¿Por qué oscila este circuito limitador de corriente?

Question

Estoy tratando de hacer un limitador de corriente de 0-25 mA. Quiero tomar una tensión de control de 0-5 V como entrada y hacer que controle una corriente de 0-25 mA a través de una carga resistiva (la carga resistiva puede variar entre 0-200, se representa como R2 a continuación).

Este es mi circuito:

T1 es un mosfet de canal P (P/N FQT5P10) y O1/2 es un op-amp de carril a carril (P/N OPA2170). Quiero que la tensión variable en V2 controle la corriente a través de R2.

El op-amp O2 se utiliza para hacer un amplificador diferencial con una ganancia de 2. Ejemplo: 25mA de corriente a través de la carga R2, la salida del op-amp O2 debe ser de 5V (marcado como CSense). La salida del op-amp O2 es entonces la entrada del op-amp O1. El op-amp O1 compara la tensión de control con la retroalimentación de O2 para limitar la corriente. O al menos esa es mi intención.

He simulado este circuito en Simulador de circuito NL5 y funciona muy bien en la simulación. Pero hoy he construido realmente el circuito, y oscila.

He comprobado tres veces la distribución de los pines y el cableado, y he jugado con muchas otras cosas, pero el circuito sigue oscilando. Cuando V2 es un valor más alto la oscilación es más lenta. Lo que veo en el DSO es que el mosfet T1 va entre el encendido y el apagado total, y CSense es una onda triangular que varía en amplitud con el voltaje de control. Una tensión de control más alta hace que CSense tenga mayor amplitud y menor frecuencia. La frecuencia de oscilación varía entre unos 50kHz y 150kHz.

Puedo publicar capturas de pantalla de mi DSO si ayuda.

Llevo toda la noche trabajando en esto y me está empezando a volver loco. Cualquier ayuda en absoluto sería muy apreciada.

Gracias.

Edición: He construido el circuito en CircuitLab. Allí también funciona perfectamente. ¿Por qué no en la vida real?

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Actualización : He cambiado R3 a 10K. Redujo la frecuencia de oscilación a ~20-30 kHz.

Actualización Todo el mundo se centra en O1, pero creo que el problema está en el circuito de O2. Abajo hay una captura de pantalla del DSO. V2 está en 1,25 VDC. El trazo amarillo es el voltaje sobre R2 @ 100. El trazo rojo es la salida de O2 (marcado como CSense en mis esquemas). Yo esperaría que el trazo rojo fuera el doble del trazo amarillo, pero en cambio tiene una forma completamente diferente. ¿Qué diablos está pasando?

Para mayor claridad: Yo esperaría que la línea amarilla fuera de 0,625 VDC, y la línea roja de 1,25 VDC (igual que la entrada V2). También mi fuente de alimentación es ~8 VDC aquí, las cosas explotan a 24.

Answer 1

El bucle de retroalimentación negativa del Op-Amp izquierdo pasa por el FET y el segundo Op-Amp, lo que hace que el análisis de la estabilidad sea una pesadilla (y la estabilidad en sí misma intuitivamente improbable).

Existe la esperanza de que puedas amortiguar ese Op-Amp izquierdo añadiendo una resistencia en serie en la entrada negativa, y un pequeño cap entre la salida y la entrada negativa. Para empezar, pruebe R = 1/(6.f.C), por ejemplo, C=100pF, R = 22k. Aumenta R si no tiene efecto.

Actualización: si lo pruebas, ¡cuéntanos el efecto!

Answer 2

El problema es que la corriente que pasa por M1 en función de la tensión de la puerta es muy poco lineal. En algún punto de la función, la ganancia es muy alta, lo que hace que las cosas sean inestables.

Si no necesitas una respuesta de alta velocidad de este circuito, puedes amortiguarlo un poco más allá del punto en el que determines experimentalmente que no oscilará en ningún punto de funcionamiento. Para hacer eso, agrega alguna resistencia en serie con la señal de entrada que va a la entrada negativa de O1, luego agrega alguna capacitancia inmediatamente entre la salida de O1 y su entrada negativa. Debido a la naturaleza no lineal de la fuente de corriente que está manejando, el valor de la capacitancia que garantiza la no oscilación en cualquier parte del rango de operación también sobreamortiguará el sistema en otros. Esto puede estar bien si no buscas una respuesta rápida.

De todos modos, yo haría lo anterior, pero no utilizaría un FET en primer lugar. Sólo necesitas un rango de cumplimiento de 5 V (200 Ω por 25 mA), así que tienes mucho margen de tensión. Tienes 24 V para empezar. La carga puede tomar hasta 5 V, y la resistencia de detección de corriente otros 2,5 V. Eso deja 16,5 V de margen para la fuente de corriente. Realmente no necesitas todo eso, pero puedes gastar fácilmente 5 V o más para conseguir una fuente de corriente razonablemente lineal.

