Domanda:
Sorgente di corrente costante con MOSFET, OPAMP e Amplificatore per strumenti
D. Brown
2018-10-11 16:15:16 UTC
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UPDATE

Sulla base delle informazioni di tutti coloro che hanno risposto di seguito, ho modificato il mio circuito e l'oscillazione è completamente scomparsa! Ho iniziato a eseguire piccole modifiche in ordine di più facile esecuzione e il problema è andato via.

N Nuovo schema New Schematic

@Andyaka e @Maria hanno entrambi commentato i problemi che potrebbero sorgere utilizzando un MOSFET come quello che stavo usando per applicazioni lineari. Ho sostituito il MOSFET che stavo usando con un MOSFET diverso che aveva anche una capacità di gate 10 volte più piccola di prima. Questo inizialmente ha aiutato una piccola quantità con l'oscillazione, ma non è stato il principale colpevole.

Alla menzione di quasi tutti ho rimosso i condensatori C3 e C6 dallo schema e ho testato il circuito, questo in realtà ha peggiorato le oscillazioni ea una frequenza molto più alta (il che è prevedibile suppongo). Con l'oscillazione ancora presente ho ridotto il guadagno sul chip INA di un fattore 2 (stavo andando verso la rimozione dell'INA come da suggerimento di @ Andyaka).

Il passo finale è stato seguire l'idea di @sstobbe di utilizzare una configurazione di compensazione dell'amplificatore di errore dell'amplificatore operazionale inserendo un condensatore tra l'uscita e l'ingresso di feedback. Ho scelto un condensatore F da 0,22 \ $ \ mu \ $ in quanto quello in combinazione con il resistore da 1k dava una frequenza di crossover di 700 Hz. Dopo aver ricollegato tutto e riacceso l'oscillazione era svanita! C'è ancora qualche piccola oscillazione sull'uscita dell'amplificatore operazionale ma è quasi inesistente. Caricherò lo schema aggiornato e commenterò ulteriormente se apporto ulteriori miglioramenti. Grazie a tutti per l'aiuto!

Original Question Ho lavorato su un driver a corrente costante che mi serve per guidare fino a 10 A attraverso una bobina (resistenza equivalente 3 \ $ \ Omega \ $ ) con una stabilità di corrente migliore di 1 kHz. La velocità di risposta non è estremamente importante in quanto tutte le modifiche correnti che devo apportare saranno dell'ordine di 1 A / ms.

Ho deciso di utilizzare un amplificatore per strumentazione ( INA114BP) per misurare la caduta di tensione su 3 resistori di shunt in parallelo ( PWR4412) con una resistenza in parallelo di 0,2 \ $ \ Omega \ $ . La tensione misurata viene quindi immessa in un amplificatore operazionale ( LT1097) e confrontata con una tensione analogica in ingresso (0-10 V) da una scheda DAQ. L'uscita Op Amp controlla un MOSFET ( IRFP7718pbf) in regime lineare.

Schematic

Per prima cosa ho simulato il circuito per verificare che funzioni come mi aspettavo, e da allora ho costruito il circuito. In superficie funziona come previsto, emettendo la corrente che mi aspetto, tuttavia è tutt'altro che stabile, con oscillazioni a 2,7 kHz sull'uscita dell'amplificatore operazionale che si traducono in grandi oscillazioni di corrente nella bobina.

Ho fatto molte letture oggi cercando di rintracciare la fonte dell'oscillazione ma poiché non ho un background formale di elettronica (sfondo di fisica, purtroppo ho evitato l'elettronica durante i miei diplomi), ho raggiunto il limite della mia comprensione.

In precedenza avevo un condensatore e una resistenza in serie tra l'uscita e l'ingresso negativo dell'amplificatore operazionale, ma dopo aver lottato con le oscillazioni di 10 kHz le ho rimosse. Ciò ha modificato la frequenza di oscillazione a 2,7 kHz.

L'induttanza della bobina sembra avere un impatto minimo sul circuito in quanto la sostituzione di resistori equivalenti invece della bobina ha lo stesso identico comportamento.

