Salida posiblemente inestable de la fuente de alimentación lineal debido a una amplificación de corriente muy grande

Question

Estoy diseñando una fuente de alimentación lineal con un op-amp como amplificador de error y un par Sziklai como etapa de salida como proyecto de hobby (ver esquema abajo).

Me preocupa que la salida Vo sea inestable/impredecible debido a la gran amplificación de corriente desde la salida de U1 a la salida de la fuente de alimentación Vo. Quizás las corrientes de fuga y/o de ruido sean suficientes para encender la salida.

He simulado el circuito en Orcad Pspice, y ahí funciona bien, pero me temo que en la práctica no.

¿Tiene alguien una idea de cómo remediar el posible problema?

Answer 1

Así que, como has dicho, la ganancia de los 4 BJTs combinados es enorme y da como resultado un circuito muy inestable independientemente de la compensación local. Créeme, lo he intentado. Cuando simulaste el circuito, debiste conectar la entrada del regulador de voltaje a una fuente de CC pura, que no tiene absolutamente ninguna ondulación. Debido a esto, tu amplificador óptico sólo tiene que mantener una tensión de salida estable para conducir los BJT y obtener la tensión de salida deseada. El problema surge en el mundo real, donde el ruido de la fuente de alimentación es inevitable y los amplificadores operacionales tienen un valor finito de PSRR (relación de rechazo de la fuente de alimentación). Debido a esto, el amplificador óptico debe variar su salida para compensar el rizado de la fuente de alimentación. Pero al hacerlo, incluso las más pequeñas variaciones en la salida del amplificador óptico son amplificadas en gran medida por los BJT y dan lugar a inestabilidad severa . Las siguientes simulaciones LTspice lo demuestran.

Se trata de una simulación con un entrada de CC pura

Como puedes ver, la salida es un limpio 5V DC, como era de esperar.

Ahora, he añadido 200mVpp 100kHz de rizado de entrada:

Como puedes ver, la salida se ha vuelto loca. ¡¡La salida tiene más de 350mVpp de ripple!!

Ahora podrías decir: "Añadamos algo de capacitancia de salida para bajar el ripple".

Así que aquí está el resultado de eso:

El rizado o/p ha disminuido efectivamente, pero mira la corriente de colector del transistor de paso en serie:

La corriente de colector tiene una oscilación de 0,6 A, que el condensador absorbe.

Aquí hay un mejor esquema de regulador de voltaje:

En este esquema, una fuente de corriente (que se puede hacer fácilmente usando 2 BJTs PNP) alimenta el transistor de paso en serie y es derivada para controlar la cantidad de corriente que va a la base del transistor de paso. Controlando la corriente de base del transistor de paso, se puede controlar la corriente de colector y, por tanto, la tensión de salida. Esto es mucho más estable y tiene un buen rechazo al rizado.

Y aquí está la corriente del colector del transeúnte de paso:

Sólo hay 10mA de oscilación, en comparación con los 0,6A de la última vez.

Answer 2

Hay demasiada ganancia, esto nunca funcionará.

La primera regla para diseñar un regulador es conocer la impedancia de la carga. Por lo general, habrá al menos un condensador en la salida, probablemente varios. Algunas cargas son complicadas, como los convertidores DC-DC que pueden tener una impedancia de entrada negativa (VCC baja, la corriente sube). Si hay cables entre el regulador y la carga, añade algo de inductancia.

Si el regulador, la carga y los condensadores forman parte del mismo diseño, entonces el regulador puede ser optimizado para estos parámetros. De lo contrario, tiene que diseñarse para trabajar con una gama de cargas y condensadores.

Así que hazte una idea del rango de la curva de impedancia frente a la frecuencia con la que quieres que funcione. Si diseñas una fuente de alimentación de banco, es un rango bastante amplio.

Si la carga se conecta a través de algo que tiene baja inductancia, como los planos de potencia/tierra, entonces está en la misma placa, por lo que se diseña conjuntamente, eso es más fácil.