Deshazte del PFET y utiliza un transistor PNP con 200 Ω más o menos en serie con su emisor. El otro extremo de la resistencia está ligado a la alimentación de 24 V, el colector se convierte en la salida de corriente controlada, y la base es impulsada directamente por la salida del amplificador óptico. Esto supone que la salida del amplificador óptico puede oscilar a menos de medio voltio de la alimentación positiva, algo que muchos no pueden hacer. El esquema superior no especifica el amplificador óptico en absoluto, y el inferior muestra un TL082, que definitivamente no puede llegar a 500 mV de la alimentación superior. O bien usas un opamp que pueda, o añades un divisor de resistencias entre la salida del opamp y la base del transistor para que el transistor esté a algo que el opamp pueda alcanzar. También puedes añadir un diodo o incluso un zener en serie con el emisor para bajar el rango de tensión de la base si lo necesitas.

Con este esquema se sigue añadiendo el tapón de compensación como se ha descrito anteriormente (suele ser una buena idea incorporarlo de todos modos, siempre se puede dejar el tapón fuera si se descubre que no es necesario), pero el mismo valor debería aplicarse bien en todo el rango de funcionamiento.

Otra ventaja del esquema PNP es que gran parte de las variaciones de la carga son tratadas inmediatamente por el transistor. El bucle de realimentación más grande es entonces impulsado principalmente por el punto de ajuste, y no necesita reaccionar tan rápidamente a los cambios de carga. Esto permite una mayor amortiguación para una mayor estabilidad sin sacrificar la regulación de la carga. Se ralentizará la respuesta a las entradas de control. Por lo que dices, no sabemos lo importante que son esos dos y, por lo tanto, cuánto importa esto.

En general, hay que pensar en la estabilidad de los circuitos con retroalimentación antes de construirlos y darse cuenta de que oscilan. El método "Oh, mierda" de diseño de la estabilidad del bucle no es realmente muy bueno.

Answer 3

Si tu circuito de op-amp OA2 no está perfectamente ajustado con sus resistencias, entonces no amplificará realmente la señal diferencial, sino que también amplificar la señal de modo común, es decir, la tensión que aparece en el drenaje de M1. No quieres que esto ocurra porque es más probable que oscile.

El TL082 también tiene una cifra de CMRR (relación de rechazo en modo común), pero no se especifica a altas frecuencias: podría ser fácilmente un mísero 20dB a 50kHz y empeorar a frecuencias más altas. Esto hará lo mismo que no tener resistencias perfectamente adaptadas.

Estoy asumiendo también que tienes una verdadera alimentación negativa para el TL082 porque si no la tienes no funcionará correctamente hasta los 0V - cuando estableces una demanda de cerca de 0mA estarás esperando que el circuito de OA2 funcione correctamente y simplemente no lo hará.

Poner un amplificador óptico en el bucle de realimentación de otro amplificador óptico puede traer problemas y, normalmente, la única forma de evitarlo es reducir la ganancia de alta frecuencia de uno de ellos. Para ello, podría ser conveniente colocar una capacitancia a través de la resistencia de detección de 100 ohmios. Es fácil de hacer y probar. Usted puede encontrar que en (digamos) 100nF, las cosas se asientan.

También hay que tener en cuenta el FET - este tendrá mucha ganancia de señal en su configuración y yo recomendaría poner una resistencia entre la salida de OA1 y la puerta para reducir la ganancia. Prueba con 10k para empezar y hazlo tan grande como puedas sin dejar de ser capaz de encender el fet correctamente.

Se trata de reducir la "ganancia" del circuito para que no se produzcan oscilaciones y medir la corriente a través del 100R sin "recoger" errores.

Hay mejores circuitos en caso de que su esfuerzo resulte infructuoso, pero buena suerte de todos modos.

Aquí hay uno: -

1mA por cada voltio introducido fluye a través de las resistencias de 1k. Esto "obliga" al amplificador óptico superior a poner Vin a través de la resistencia de la fuente de 100 por lo tanto 10mA fluye a través de la carga final por cada voltio en Vin

Answer 4

Básicamente, cualquier circuito de retroalimentación negativa oscilará si el retardo de fase alrededor del bucle de retroalimentación alcanza 180° antes de que la ganancia del bucle caiga por debajo de la unidad.

Los polos en la respuesta en frecuencia introducen un desfase que se acerca a los 90° por polo a medida que la frecuencia aumenta. Todos los amplificadores tienen al menos un polo de baja frecuencia en su respuesta en bucle abierto que hace que la ganancia caiga con la frecuencia y el retardo de fase se acerque a 90°.

Usted está operando OA1 sin ningún tipo de retroalimentación, por lo que su polo dominante es un factor importante en la respuesta global. Además, estás conduciendo un MOSFET, cuya capacitancia de puerta, junto con la impedancia que lo conduce, introduce otro polo. Juntos, estos polos están llevando rápidamente la fase a 180°.

Hay dos maneras de salir de esta situación. Se puede reducir la ganancia de OA1 de forma significativa (utilizando la retroalimentación negativa local) para reducir el efecto de su polo en la respuesta global del bucle, o se puede reducir el desfase introduciendo uno o más ceros (desplazamiento de fase principal - esencialmente un elemento de paso alto con una frecuencia de corte baja) en el bucle.

Las otras soluciones que se han propuesto, que añadirían polos adicionales en la respuesta del bucle, son esencialmente contraproducentes, y en lugar de resolver el problema, simplemente desplazarán la frecuencia de oscilación.