Hilfe benötigt Optimierung einfacher Strombegrenzungsschaltung

Ich habe mit der Simulation von Strombegrenzungsschaltungen experimentiert. Ich versuche, den Strom bei einer festen 4,8-V-Quelle auf ~ 500 mA zu begrenzen . Ich habe angefangen, eine Schaltung wie die auf dieser Wikipedia-Seite zu verwenden ...

Ich habe diese Schaltung mit CircuitLab simuliert. Ich zeige die Ergebnisse unten. Die Schaltung links verwendet einen einfachen Vorwiderstand, um die Strombegrenzung durchzuführen, während die Schaltung rechts auf der Wikipedia-Schaltung basiert. Ich habe die Werte von R_bias und R_load auf gemeinsame Widerstandswerte angepasst, die verhindern, dass mehr als 480 mA von der Quelle gezogen werden, wenn die Last 0 Ohm beträgt. Ich habe auch die hFE der Transistoren auf 65 eingestellt, um einigen Multimeter-Messungen zu entsprechen, die ich an einigen Leistungstransistoren durchgeführt habe, die ich zur Hand haben muss. Die Werte neben den Amperemeter sind die simulierten Werte.

Wenn ich jetzt eine 10-Ohm-Last mache, wird klar, warum eine Strombegrenzungsschaltung einem Vorwiderstand überlegen ist. Die Strombegrenzungsschaltung verringert ihren effektiven Widerstand und lässt mehr Strom durch als bei Verwendung eines Vorwiderstands. .

Die Strombegrenzungsschaltung liefert in diesem Fall jedoch immer noch einen gewissen Serienwiderstand. Ein idealer Strombegrenzer hätte überhaupt keinen Widerstand, bis die Last versucht, mehr Strom als die Grenze zu ziehen. Gibt es eine Möglichkeit, R_bias und R_load zu optimieren, um dies besser zu erreichen, und / oder gibt es Schaltungsänderungen, die dazu beitragen können, dies besser zu erreichen?

Die gezeigte Schaltung funktioniert, aber der Transistor und Rsense erzeugen einen Spannungsabfall, der berücksichtigt werden muss.
Was Sie sehen, ist die Wirkung davon:

Bei 480 mA würde der Spannungsabfall über dem 10 Ω-Widerstand 4,8 V betragen, was keinen "Raum" für die Transistorsättigungsspannung oder die Rsense-Spannungsabfälle lässt.
Der Strom wird also (Vsupply - Qsat - Vrsense) / Rload sein. Um dies zu beheben, erhöhen Sie die Versorgung um einige Volt und wiederholen Sie die 0Ω- und 10Ω-Tests erneut. Senken Sie auch Rdefend erheblich (<10Ω).
Sie sollten hoffentlich (fast) keinen Unterschied sehen.

Für bessere Ergebnisse gilt: Je mehr Gewinn Sie erzielen, desto besser. Eine andere Sache zu beachten ist (wie Dave in seiner Antwort erwähnt), dass Rbias einen höheren Grenzpunkt als die Rsense-Einstellung haben muss, sonst wird es dominieren. Wenn der Transistor eine Verstärkung von 65 hat und Rsense auf 500 mA eingestellt werden soll, muss Rbias so eingestellt werden, dass mehr als 500 mA zulässig sind. Bei 500 Ω wird die absolute Grenze auf 65 * ((5 V - 1,4 V) / 500 Ω) = 468 mA eingestellt. Selbst wenn Rsense auf 500 mA eingestellt wäre, würden Sie sie nicht erhalten. Um dies zu vermeiden, stellen Sie Rbias für z. B. 250 Ω ein oder verwenden Sie, wie unten erwähnt, einen MOSFET für Q1, und dann ist der Wert nicht so wichtig (10 kΩ reichen aus).

Eine andere Option ist die Verwendung eines gemeinsamen Opamp-Konstantstromkreises:

Simulation mit einer Versorgung von 4,8 V, einem Strom, der auf 500 mA begrenzt ist, einer Last, die von 1 mΩ auf 50 Ω gewobbelt wird, und einem Strom, der relativ dazu aufgetragen wird (beachten Sie, dass der Strom bei 500 mA flach bleibt, während er begrenzt ist):

Dies entspricht Ihren Anforderungen an eine solide 500-mA-Begrenzung bei 4,8 V-Versorgung und kann leicht eingestellt werden, indem der nicht invertierende Operationsverstärker über den Eingangsspannungsteiler R2 / R3 variiert wird. Die Formel lautet V (opamp +) / Rsense = I (Rload). Beispielsweise wird die 1-V-Referenz durch 20 geteilt, um am Eingang opamp + 50 mV bereitzustellen, also 50 mV / 100 mΩ = 500 mA.
Ein MOSFET wird verwendet, um Basisstromfehler zu vermeiden, die die Sache komplizieren (ein MOSFET mit niedrigem Vth kann auch in der ursprünglichen Transistorschaltung verwendet werden, um Dinge zu verbessern).

