Crowbar-Schaltung verursacht unerwartetes Verhalten für Operationsverstärkerschaltung

Ich benutze einen Operationsverstärker, um ein Eingangssignal von einem Mikrocontroller zu verstärken, was im Allgemeinen gut funktioniert.

Zum Schutz vor Überspannung habe ich die Brechstangenschaltung hinzugefügt, die direkt aus Abbildung 32, Seite 27 des TL431-Datenblattes entnommen wurde, und die der Schaltung, die ich nicht ganz verstehe, unerwünschtes Verhalten hinzugefügt hat.

Wenn der TL431 bei einer Spannung von 2,5 V und der Spannungsteiler / auslöst, sollte die Brechstange bei einer Ausgangsspannung des Operationsverstärkers von 4,8 V auslösen und die Sicherung durchbrennen. Was ich aber sehe ist, dass sobald die Ausgangsspannung 3 V erreicht, der Ausgang auf 0,75 V abfällt und auf diesem Pegel bleibt, bis die Eingangsspannung weit genug abfällt, dass der Ausgang im normalen Betrieb unter 0,75 V liegen sollte. Danach funktioniert es wieder wie erwartet, bis 3 V oder mehr Ausgang erreicht sind. $R_3$ $R_4$

Ich fand in dieser Diskussion dieser Brechstangenschaltung heraus , dass die Platzierung und Größe des Kondensators, wie im Datenblatt dargestellt, möglicherweise nicht ideal ist. Könnte das irgendwie mein Problem verursachen? Wenn nicht, was könnte sonst noch für dieses Verhalten verantwortlich sein?

BEARBEITEN: Für den richtigen Kontext für die hinzugefügte Brechstange reguliere ich die Leistung eines Lasers mit dem Operationsverstärkerausgang. Ich muss sicherstellen, dass der Laser nicht dauerhaft durch einen Kurzschluss des Ausgangs mit 5 V eingeschaltet wird, der als + Vcc für den Operationsverstärker und für andere Teile auf der Platine verwendet wird. Da ich nicht mehr als 4,2 V Ausgang benötige und nicht mehr als das während des normalen Betriebs erhalten sollte, war das Durchbrennen einer Sicherung mit der Brechstange das Beste, was ich mir vorstellen konnte, um mich vor diesem Fall zu schützen.

Datenblätter:

Sicherung: https://www.mouser.de/datasheet/2/358/typ_MGA-A-1388649.pdf

Operationsverstärker: https://www.mouser.de/datasheet/2/609/AD8605_8606_8608-877839.pdf

Triac: http://www.ween-semi.com/sites/default/files/2018-11/BT137S-600D.pdf

schematisch

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Update: Durch vollständiges Entfernen von C1 wird das beschriebene Verhalten nicht beseitigt, sondern die Spannung, bei der es auftritt, auf 3,3 V erhöht

— Auge des Horus
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Bitte geben Sie Links zu den Datenblättern der Hersteller für den Operationsverstärker, die Sicherung und den Triac an. Es hört sich so an, als würde Ihr Operationsverstärker nicht genügend Strom liefern, um die Sicherung durchzubrennen.

— Elliot Alderson

Ich habe die Datenblätter hinzugefügt. Selbst wenn der Strom zu niedrig ist, um die Sicherung durchzubrennen, würde dies nicht erklären, warum bei 3 V statt 4,8 V etwas zu passieren scheint, oder?

— Auge des Horus

Messen Sie die Spannung am TL431 REF-Pin (relativ zu Masse), wenn am Operationsverstärkerausgang etwas weniger als 3 V anliegen (bevor die Schaltung zu triggern scheint).

— Spehro Pefhany

Ich würde versuchen, den Triac zu entfernen, um zu sehen, ob der TL431 alleine richtig funktioniert.

— Elliot Alderson

Warum willst du das tun? Wäre ein einfacher Widerstand in Reihe nicht ausreichend, um sowohl den Operationsverstärker als auch die MCU zu schützen, möglicherweise mit externen Klemmdioden nach (möglicherweise auch einem Zener)? Es müssen keine Sicherungen durchgebrannt werden, und Sie können diesen Überspannungszustand immer noch in der Firmware erkennen. Dies kann jedoch zu Problemen führen, wenn eine direkte Verbindung zum ADC besteht. Diese sind jedoch entweder mit einem zusätzlichen Kondensator durch den ADC-Pin oder einem Puffer leicht zu überwinden.

— Richard der Raumkatze

Antworten:

In der Schaltung, wie Sie es zeigen, benötigen Sie kein C1.
Wie in der vorherigen Diskussion ausgeführt, kann der Kondensator den Triac bei plötzlichen Anstiegen des Opamp-Ausgangs einschalten.

Der TL431 ist nicht wirklich für das geeignet, was Sie versuchen, da für die Einstellung der Referenz ein Mindest-Ik erforderlich ist (0,4 mA). Die seltsame Leitung, die Sie sehen, ist höchstwahrscheinlich auf die Auswirkungen des internen Referenzgenerators zurückzuführen.