Le mie attuali teorie sono le seguenti:

  1. La capacità di gate del MOSFET è enorme, 28000 pF, e l'amplificatore operazionale ha grossi problemi a guidarlo.Ho provato un resistore in piccola serie da 20 \ $ \ Omega \ $ in serie con il resistore e da allora ho provato ad aggiungere un condensatore a terra per filtrare le frequenze indesiderate.
  2. I filtri passa basso che ho nel circuito sono un ostacolo piuttosto che un aiuto.
  3. L'LT1907 dispone di un condensatore di compensazione per il pilotaggio di carichi capacitativi.Guardando la scheda tecnica ora non posso dire quale sarebbe l'effetto di lasciarla fluttuare.Credo che se collego un condensatore \ $ \ approx \ $ 100 pF al pin di compensazione posso aiutare a rallentare la velocità di risposta e ridurre le oscillazioni.

Ci sono problemi immediatamente evidenti con il disegno del circuito che ho allegato?Qualsiasi feedback sulla mia progettazione e informazioni sul funzionamento di sistemi come questo sarebbe molto apprezzato.

I limiti della tua comprensione sono piuttosto impressionanti per una persona non EE!Non sono nemmeno un esperto, ma ho avuto un problema simile che è stato risolto aggiungendo (1) un resistore pull-down dal gate del MOSFET a GND e (2) aggiungendo un tappo in ceramica dall'uscita dell'amplificatore operazionale all'inversioneingresso.Puoi provarlo.I miei valori erano 10k di resistenza e 100nF di capacità, ma YMMV.
Per semplificare un po ', le oscillazioni sono causate da un feedback ritardato.È possibile che il tuo problema principale sia C6.Se non l'hai già fatto, prova a rimuoverlo.Inoltre non vedo alcun vantaggio in C3 e ti suggerisco di rimuoverlo anche.C3 ritarda la risposta del FET al cambio di uscita e C6 ritarda il risultato del cambio di uscita dal ritorno all'ingresso dell'amplificatore operazionale.Quindi entrambi stanno causando ritardi nel percorso di feedback, alla fine.Penso che risolverai questo problema e ti incoraggio a scrivere tutte le tue scoperte quando lo farai.
Grazie ad entrambi per i vostri suggerimenti.Sembra decisamente che la rimozione di C3 e C6 sia un suggerimento comune.Proverò prima e vedrò come funziona il circuito!
Quattro risposte:
Marla
2018-10-11 20:16:25 UTC
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Stai cercando di utilizzare il MOSFET in un'applicazione lineare piuttosto che cambiare applicazione (che sembra già conoscere). Tuttavia, non sono sicuro che l'IRFP7718 sia adatto per l'applicazione lineare. La scheda tecnica non menziona l'utilizzo in applicazioni lineari.

Prova a sostituire un MOSFET che dichiari chiaramente che è progettato per un'applicazione lineare. Ad esempio: IXYS ha una classe denominata "Linear L2" progettata per l'uso in applicazioni lineari.

Le caratteristiche dichiarate di IXYS sono:

Progettato per sostenere un'elevata potenza nel funzionamento in modalità lineare

Basso consumo statico per generare resistenze attive

Valanga valutato

Applicazioni:

Fonti attuali

Interruttori automatici

Applicazioni soft start

Amplificatori di potenza

Carichi programmabili

Regolatori di potenza

Controllo motore

Controller di potenza

Che include "fonte corrente" come la tua.

Non sto approvando IXYS. Non ho alcuna relazione con il prodotto né con l'azienda. Altri produttori hanno anche MOSFET con classificazione lineare.

Grazie per l'informazione.Ho iniziato a esaminare alcuni MOSFET diversi su suggerimenti tuoi e di Andy aka.
Andy aka
2018-10-11 23:32:39 UTC
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In questa risposta su un argomento simile, ho aiutato il progettista a migliorare la situazione aggiungendo un BJT tra l'amplificatore operazionale e il MOSFET in questo modo: -

enter image description here

Questo ha poi stabilizzato la situazione in cui in precedenza il design oscillava. Potresti prendere alcuni suggerimenti da quel progetto e notare che il problema era causato dall'uscita dell'amplificatore operazionale che veniva caricata dal gate MOSFET, aggiungendo così uno sfasamento sufficiente da far diventare il feedback negativo positivo alla frequenza di oscillazione.

Nel tuo progetto hai un dispositivo in più che potrebbe peggiorare questa situazione; vale a dire l'INA114 e ti chiederei di riconsiderare l'inserimento di questo nella catena del segnale perché, non porta nulla di utile alla festa.

Per la scelta del MOSFET, devi stare attento. Quei dispositivi progettati per la commutazione delle applicazioni tendono ad essere vulnerabili al runaway termico quando vengono utilizzati nelle cosiddette applicazioni lineari. Questa risposta data da me copre l'argomento abbastanza bene e fornisce collegamenti a diversi documenti che trattano l'argomento della fuga termica in modo più dettagliato.