Ich denke, hier gibt es ein grundlegendes Missverständnis. Es ist nicht Rbias, der den Grenzstromwert einstellen soll, sondern die Kombination von Rsense und dem Vbe-Abfall von Q2.

Ihre erste Schaltung hat zwei verschiedene Strombegrenzungseffekte: Einer ist der Strom durch Rbias multipliziert mit der Verstärkung (Stromübertragungsverhältnis) von Q1, und der andere ist die Vbe von Q2 geteilt durch Rsense. Der erste gibt den Wert von 470 mA an, den Sie sehen, der jedoch schlecht gesteuert wird. In diesem Modus verhält sich die Schaltung wie ein Widerstand mit dem Wert Rbias / Hfe oder in diesem Fall etwa 7,8 Ω. Der Strom wird immer noch mit der Versorgungsspannung variieren.

Der zweite Mechanismus würde Ihnen einen Wert von ungefähr 600 mA (dh 0,6 V / 1 Ω) mit einem viel schärfer definierten "Knie" geben - der effektive Quellenwiderstand ist in diesem Fall Rsense multipliziert mit den kombinierten Verstärkungen von Q2 und Q1 , was einer idealen Stromquelle viel näher kommt. Sie erreichen jedoch nicht das Stromniveau, in das dieser Mechanismus eingreifen würde.

Du sagst

"Ein idealer Strombegrenzer hätte überhaupt keinen Widerstand, bis die Last versucht, mehr Strom als den Grenzwert zu ziehen."

Ein idealer Stromsensor verwendet einen Verstärker mit unendlicher Verstärkung, um den Spannungsanstieg in einem Null-Ohm-Widerstand zu messen.
Sie approximieren den Null-Ohm-Widerstand, indem Sie einen verwenden, der niedrig genug ist, um einen vernachlässigbaren Spannungsabfall zu verursachen.
"Das Problem" ist, dass Ihre Grundschaltung grundlegend fehlerhaft ist. Es wird nicht einmal versucht, eine ähnliche ideale Schaltung zu implementieren. Stattdessen wird ein Vbe-Spannungsabfall als notwendige Erfassungsspannung verwendet. Dies setzt Vsense eine untere und schlechte Grenze.

Solange Sie einen Vbe-Abfall in Q2 oder einen gleichwertigen Wert als Erfassungsschwelle verwenden, können Sie sich keiner idealen Lösung nähern. Was benötigt wird, ist ein "Komparator", der eine Spannung nahe Null Volt erfasst, wobei "Schließen" davon abhängt, was Sie wünschen. Ein z. B. 0,1-Volt-Abfall bei einer 5-V-Versorgung = 2% ist für die meisten Zwecke wahrscheinlich ausreichend, aber Sie können Schaltkreise mit Vsense = beispielsweise 0,01 Volt bauen, wenn Sie dies wünschen.

Die einfache und naheliegende Wahl ist die Verwendung eines IC-Komparators oder eines Operationsverstärkers, ABER Sie können einen geeigneten Komparator auf Wunsch nur aus Transistoren bauen. Verwenden Sie entweder ein "Long-Tailed-Paar" von PNPs, deren gemeinsamer Knoten auf V + bezogen ist, oder verwenden Sie NPN-Transistoren mit den Spannungseingängen bei ~ = 0 V, die als Unterseite der Teilerketten dienen, die die Spannungsänderungen auf Transistorbasen übertragen, die bei einer höheren Spannung arbeiten.

Die Schaltung unten ist von hier, die einen Aufbau von einem Transistor auf - liefert

Wenn das keinen Sinn macht, dann schauen Sie sich
Wikipedia - Differenzverstärker an

und dies wird viele Hinweise liefern

Hier ist ein IC mit PNP und NPN Longtailed Pair im Inneren. Dies ist für einen Betrieb mit 100 MHz (oder mehr) vorgesehen, zeigt jedoch, was gekauft werden kann.

Vor langer Zeit sahen sie so aus :-):