Verwendet dieser Spannungsregler eine Ein-Aus-Steuerung oder handelt es sich um einen Spannungsfolger?

In Electronics A2 (GCE) untersuchen wir derzeit Spannungsregler.

Eine beispielhafte Spannungsreglerschaltung wird unter Verwendung eines Operationsverstärkers und eines Leistungs-MOSFET bereitgestellt.

Ich würde dies als Spannungsfolger beurteilen.

Die Arbeitsmappe behauptet jedoch, dass sie die Ein-Aus-Steuerung verwendet. Mit anderen Worten, wenn die Ausgangsspannung unter der Referenz liegt, wird der MOSFET eingeschaltet; Andernfalls wird es ausgeschaltet. Da das Laden der Kappe einige Zeit in Anspruch nimmt, wird die Schaltung auf eine Spannung geregelt.

Ich hätte jedoch gedacht, dass aufgrund des Mangels an Trägheit in der Schaltung (höchstens der Einschaltwiderstand des Leistungs-MOSFET, etwa 0,02 Ohm) dies zu einem ständigen Überschwingen führen würde, wenn dies der Fall wäre. stattdessen wird es einfach normal geregelt.

Als die Gate-Wellenform überprüft wurde, war sie stabil, was mich weiter überzeugt, dass es sich im Wesentlichen um einen Leistungsfolger für den Operationsverstärker handelt.

Der Lehrer behauptete, dass es wahrscheinlich zu schnell ein- und ausgeschaltet wurde, um am Gate mit "nur" einem 50-MHz-Oszilloskop zu sehen. Die Zeitkonstante zum Laden der 4,7-uF-Kappe (geändert vom Diagramm) über 0,02 Ohm RdsON würde in der Größenordnung von Nanosekunden liegen. Dies könnte also zutreffen, aber ich kann nicht sehen, wie ein Allzweck-Operationsverstärker TL071 dies möglicherweise tun könnte , insbesondere ohne Gate-Treiber und Hochgeschwindigkeits-PCB-Layout.

Interessanterweise verwendete die ursprüngliche Schaltung 470 nF, was einer Last von etwa 40 mA entsprach. Die Kappe musste auf 4,7 uF erhöht werden, um eine stabile Leistung von bis zu 250 mA aufrechtzuerhalten (ansonsten schien sie eine Form der Schwingung zu zeigen, etwa 500 mVp-p Rauschen bei einigen kHz).

Ich konnte sehen, dass dies eine Ein / Aus-Steuerung war (ein Umschalter), wenn ein Induktor in Reihe mit dem FET geschaltet war. Da dies jedoch nicht der Fall ist, funktioniert dies nicht als Umschalter.

Diese Topologie scheint für den linearen Betrieb vorgesehen zu sein. Der Kondensator verlangsamt jedoch die Systemreaktion, so dass die Steuerung unter bestimmten Bedingungen leicht schwingen kann. Dies ist in diesem Fall keine gute Idee. Die Möglichkeit, dies zu beheben, besteht darin, den Controller zu verlangsamen. Dies kann durch "Kompensieren" des Operationsverstärkers erfolgen, wenn er eine solche Steuerung hat. Wenn nicht, wird die richtige Größenbeschränkung zwischen dem Opamp-Ausgang und seinem - Eingang langsamer. Damit dies funktioniert, muss zwischen Vout und dem Eingang ein Widerstand vorhanden sein. Sie können mit einem Widerstand von 1 kΩ bis 10 kΩ beginnen und dann den Kondensatorwert verwenden, der nur geringfügig über dem Minimum liegt, bei dem das System nicht an allen von Ihnen gewünschten Betriebspunkten schwingt.

Es gibt ausgefeiltere Möglichkeiten zur Steuerung von Netzteilen, aber was ich oben beschrieben habe, ist eine schnelle Lösung, die der vorhandenen Topologie nur zwei Teile hinzufügt. Der Nachteil ist, dass das Einschwingverhalten verlangsamt wird. Wenn Sie Wert auf Leistung legen, müssen Sie von vorne beginnen und ein Netzteil richtig entwerfen.

Die Schaltung ist als lineare Schaltung stabil ODER fungiert als PWM-Umschalter - je nachdem, was Sie an einem bestimmten Tag nicht möchten. Murphy liebt diese Strecke. Ich baue gelegentlich ähnliche Ad-hoc-Schaltungen für bestimmte Testzwecke, und wenn diese Schaltung schwingt, wäre ich nicht überrascht.

Es gibt kein formelles positives Feedback, um eine Hysterese bereitzustellen und sie zuverlässig schalten zu lassen, sodass Sie erwarten können, dass sie sich als Linearregler stabil hinsetzt - aber Sie wären normalerweise enttäuscht. Wenn es sich im linearen Betriebspunkt befindet, neigt eine geringe Menge an Rauschen an jedem Opamp-Eingang dazu, es von Schiene zu Schiene zu drehen und zu Schwingungen und Rauschen zu führen. Das Anbringen eines Kondensators am invertierenden Eingang bedeutet, dass das am Zener auftretende Impulsrauschen, obwohl es durch die Zenerwirkung stark gedämpft wird, möglicherweise ausreicht, um den Operationsverstärker weit vom linearen Betriebspunkt weg zu treiben. Es ist jedoch auch möglich, dass er stabil ist .

