Warum schwingt diese Strombegrenzungsschaltung?

Das Problem besteht darin, dass der Strom durch M1 als Funktion der Gate-Spannung stark nichtlinear ist. Irgendwann in der Funktion ist die Verstärkung sehr hoch, was die Sache instabil macht.

Wenn Sie von dieser Schaltung keine Hochgeschwindigkeitsreaktion benötigen, können Sie sie etwas über den Punkt hinaus dämpfen, an dem Sie experimentell feststellen, dass sie an keinem Betriebspunkt schwingt. Fügen Sie dazu einen Widerstand in Reihe mit dem Eingangssignal hinzu, das in den negativen Eingang von O1 geht, und fügen Sie dann unmittelbar zwischen dem Ausgang von O1 und seinem negativen Eingang etwas Kapazität hinzu. Aufgrund der nichtlinearen Natur der Stromquelle, die diese antreibt, wird der Kapazitätswert, der keine Oszillation über irgendeinen Teil des Betriebsbereichs garantiert, das System auch an anderen Stellen überdämpfen. Das kann in Ordnung sein, wenn Sie keine schnelle Antwort suchen.

Ich würde das oben genannte trotzdem tun, aber ich würde überhaupt keinen FET verwenden. Sie benötigen nur einen Compliance-Bereich von 5 V (200 Ω mal 25 mA), sodass Sie über ausreichend Spannungsreserve verfügen. Sie haben 24 V, um mit zu beginnen. Die Last kann bis zu 5 V aufnehmen und der Strommesswiderstand weitere 2,5 V. Das lässt 16,5 V Headroom für die Stromquelle. Sie brauchen das alles wirklich nicht, aber Sie können problemlos etwa 5 V ausgeben, um eine einigermaßen lineare Stromquelle zu erhalten.

Lassen Sie den PFET fallen und verwenden Sie einen PNP-Transistor mit etwa 200 Ω in Reihe mit seinem Emitter. Das andere Ende des Widerstands ist mit der 24-V-Versorgung verbunden, der Kollektor wird zum gesteuerten Stromausgang und die Basis wird direkt vom Operationsverstärkerausgang angesteuert. Dies setzt voraus, dass der Ausgang des Operationsverstärkers innerhalb eines halben Volts der positiven Versorgung schwingen kann, was viele nicht können. Der obere Schaltplan gibt den Operationsverstärker überhaupt nicht an, und der untere zeigt einen TL082, der definitiv nicht innerhalb von 500 mV an die obere Versorgung herankommen kann. Verwenden Sie entweder einen Operationsverstärker, der dies kann, oder fügen Sie einen Widerstandsteiler zwischen dem Operationsverstärkerausgang und der Transistorbasis hinzu, damit der Transistor mit etwas ausgeschaltet ist, das der Operationsverstärker erreichen kann. Sie können auch eine Diode oder sogar einen Zener in Reihe mit dem Emitter hinzufügen, um den Basisspannungsbereich bei Bedarf zu senken.

Bei diesem Schema fügen Sie immer noch die oben beschriebene Kompensationsobergrenze hinzu (es ist normalerweise eine gute Idee, diese einzubauen, Sie können die Obergrenze immer weglassen, wenn Sie feststellen, dass sie nicht benötigt wird), aber derselbe Wert sollte für den gesamten Betrieb gelten Reichweite.

Ein weiterer Vorteil des PNP-Schemas besteht darin, dass viele Laständerungen sofort vom Transistor verarbeitet werden. Die größere Rückkopplungsschleife wird dann hauptsächlich vom Sollwert gesteuert und muss nicht so schnell auf Laständerungen reagieren. Das ermöglicht mehr Dämpfung für mehr Stabilität ohne Lastregulierung einzubüßen. Es verlangsamt die Reaktion auf Steuereingaben. Aus dem, was Sie sagen, wissen wir nicht, wie wichtig diese beiden sind und wie wichtig dies daher ist.

Im Allgemeinen müssen Sie über die Stabilität von Schaltkreisen mit Rückkopplung nachdenken, bevor Sie sie bauen und feststellen, dass sie oszillieren. Die "Oh, Mist"-Methode des Schleifenstabilitätsdesigns ist wirklich nicht sehr gut.

Die negative Rückkopplungsschleife des linken Operationsverstärkers geht durch den FET und den zweiten Operationsverstärker, was die Analyse der Stabilität zu einem Albtraum macht (und die Stabilität selbst intuitiv unwahrscheinlich).

Es besteht die Hoffnung, dass Sie diesen linken Operationsverstärker dämpfen könnten, indem Sie einen Vorwiderstand am negativen Eingang und eine kleine Kappe zwischen Ausgang und negativem Eingang hinzufügen. Versuchen Sie zunächst R = 1/(6.fC), zB C=100pF, R = 22k. Erhöhen Sie R, wenn dies keine Wirkung hat.

