Opamp + NPN y MOSFET en la red de retroalimentación, cómo evitar las oscilaciones

Question

Antecedentes

La tarea consiste en añadir un medio electrónico para limitar la potencia aplicada a un motor eléctrico en un entorno industrial. El operador normalmente controla la potencia del motor a través de una palanca que se acopla a un pote de 5K:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

El dispositivo electrónico que quiero añadir debe ser capaz de captar la señal hasta un límite, de manera que la señal alimentada al ESC siga la relación

$$V_{\text{out}} = \text{min}(V_{\text{in}}, V_{\text{limit}})$$

o (¡gracias a @GlennW9IQ por sugerirlo!)

$$V_{\text{out}} = V_{\text{in}} * V_{\text{limit}}$$

(en el segundo caso, supongamos que V _límite es 0..1, es decir, sólo un multiplicador normalizado).

Una muy importante El detalle es que cualquier cosa que añada no debe ser capaz de generar una señal fantasma, es decir, Vout DEBE ser siempre menor o igual que Vin, incluso en caso de errores de software y fallos razonables de hardware. Para ello, inicialmente redacté algo así:

Borrador 1

simular este circuito

También hay otros detalles, por ejemplo, un relé para puentear todo el circuito si mi dispositivo no recibe alimentación. El propósito de OA1 es amortiguar la señal de entrada para que pueda ser leída a través de un pin ADC del MCU. Con este esquema, puedo estar razonablemente seguro de que no puedo inyectar una tensión positiva en la entrada del ESC, ya que sólo puedo tirar de la señal del pote hacia abajo. El problema es que OA2 no puede llevar la señal a 0V si la señal de límite lo dice, porque la salida siempre será al menos el Vf del diodo. En teoría eso se puede arreglar si añado un carril negativo a V- de OA2. Pero en la práctica esto es inviable.

Borrador 2

Así que tengo este nuevo borrador, que se muestra aquí sólo la parte a la derecha de OA2:

simular este circuito

Problema

El esquema en el borrador 2 es capaz de tirar de la lectura del pote con fuerza a 0V, pero me temo que el bucle de retroalimentación es demasiado complicado, demasiado alta ganancia, y la salida va a oscilar mucho.

He dejado intencionadamente la casilla ??, porque creo que es ahí donde hay que añadir algunos componentes de oscilación/estabilización (por ejemplo, 220k||1µF a tierra). Lo bueno es que la entrada tiene un ancho de banda bastante bajo, digamos 10 Hz (¿a qué velocidad puedes girar un pote?) y no pasa nada si la salida tiene algunos defectos/sobreoscilaciones, ya que el motor tiene mucha inercia. Simplemente no quiero que oscile todo el tiempo.

Problema

Entonces: ¿cómo estabilizar este bucle de retroalimentación y evitar las oscilaciones?

EDITAR

Basándome en las sugerencias de los comentarios, he actualizado el borrador 2 para incluir un integrador en torno a OA2:

simular este circuito

Si he entendido bien la teoría, el bucle de retroalimentación del OA2 está ahora limitado por el ancho de banda a unos 50 Hz, con una frecuencia de esquina de -3dB en torno a los 5 Hz. ¿Serán suficientes estas adiciones?

EDITAR #2

Como sugirió @GlennW9IQ, presenté la opción de que el valor del límite modula la entrada, es decir, puedes seguir usando todo el rango del pote, sin embargo tu rango de salida se reescala de acuerdo al límite. Ver las fórmulas actualizadas para V _fuera .

EDITAR #3

Detalles adicionales del circuito/sistema:

• Mi dispositivo tiene un raíl de alimentación de 3,3 V, de ahí la necesidad de utilizar divisores resistivos, amortiguadores de opampo, etc.
• No tengo un carril de 5V a mano (no quiero usar el del cable del ESC a la olla).
• El V _límite es generada por un DAC de 8 bits y su Vref puede ser de 3,3V o 2,048V.

Answer 1

Pregunta central: ¿cómo estabilizar este bucle de retroalimentación y evitar las oscilaciones?

Recordatorio rápido de la teoría: "generalmente" un bucle de retroalimentación es estable si hay suficiente margen para la frecuencia en la que la ganancia del bucle cerrado es 1 (hay casos especiales en los que esta simple regla no es válida).

En la práctica, la mayoría de los amplificadores ópticos se compensan internamente y tienen una ganancia mínima en bucle cerrado que suele ser de 0,1. Generalmente esto está en la hoja de datos, pero no se menciona para su MCP601. Sin embargo, es un OPA de bajo ancho de banda, por lo que es muy probable que esté compensado.

Los dos OPAs se montan como seguidores.

Estás introduciendo problemas que anticiparon con el transistor y el mosfet: ambos añaden ganancia en bucle abierto. Una oscilación de tensión en la entrada del NPN se amplifica en su salida. Lo mismo ocurre con el Mosfet de canal N.

Al aumentar la ganancia de bucle abierto, es probable que la compensación interna del OPA ya no sea suficiente. Su reflejo es añadir un condensador en algún lugar para añadir compensación. Este no es el camino más fácil.

Mi sugerencia es sustituir el transistor y el MOSFET por un dispositivo PNP y un dispositivo de canal P. Utiliza el Emisor del PNP como salida en lugar del Colector. Para el MOSFET, utilice la Fuente como salida en lugar del Drenaje.

La salida PNP (Emisor) seguirá a la entrada (Base) y por tanto no introducirá ninguna amplificación de tensión.
Del mismo modo, la tensión de la puerta y la fuente del MOSFET casi se suceden y no introducen ninguna ganancia (significativa).

Como resultado, la estabilidad del bucle no se ve afectada y no es necesario añadir ninguna compensación adicional.