Si la carga está conectada mediante cables (inductancia), la impedancia de salida HF de la fuente de alimentación es irrelevante para la regulación de la carga, ya que estará dominada por la inductancia de los cables. Y si esperas condensadores cerámicos en el lado de la carga, entonces tu fuente de alimentación no puede tener una baja impedancia a alta frecuencia (es decir, tapones cerámicos en la salida), de lo contrario estarás construyendo un resonador LC en serie con los cables. Así que es más seguro tener una impedancia de salida resistiva plana en HF, digamos un tapón electrolítico con ESR alrededor de 1 ohm o más, o un montón de MLCCs con resistencias en serie. Esto tiene la ventaja de que el regulador ahora se enfrenta a una impedancia de carga conocida en HF, si los cables son lo suficientemente largos para tener suficiente inductancia para aislarlo de la baja impedancia de carga en HF.

Así que, arriba a la derecha tenemos una carga, un montón de tapones escalonados por una lista de valores con ESR y ESL, y a la izquierda, su impedancia está en azul. El inductor de 50nH y la resistencia de 10mOhm son los cables.

Abajo a la derecha tenemos un regulador que es (por ahora) sólo un inductor de 350nH. Combinado con las diversas impedancias de carga simuladas, esto forma algunas combinaciones bien amortiguadas si los condensadores de carga son grandes, pero si son pequeños, hay timbre.

Esto necesita amortiguación, así que vamos a añadir alguna impedancia resistiva en derivación a nuestro regulador, algo así como un condensador de 0,1 Ohm 220µF con una inductancia bastante irrelevante. También he escalonado la inductancia del cable.

Esto está mucho mejor amortiguado. Así que, vamos a deshacernos de la carga y mostrar la impedancia de salida del regulador objetivo. He añadido un tapón de 1µF y 1 ohmio también.

Ahora puedes sintetizarlo como quieras. Habrá un transistor de paso y un amplificador de error para proporcionar corriente a la carga y sintetizar la parte inductiva (350nH) de la impedancia. La amortiguación puede ser proporcionada por una tapa de salida, o puede ser hecha por el lazo de control también, si quieres una protección de sobrecorriente muy rápida. Porque si la fuente de alimentación está ajustada a 40V, 20mA y conectas un LED pensando "hey está en límite de corriente lo que podría ir mal", si la capacitancia de salida se implementa con un condensador se descargará en el LED y posiblemente lo frie. De lo contrario, si la parte de amortiguación de la curva de impedancia no se implementa con un gran tapón, sino con un bucle de control inteligente en su lugar, entonces no hay ningún condensador cargado para freír su LED.

El diseño de una fuente de alimentación de banco competente es bastante complicado porque hay dos bucles de control (corriente y voltaje) y la rapidez y la calidad con la que se cambia entre los dos sin que nada vaya mal distingue a los ganadores de los perdedores.

Así que, de acuerdo, no he respondido a la pregunta con exactitud, pero aquí es donde deberías empezar.

Answer 3

No dices qué es U1, pero probablemente esté compensado para aplicaciones de ganancia unitaria o de baja ganancia. Sin embargo, Q1, Q2 y Q4 son etapas de ganancia de voltaje no compensadas dentro del bucle de retroalimentación de U1. La degeneración local ayudará a domar las cosas, pero incluso si se ejecuta limpiamente usted todavía debe hacer un análisis completo de la estabilidad para ver cómo cerca del borde que está patinando.

Answer 4

U1 tiene alguna limitación de velocidad de giro, probablemente, pero con Q1 conectado como se muestra, que no ayuda. Reduzca la ganancia de voltaje en Q1 poniendo una resistencia de emisor en el circuito, de tal manera que U1 no tiene suficiente rango de voltaje en su salida para saturar el transistor Q1... que sería malo para la regulación.

Una resistencia de emisor para Q2 podría ser útil también, pero que disipará algo de energía si es necesario. El amplificador óptico es probable que funcione mejor si domina su ganancia de tensión interna (en lugar de la ganancia de los transistores añadidos) para que la compensación del amplificador interno amplificador interno sea eficaz.

Un diagrama de Bode con algunas impedancias de carga de muestra sería un procedimiento de simulación.