwenden (p-Typ, n-Typ ... andere Typen?)?

Warum nicht ein "Trarlington" verwenden? Verwenden Sie einen dritten Transistor, um einen dreifachen Darlington herzustellen - das sollte den Basisstrom auf einen Bereich reduzieren, den der Operationsverstärker verarbeiten kann.
Das ist eine sehr interessante Idee. Sicherlich hindert mich nichts daran, den Gewinn auf diese Weise weiter zu verstärken. Danke!
@Bitrex, Steven - auch bekannt als "Superdarlington"
@Bitrex: +1 für "Trarlington", obwohl ein Triple-Darlington streng genommen ein "Hexlington" wäre :)
@Mike - 1pA Antriebsstrom?
Nur aus Neugier, würde die Schaltung bei solchen massiven Verstärkungen nicht extrem empfindlich auf kleine elektrostatische Ladungen und ähnliches reagieren? Ich glaube nicht, dass sehr viele Mikrovolt benötigt würden, um ein paar Picoampere Strom zu erzeugen. Oh warte, es muss aber über der Schwellenspannung liegen, hmm?

Antworten (3)

Diese Schaltung verwendet einen FET, um einen Transistor anzusteuern, aber Sie können den Transistor durch einen Darlington ersetzen, sodass Sie eine Art Hybrid-Superdarlington erhalten.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Dies sollte die Ausgangsstrombegrenzung des Operationsverstärkers lösen.

Leistungs-MOSFETs haben ein weiteres Problem: Sie haben eine erhebliche Gate-Kapazität und mit 2 mA Ausgangsstrom werden sie sehr langsam wieder aufgeladen ... Hochgeschwindigkeitstreiber pumpen bis zu 1 A Strom, nur um Gates anzusteuern ...

Also würde ich zuerst versuchen, ein Low-Power-Darlington-Paar UND einen Leistungstransistor darüber zu verwenden. Dies wird Ihnen genug Verstärkung geben.

Danke für den Hinweis! Ich bezweifle, dass der Simulator dies berücksichtigen würde
Nun, anständige Simulatoren sollten dies berücksichtigen. Fügen Sie einfach einen 1-10-kOhm-Widerstand in Reihe mit dem Gate hinzu und Sie werden sehen.

Sie können den NPN-Bipolartransistor in Ihrer Schaltung fast direkt durch einen Niederspannungs-N-Kanal-FET ersetzen. Solange der Operationsverstärker über genügend Spannungskapazität verfügt, um das Gate anzusteuern, stellt er die Gate-Spannung auf das ein, was erforderlich ist, um die gewünschte Spannung (und damit den gewünschten Strom) über den Strommesswiderstand zu erhalten. Wenn Sie einen MCP600x verwenden, ist seine Ausgangsspannung begrenzt, und der FET muss ein Typ mit "logischem Pegel" sein. Das bedeutet, dass er über seinen gesamten Bereich mit 5 V am Gate statt den üblichen 12-15 V betrieben wird.

Was die Effizienz betrifft, ist eine lineare Steuerung der LED eine schlechte Idee. Stellen Sie die Dinge so ein, dass gerade genug Spannung vorhanden ist, um die LED mit dem gewünschten maximalen Strom zu betreiben, und verwenden Sie dann PWM für niedrigere Ströme. Mit anderen Worten, um die halbe Helligkeit zu erhalten, lassen Sie die LED die Hälfte der Zeit mit voller Helligkeit laufen, anstatt die ganze Zeit mit halber Helligkeit.

Ich verstehe, dass LEDs am besten mit PWM betrieben werden, aber einige dieser neumodischen Emitter können davon profitieren, mit unterschiedlichen Strömen betrieben zu werden. Der Cree XM-L zum Beispiel kann erstaunliche 160 Lumen pro Watt liefern, wenn er mit 350 mA betrieben wird. Es ist auch in der Lage, fast 1000 Lumen zu liefern, wenn es mit 3+ Ampere betrieben wird, aber bei einem geringeren Wirkungsgrad. Wenn ich diesen Emitter auf ~30 Prozent seiner maximalen Leistung einstellen möchte, würde ich eher einen niedrigeren Strom als PWM bei 3 Ampere verwenden wollen. Tatsächlich habe ich eine XM-L-Taschenlampe, die PWM in ihren niedrigen Modi verwendet. Ich schätze 300Hz PWM. Und ich denke, es wäre besser, wenn es direkt gefahren würde.
Was auch passierte, als ich den NPN in der Simulation direkt durch einen n-Kanal-MOSFET ersetzte, war, dass die Gate-Spannung auf High stecken blieb und der MOSFET nicht abschaltete. Ich musste damit herumspielen und einen Widerstand hinzufügen, um ihn auf Masse abzulassen. Es gab mir jedoch keine lineare Kontrolle.
Denken Sie daran, dass, wenn Sie einen Illuminator herstellen und die Szene mit einer Videokamera betrachten, die Verwendung von PWM zu Stroboskopeffekten/Aliasing auf dem Bild führen kann.
Ich bin froh, dass du darauf hingewiesen hast, Mike. Dies ist eines der Dinge, die leicht übersehen werden und zu meiner Liste von Gründen hinzukommen, warum ich PWM gerne vermeide (oder zumindest Problemumgehungen dafür finde).
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