Tendrás que retocar un poco el circuito limitador de corriente, pero debería ser bastante factible y posiblemente incluso simplificar el circuito.

He encontrado la razón principal por la que el esquema no estaba bien: la retroalimentación era incorrecta. En el siguiente esquema modificado, la salida digital para activar/desactivar el limitador debería ser de 3,3V para desactivar y de alta impedancia (o entrada) cuando se activa. Cuando es 3.3V, tira de la puerta alta para que el MOSFET no conduzca. El circuito puede ser simulado. Las fuentes de voltaje simulan los puntos de ajuste cambiantes para el ajuste del operador y el ajuste del limitador. El generador de voltaje de encendido/apagado no hace nada aquí, no encontré un componente que tuviera una salida tristate.

Creo que el esquema puede ser mejor, pero he seguido el de la pregunta para demostrar la solución con respecto a la estabilidad.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Bonificación:

El siguiente esquema no está del todo bien, pero sugiere cómo el MOSFET podría ser un interruptor entre la tensión de entrada y la tensión del limitador. La selección del MOSFET debe ser mejorada o se podría utilizar un multiplexor analógico. El voltaje del limitador es una fuente ideal aquí, pero debería ser amortiguado en una implementación real.

simular este circuito

Answer 2

Gracias por la buena interacción a través de los comentarios a su pregunta con el fin de comprender mejor las condiciones de trabajo y el comportamiento deseado de su circuito de control propuesto.

Esta es una implementación simple de ESC _en \=5 voltios * %V _{límite} * %R ₁ como hemos discutido a través de los comentarios:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Un detalle muy importante es que cualquier cosa que añada no debe ser capaz de generar una señal fantasma, es decir, Vout DEBE ser siempre menor o igual a Vin, incluso en caso de errores de software y fallos razonables de hardware.

Sin duda, cumple este requisito. El único modo de fallo es si V _límite tiene la posibilidad de superar los 5 voltios.

Una posible desventaja de este circuito es que el rango de control del operador se reescala. Pero dado que la retroalimentación del operador es sensorial, esto puede tener un impacto mínimo, particularmente si se puede hacer una rampa en su V _límite controlar la tensión a través de su DAC.

Otra versión de esto sería tomar la salida del wiper del pote, escalarlo resistivamente si es necesario, y luego usarlo como el V _ref para el DAC. También puede añadir tampones desacoplados en modo común según sea necesario para garantizar entradas de bajo ruido en todo momento.

Answer 3

Compensación del bucle

Usando el circuito original, podrías ser capaz de estabilizar ese bucle simplemente añadiendo un condensador relativamente grande (por ejemplo, >1nF) desde el drenaje de Q2 hasta el nodo de lectura del Pot. Eso, junto con la resistencia Thevenin alrededor de tu pote, introducirá un polo de frecuencia extremadamente baja (será Miller multiplicado por un factor de >>1 millón) que sólo estará activo durante la limitación, compensando así el bucle sin afectar al rendimiento deseado. Tu otra solución, que añade aún más amplificadores en el bucle, sólo lo empeorará.

Editar: Después de mirarlo más de cerca, me di cuenta de que añadir un polo en ese lugar empeoraría las cosas, ya que aplica directamente toda la ganancia en la ruta de retroalimentación del amplificador. Así que añadirlo a través del op-amp es el camino a seguir. He actualizado el esquema para reflejar esto.

Si el OA2 está compensado con ganancia unitaria, sólo hay que añadir un polo que sea ~< 0,1*polo de compensación del amplificador de potencia (GBW/ganancia) el único problema será el tiempo de respuesta. Para reducir la necesidad de compensación reduciendo la ganancia, añade una resistencia de emisor a Q1.

He incorporado ambas ideas en la siguiente modificación del circuito. No es necesario combinarlas todas.

• Rgain reduce la ganancia del bucle haciendo que la ganancia de Q1 ~ 10
• Ccomp y Rcomp introducen conjuntamente un polo de compensación cuya frecuencia vendrá dada por w = Ccomp * OpAmpGain * Rcomp. La adición de Rcomp elimina la dependencia de este polo del valor del potenciómetro.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Alternativa

Pero podrías reducir considerablemente la complejidad de tu circuito y probablemente aumentar la fiabilidad construyendo tu comparador de límite desde cero. Algo así:

simular este circuito

Asegúrate de que los transistores tienen un umbral bajo (puedes conseguirlos todos, bien emparejados, en una sola matriz). Es sólo un par diferencial con una ganancia añadida de la etapa de salida. Esto lo hace intrínsecamente estable ya que es sólo un amplificador de 2 etapas.

He añadido un LED indicador porque las matrices de transistores tendrían 4 transistores. Está polarizado de forma incómoda ya que su intensidad depende de R2, pero es gratis. Se puede hacer un on/off cuasi-digital más convencional añadiendo 2 resistencias...

Implementar una opción

Puedes conseguir una solución intermedia que se acerque de alguna manera a tu opción de multiplicación reduciendo la ganancia del bucle (por ejemplo, reduciendo R8 o añadiendo resistencias de degradación de fuente en el par diferencial). Es una dependencia no lineal, pero la salida seguirá siguiendo el valor del potenciómetro con un grado de compresión fijado por la ganancia y el valor de Vlimit.

Escalado a una alimentación de 3,3 V

Por supuesto, cambiando los valores de las resistencias y utilizando transistores con un umbral suficientemente bajo (<1V), es posible reducir la alimentación. El problema principal viene dado por el divisor de R3 & R4, este establece el sesgo del peor caso del par diferencial. Con una entrada de 5V, el peor de los casos, este divisor debería proporcionar probablemente ~2V, dejando 1,3V para el umbral V del MOSFET y definiendo la corriente mínima a través de R1.