Update: Wenn Sie es versuchen, teilen Sie uns bitte die Wirkung mit!

Wenn Ihre Operationsverstärker-OA2-Schaltung nicht perfekt auf ihre Widerstände abgestimmt ist, verstärkt sie das Differenzsignal nicht wirklich - sie verstärkt auch das Gleichtaktsignal, dh die Spannung, die am Drain von M1 erscheint. Sie möchten nicht, dass dies geschieht, weil es eher zu Schwingungen kommt.

TL082 hat auch eine Zahl für CMRR (Common-Mode Rejection Ratio), aber es ist nicht bei hohen Frequenzen spezifiziert - es könnte leicht dürftige 20 dB bei 50 kHz sein und sich bei höheren Frequenzen verschlechtern. Dies wird dasselbe tun, als hätten Sie keine perfekt angepassten Widerstände.

Ich gehe auch davon aus, dass Sie eine echte negative Versorgung für den TL082 haben, denn wenn Sie keine haben, funktioniert er nicht richtig bis auf 0 V. Wenn Sie einen Bedarf von fast 0 mA einstellen, erwarten Sie, dass die Schaltung von OA2 funktioniert richtig und das geht einfach nicht.

Das Einsetzen eines Operationsverstärkers in die Rückkopplungsschleife eines anderen Operationsverstärkers kann zu Problemen führen, und normalerweise besteht die einzige Möglichkeit, dies zu umgehen, darin, die Hochfrequenzverstärkung eines von ihnen zu reduzieren. Zu diesem Zweck kann es angebracht sein, eine Kapazität über den 100-Ohm-Erfassungswiderstand zu legen. Es ist einfach zu tun und zu testen. Sie könnten feststellen, dass sich die Dinge bei (sagen wir) 100 nF beruhigen.

Es ist auch der FET zu berücksichtigen - dieser hat in seiner Konfiguration eine große Signalverstärkung, und ich würde empfehlen, einen Widerstand zwischen den Ausgang von OA1 und das Gate zu setzen, um die Verstärkung zu verringern. Versuchen Sie anfangs 10k und machen Sie es so groß wie möglich, während Sie den Fet immer noch richtig einschalten können.

Es geht darum, die "Verstärkung" der Schaltung zu reduzieren, um den Aufbau von Schwingungen zu stoppen und den Strom durch den 100R zu messen, ohne Fehler zu "sammeln".

Es gibt bessere Strecken, falls sich Ihre Bemühungen als erfolglos erweisen sollten, aber trotzdem viel Glück.

Hier ist eine: -

1mA für jedes eingegebene Volt fließt durch die 1k-Widerstände. Dies "zwingt" den oberen Operationsverstärker, Vin über den Source-Widerstand von 100 zu legen, daher fließen 10 mA für jedes Volt an Vin durch die Endlast

Grundsätzlich schwingt jede negative Rückkopplungsschaltung, wenn die Phasenverzögerung um die Rückkopplungsschleife herum 180° erreicht, bevor die Schleifenverstärkung unter Eins fällt.

Pole im Frequenzgang führen eine nacheilende Phase ein, die sich 90° pro Pol nähert, wenn die Frequenz ansteigt. Jeder Operationsverstärker hat mindestens einen Niederfrequenzpol in seiner Open-Loop-Antwort, der bewirkt, dass die Verstärkung mit der Frequenz abfällt und die Phasenverzögerung sich 90° nähert.

Sie betreiben OA1 ohne jegliche Rückkopplung, daher ist sein dominanter Pol ein wichtiger Faktor für die Gesamtreaktion. Außerdem treiben Sie einen MOSFET an, dessen Gate-Kapazität in Verbindung mit der ihn ansteuernden Impedanz einen weiteren Pol einführt. Zusammen treiben diese Pole die Phase schnell auf 180°.

Es gibt zwei Möglichkeiten, aus dieser Situation herauszukommen. Sie können die Verstärkung von OA1 erheblich reduzieren (unter Verwendung einer lokalen negativen Rückkopplung), um die Auswirkung seines Pols auf die Gesamtschleifenantwort zu verringern, oder Sie können die Phasenverschiebung verringern, indem Sie eine oder mehrere Nullen einfügen (führende Phasenverschiebung – im Wesentlichen ein Hoch). -Pass-Element mit niedriger Grenzfrequenz) in die Schleife.

Die anderen vorgeschlagenen Lösungen, die der Schleifenantwort zusätzliche Pole hinzufügen würden, sind im Wesentlichen kontraproduktiv, und anstatt das Problem zu lösen, verschieben sie einfach die Schwingungsfrequenz.