Überlegungen zum Design von Konstantstromquellen

Ich entwerfe eine Konstantstromquelle zum Ansteuern einer Laserdiode. Ich brauche es, um einstellbar (von 0 bis 100 mA max) und stabil genug zu sein, da ich es als Lichtquelle in einem Foucault-Spiegeltester für mein Projekt zur Herstellung von Amateurteleskopspiegeln verwenden werde.

Nach einigem Lesen kam ich auf das folgende allgemeine Design, jedoch habe ich einige Fragen.

  1. Ist dies insgesamt ein angemessenes Design (nicht zu kompliziert)?
  2. Das Signal am nicht invertierenden Eingang von U5 ist nur ein DC-Sollwert. Kann ich einfach den billigsten verfügbaren Operationsverstärker auswählen (geringste Bandbreite) oder muss ich andere Überlegungen anstellen?
  3. Sollte ich mich um die Schleifenstabilität kümmern und diese kompensieren (C2-R3 oder eine andere Lösung)?
  4. Die Stromquelle muss strombegrenzt sein, um LD1 nicht zu beschädigen. Sollte ich den Rückkopplungswiderstand R4 (mit VD) in diesem Sinne dimensionieren oder sollte ich der Schaltung vertrauen und den maximalen Strom indirekt mit R2-RV1 konfigurieren und R4 auf einen niedrigen Spannungsabfall einstellen und eine angemessene Spannungsrückkopplung erhalten?

Ich danke Ihnen für Ihre Hilfe.

Konstantstromquelle

Es wäre besser, die Diode zwischen R4 und Q1 zu kleben. Andernfalls ändern Temperaturänderungen in Beta den Diodenstrom, obwohl der Strom in R4 konstant ist.
@tobalt das würde nicht so gut funktionieren, wenn die Stromschienen begrenzt sind, aber vielleicht verstehe ich Ihre implizite Schaltung falsch.
@tobalt. Das ist ein guter Punkt, wenn Genauigkeit ein so wichtiges Anliegen ist. Vielleicht hilft bei diesem Aspekt die Tatsache, dass der niedrige Strom die Verwendung eines Transistors mit hohem Beta ermöglicht. Ich habe hier mit LTSpice ein 80 ° C-Delta simuliert und einen Fehler von ein paar hundert uA mit Vce unter 1 V gefunden.
@Andyaka hat Recht, dass die erforderliche VCC um die Durchlassspannung von LD1 erhöht wird, wenn die Diode auf der Emitterseite von Q1 steckt. Wenn dies tatsächlich nicht tolerierbar ist, können Sie Ihre Schaltung verwenden, aber Q1 durch eine höhere Beta ersetzen, wie von devnull vorgeschlagen. Dh einen FET für praktisch unendliches Beta verwenden. Insbesondere ein JFET sorgt auch für eine natürliche Strombegrenzung. Ein MOSFET kann erforderlich sein, wenn Sie keinen JFET mit ausreichendem Sättigungsstrom finden können ICH D S S .
Eine ähnliche Antwort, die eine Präzisionsstromquelle diskutiert, wurde hier diskutiert: electronic.stackexchange.com/questions/563888/… TL;DR: Die Hauptrauschquellen sind in absteigender Reihenfolge: a) die Referenzspannung, b) der Stromeinstellwiderstand, c) die VD-Versorgungsspannung. A und B tragen ebenfalls zur Drift bei.
Wie viel Genauigkeit brauchen Sie genau? Wenn Sie etwas mit einem Potentiometer von Hand einstellen, können Sie nicht wirklich besser als 5% oder vielleicht 2% des Potibereichs sein, nur weil Sie nicht so genau sein können. Aus diesem Grund denke ich, dass Ihr Design in dieser Hinsicht zu kompliziert ist. Andererseits können Sie andere wichtige Merkmale in Ihrem Design berücksichtigen - wie z. B. exponentielle Regulierung (bessere Körnigkeit bei niedrigem Strom) oder langsames Ansteigen des Stroms (sicherer für die Augen, soweit ich das beurteilen kann). den Strahl, gönnen Sie sich eine Zeit zum Blinzeln, wenn die Intensität weit abweicht).
@fraxinus, danke für deine Frage. In der Praxis würde ich das Potentiometer einfach von Hand einstellen, bis ich mit der Lichtintensität zufrieden bin, die sich aus dem von mir durchgeführten Test ergibt. Eine Testsitzung dauert höchstens 1 Stunde, und das Licht wird von einer Kamera erfasst, nicht von meinem bloßen Auge. In diesem Sinne muss die Schaltung nicht präzise sein, da ich die Lichtleistung der Laserdiode nicht als Funktion ihres Stroms quantifiziere, ich brauche sie nur, um einstellbar und stabil zu sein.