Das TL071- Datenblatt hier ist im Vergleich zu einigen Alternativen etwas leistungsfähig. Die Anstiegsrate von 16 V / uS und die Verstärkungsbandbreite von 4 MHz sind "nützlich". Der Gewinn beträgt 200.000 typisch und mindestens 50.000. 10 uV Rauschen am Zener schwingen den Opamp-Ausgang um 50.000 x 10 uV = 0,5 Volt am FET-Gate in einem Bereich von etwa 1 us, und die Hände des Kondensator-Invert-Eingangs sind sozusagen hinter dem Rücken gebunden.

Diese Art von Schaltung ist bissig (und möglicherweise oszillierend), da keine Rückkopplungskompensation erfolgt. Wenn der Erfassungseingang die Zenerreferenzspannung unterschreitet, schwingt die Open-Loop-Verstärkung des Operationsverstärkers den Ausgang stark nach oben. Wenn der Erfassungseingang die Zenerreferenzspannung überschreitet, schwingt der Operationsverstärker stark auf Null.

Dies ist also eine Ein -Aus-Steuerung - nur weil es (wie Olin sagte) ein äußerst schlecht implementierter Regler ist.

Die Tatsache, dass Sie es geschafft haben, eine stetige Wellenform zu beobachten, ist kein Zufall - selbst nicht kompensierte Schaltkreise finden unter bestimmten Umständen häufig ihren Weg zum Gleichgewicht (für Sie ist es wahrscheinlich eine feste Eingangs- und eine feste Ausgangslast).

Die Tatsache, dass Sie eine Schwingung gesehen haben, zeigt Ihnen, dass die Schaltung kompensiert werden muss.

Um eine Kompensation zu erreichen, müssen zwischen dem Operationsverstärkerausgang und dem nichtinvertierenden Eingang ein Widerstand und ein Kondensator in Reihe geschaltet sein. Dies verwandelt den Open-Loop-Operationsverstärker in einen Integrator , der den MOSFET allmählich (im linearen Betriebsbereich) steuert, um den Fehler so nahe wie möglich an Null zu bringen.

Diese Schaltung ist eine Operationsverstärkerversion der "klassischen" Schaltung, die eine Zenerdiode und zwei Bipolartransistoren verwendet. Ein Transistor empfängt eine Rückkopplungsspannung und verstärkt die Referenzspannung der Zenerdiode, wobei der andere, der "Durchgangstransistor", in einer Rückkopplungsschleife gesteuert wird.

Hier wird die Rolle des "Durchgangstransistors" von einem Mosfet und die des anderen Transistors von einem Operationsverstärker gespielt.

Ein kleines Problem bei dieser Schaltung ist, dass die Rückkopplungsspannung genau der Ausgangsspannung entspricht. Die Spannung von der Oberseite des 10K-Widerstands wird direkt dem (-) Eingang zugeführt, der sie mit der Zenerspannung vergleicht. Dies ist nur nützlich, wenn die Ausgangsspannung die Zenerspannung widerspiegeln soll. Sie möchten nicht einfach einen größeren Zener wählen, um eine größere Spannung zu erhalten. Hier ist warum. Für diese Schaltungen werden die Zenerdioden aufgrund der Temperaturstabilität von Zenern in diesem Spannungsbereich im Bereich von 5 bis 6 Volt gewählt. Kleinere oder größere Zener zeigen Temperaturdrift. Die Idee ist, eine temperaturstabile Referenzspannung zu nehmen und sie dann auf die tatsächlich gewünschte Spannung zu skalieren. Daher möchten Sie die Rückmeldung normalerweise über einen Spannungsteiler übernehmen. Es ist einfach, ein Potentiometer hinzuzufügen, um es einstellbar zu machen. Zum Beispiel, Wenn Sie die 10K durch zwei 5K in Reihe ersetzen und die Rückmeldung vom Mittelpunkt erhalten, skalieren Sie die Referenzspannung um zwei. Die Schaltung versucht, den Mittelpunkt an die Zenerspannung anzupassen, und so ist die Oberseite des Teilers doppelt so groß.

Das schwerwiegendere Problem ist, dass diese Schaltung keinen Überstromschutz hat. Trotz der Verwendung eines Operationsverstärkers, der etwa ein Dutzend Transistoren enthält, kann er nicht die Rückkopplungsstrombegrenzung bereitstellen, die eine Drei-Transistor-Schaltung bereitstellen kann.

Je kleiner die Last ist, die Sie ansteuern möchten, desto mehr Strom wird von dieser Schaltung angesteuert, um die Spannung stabil zu halten. Gleichzeitig ist der Spannungsabfall am Transistor umso größer, je kleiner der Lastwiderstand ist. Mehr Strom und mehr Spannung über dem Transistor bedeuten, dass der Transistor durchgebrannt wird.