In breve, solo perché è un MOSFET non significa che non possa avere una fuga termica. Sono stato coinvolto nella revisione del progetto per un lavoro simile in cui è emerso questo problema e diversi dispositivi non hanno superato il test ma, cosa più importante, diversi non hanno fallito e sono stati installati in applicazioni piuttosto sensibili. Il mio nome è stato fango per un paio di settimane perché significava un richiamo del prodotto che ha danneggiato molto l'azienda in questione.

Grazie per il consiglio Andy.La fuga termica del MOSFET era qualcosa che non avevo considerato, quindi grazie per averne parlato.Avrò una lettura dei tuoi post che hai linkato.Ho altri FET in un cassetto che ho usato in un progetto precedente per una sorgente primitiva ma la dissipazione di potenza è inferiore a quanto volevo.Forse l'utilizzo di più in parallelo sarebbe utile? Per quanto riguarda l'INA114, perché pensi che starei meglio senza usarlo? Ero principalmente preoccupato per la piccola tensione caduta sui resistori di rilevamento e questo combinato con il CMR dell'INA era interessante per me.
Non hai bisogno di InAmp.Guarda il circuito nella mia risposta.I MOSFET paralleli aiutano ma non impediscono a un dispositivo di assorbire la maggior parte della corrente e di scappare termicamente, poi quello successivo e poi quello successivo ecc .....
Ok, grazie per la risposta.Proverò anche senza InAmp.
sstobbe
2018-10-11 23:30:16 UTC
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Personalmente, non proverei a cercare i valori dei componenti che renderanno stabile quel circuito.A lungo andare, sarà più facile configurare l'LT1907 come amplificatore di errore con una frequenza di crossover di pochi 100 Hz per iniziare.

Ecco una panoramica di base delle 3 classi di amplificatori di errore tra cui scegliere. enter image description here Fonte: https://www.powerelectronics.com/power-management/introduction-control-algorithms-switching-regulators

1) Rimuoverei C3 e C6 dal tuo schema.

2) Configurerei l'LT1907 come amplificatore di errore di tipo 1.

3) Lascia invariato R8.

4) Selezionare C1 dell'amplificatore di errore per una frequenza di cross-over di 1 kHz.

5) Aumenta R3 a 1 \ $ k \ Omega \ $ per isolare l'uscita dell'amplificatore dal carico di capacità del MOSFET.

Grazie per il suggerimento.Ho alcune domande su questa configurazione, la frequenza di crossover è data dall'espressione nel grafico sopra dove il guadagno supera lo zero?In tal caso, a cosa si riferiscono \ $ t \ $ e \ $ w \ $?
Ho provato il tuo suggerimento di utilizzare la configurazione dell'amplificatore di errore di tipo uno utilizzando un condensatore 0,22 \ $ \ mu \ $ F tra l'uscita e l'ingresso di feedback e ho rimosso i cappucci del filtro passa basso C3 e C6.Questo in combinazione con la riduzione del guadagno sul mio chip INA sostituendo il resistore con un 500 \ $ \ Omega \ $ ha fatto sparire le oscillazioni! C'è ancora una piccola quantità di rumore ma le oscillazioni dominanti di prima sono completamente sparite! L'unica cosa che non ho ancora cambiato è il resistore R3, tuttavia ho cambiato il MOSFET con uno diverso con una capacità di gate inferiore. Grazie!
@D.Brown Buona presa sulla figura Non sono sicuro del motivo per cui l'autore l'ha scritto, la frequenza di crossover si verifica quando | Zc |= | R1 |, wc = 1 / (R1C1) in rad / s.Sono contento di sentire che hai risolto la tua oscillazione!
Damien
2018-10-11 17:01:40 UTC
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Prova ad aggiungere un tappo in ceramica da 1nF in parallelo a C6 (quindi prova con e senza C6), aumenta R3 a 10k e rimuovi C3.

Nota che a 10 A, dovresti usare uno shunt a 4 punti.

Puoi dedicare un momento per spiegare perché consiglieresti ciascuno di questi passaggi?Ciò migliorerebbe davvero la risposta.
Per tentativi ed errori mentre lavoravo sullo stesso circuito.Puoi seguire il modo teorico, che può funzionare o meno, o il modo empirico.


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 4.0 con cui è distribuito.
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