Antworten (2)

Die Stromquelle muss strombegrenzt sein, um LD1 nicht zu beschädigen. Sollte ich den Rückkopplungswiderstand R4 (mit VD) in diesem Sinne dimensionieren?

Wenn der BJT gesättigt ist, erhöht der Operationsverstärker seine Ausgangsspannung, bis er abschneidet, und die Ausgangsstromregelung funktioniert nicht. Der BJT sollte einen Basiswiderstand haben, um sowohl einen übermäßigen Ausgangsstrom des Operationsverstärkers als auch einen übermäßigen Basisstrom des BJT in diesem Fall zu verhindern. Dieser Widerstand sollte "nach" C2 zwischen der Oberseite von C2 und der Basis des Transistors platziert werden, damit selbst wenn der BJT gesättigt ist, dies den Hochfrequenz-Rückkopplungs- / Kompensationspfad durch C2 nicht beeinflusst.

Sie können einen hochohmigen Widerstand zwischen den Schleifer des Topfes und Masse legen, sodass der Operationsverstärker beim Öffnen des Schleifers einen 0-V-Eingang erhält und keinen undefinierten Eingang, der von der Polarität seines Eingangsstroms abhängt.

Ihre Wahl des Transistors ist gut, wie das Datenblattdiagramm (obere linke Seite 5) zeigt, dass er immer noch hFe von 100 mit Vce unter 0,1 V bei Ic = 0,1 A hat.

Sie sollten also R4 dimensionieren, um den maximal gewünschten Strom bei der minimalen Versorgungsspannung zu erhalten, mit einem Spielraum von etwa 0,5 V Vce am Transistor. Es ist wichtig, einen niedrigen VceSat-Transistor auszuwählen, wie Sie es getan haben; Wenn ihm bei niedrigem Vce der Dampf ausgeht, steigt der Basisstrom, und das summiert sich zum Emitterstrom, der am Widerstand gemessen wird, und der Strom wird ungenau.

(Ich meine die minimale / maximale Versorgungsspannung, wenn Sie Batterien verwenden, aber wenn Vcc geregelt ist, gilt das nicht.)

Berechnen Sie dann mit diesem Wert von R4 bei maximaler Versorgungsspannung und mit vollständig eingeschaltetem Transistor (Vce = 0) den Strom durch die Laserdiode: Er sollte die Diode nicht beschädigen.

Wenn der Strom zu hoch ist, erhöhen Sie die Referenzspannung, um mehr Volt über den Widerstand abfallen zu lassen.

Berechnen Sie dann die maximale Verlustleistung im Transistor, die nicht bei maximalem Strom, sondern darunter auftritt, und stellen Sie sicher, dass das SOT23-Paket damit umgehen kann.

" Sie können einen hochohmigen Widerstand zwischen den Schleifer des Topfes und Masse legen, [...] " +1!!

Kann ich einfach den billigsten verfügbaren Operationsverstärker auswählen (geringste Bandbreite) oder muss ich andere Überlegungen anstellen?

Die Eingänge des Operationsverstärkers müssen bis zur Erdung (der negativsten) Stromschiene arbeiten, wenn Sie die volle Kontrolle bis nahe 0 mA wünschen. Der Ausgang des Operationsverstärkers muss auch in Richtung der negativsten Schiene (Masse in Ihrem Schaltkreis) gehen können.

Wenn Sie sich Sorgen um die Genauigkeit des Sollwerts machen, könnte die Eingangs-Offsetspannung ein Problem sein, wenn Sie sich für die Verwendung eines LM324-Operationsverstärkers entschieden haben, dies hängt jedoch von Ihrer Spezifikation und dem Wert des Widerstands R4 ab.

Sollte ich mich um die Schleifenstabilität kümmern und diese kompensieren (C2-R3 oder eine andere Lösung)?

Bei Verwendung eines LM324 (zum Beispiel) ist die Schleife mit ziemlicher Sicherheit stabil, da der BJT als Emitterfolger arbeitet und daher keine Verstärkung und nur eine sehr geringe relevante Phasenverschiebung hinzufügt. Mit anderen Worten, wenn Sie einen Niederfrequenz-Operationsverstärker (wie den LM324) verwenden, können Sie C2 wahrscheinlich nicht verwenden. Es lohnt sich jedoch, R3 für alle Fälle an Ort und Stelle zu lassen.

Die Stromquelle muss strombegrenzt sein, um LD1 nicht zu beschädigen. Sollte ich den Rückkopplungswiderstand R4 (mit VD) in diesem Sinne dimensionieren?

Ja, das würde ich machen (Gürtel und Hosenträger).

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