Angenommen, Sie möchten eine Sicherung durchbrennen (und wie bereits erwähnt, ist die von Ihnen ausgewählte Sicherung nicht geeignet), würde ich vorschlagen, dass die folgende Änderung Ihre Probleme lösen kann:

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^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

R3 stellt sicher, dass die interne Referenz des TL431 immer ausreichend gewartet wird und nicht vom Signalpegel abhängig ist.
M2 schließt den Ausgang des Operationsverstärkers kurz… aber hier sind die Dinge verschwommen. Der Operationsverstärker kann nur 80 mA liefern, daher gehe ich davon aus, dass Sie versuchen, die Sicherung durchzubrennen, wenn der Operationsverstärker tot ist (und der Strom unkontrolliert ist).
Wenn jedoch der Operationsverstärker in Ordnung ist und das Signal einfach zu hoch ist, würde diese Schaltung den Ausgang klemmen, wodurch die 80 mA ohne Probleme sinken. Eine Sicherung zum Lösen zu bringen ist harte Arbeit.

Update: Aus welchem Grund möchten Sie die Ausgangsschwingung auf 4,8 V begrenzen, wenn der Rail-Rail-Betrieb sie bereits auf 5 V begrenzt? Erklären Sie Ihre Bedürfnisse ausführlicher, um eine bessere Antwort zu finden.

Wenn Sie das Problem aus einer reinen Opamp-Perspektive betrachten, lautet Ihre Spezifikation wie folgt:

Der Ausgang des Operationsverstärkers darf bei einer 5-V-Versorgung NIEMALS über 4,8 V liegen
Der Eingang muss hochohmig sein
Der Operationsverstärker ist nicht defekt (daher funktionieren die Ausgangsstrombegrenzungen).
Klemmen Sie den Eingang und nicht den Ausgang

Dies könnte ein praktikabler Ansatz sein, um das Eingangssignal einfach zu klemmen:

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^{simulieren Sie diese Schaltung}

Der TLV3011 liefert eine sehr genaue Referenzspannung und R4 / 5/6 bietet eine Einstellung für die Ausgangsschwelle.

— Jack Creasey
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Sie haben Recht, ich habe den Anwendungsfall nicht richtig erklärt. Ich muss sicherstellen, dass das Gerät, das mit dem Operationsverstärkerausgang geregelt wird, nur eingeschaltet wird, wenn das richtige Eingangssignal vorhanden ist. Mir wurde ausdrücklich gesagt, ich solle den Fall eines Kurzschlusses zwischen 5 V + Vcc und dem Operationsverstärkerausgang berücksichtigen. Da ich höchstens eine Ausgangsspannung von 4,2 V benötige und das Eingangssignal entsprechend regeln kann, war diese Brechstange die beste, die ich mir vorstellen konnte, um in diesem Szenario sicher zu sein. Ich habe nicht bemerkt, dass der Sicherungsstrom für den Operationsverstärkerausgang zu hoch ist, aber vielleicht erfüllt er im Fehlerfall seinen Zweck.

— Auge des Horus

@EyeofHorus Dann funktioniert der erste Schaltplan mit dem FET-Gerät sowohl fehlerhaft als auch kurz zu liefern. Sie müssen nur eine geeignete Sicherung auswählen. Sie aussehen könnten sie: datasheets.avx.com/AccuGuardLC_0402.pdf ... einen Sicherungswert von 37,5 mA geeignet für diese Anwendung scheinen würde. Das Durchbrennen einer Sicherung ist jedoch eine sehr drastische Maßnahme. Es ist besser, eine strombegrenzte 5-V-Versorgung zu erstellen und einfach den Opamp-Ausgang kurzzuschließen. Lassen Sie mich wissen, wenn Sie das erkunden möchten.

— Jack Creasey

Ich habe Ihren ersten Schaltplan mit LTSpice simuliert und es funktioniert gut, wenn ich nur das Signal von 0 V auf 5 V hochfahre. Wenn ich jedoch meinen Operationsverstärker mit den Rückkopplungswiderständen hinzufüge, geht der Ausgang nie über 4,7 V hinaus, egal wie hoch der Eingang ist . Der TL431-Ref liegt immer etwas unter 2,5 V, damit die Mosfets nicht ausgelöst werden. Ich muss nicht unbedingt eine Sicherung durchbrennen, wenn ich das Design auf einfachere Weise sicherer machen kann. Ich habe eine 5-V-Versorgung, die ich derzeit nicht wirklich ändern kann. Wenn das kein Problem ist, wäre ich dankbar, Ihren anderen Vorschlag zu hören.

— Auge des Horus

Der Operationsverstärker liefert nicht genügend Strom, um die Sicherung durchzubrennen. Die Sicherung ist für 200 mA ausgelegt (für die Sicherung mit dem niedrigsten Nennstrom in der Familie). Der Operationsverstärker kann nur 80 mA liefern (wenn er mit 5 V bei 2,7 V betrieben wird, sind es nur 30 mA) oder weniger als die Hälfte des Stroms, der die Sicherung durchbrennt.

Nehmen wir an, dass am anderen Ende der Sicherung Masse angeschlossen ist, anstatt des Brechstangenkreises würden nur 80 mA durch die Sicherung fließen und sie würde immer noch nicht durchbrennen, selbst wenn Sie die Spannung so hoch wie den Ausgang des AD8605 erhöhen würden Berücksichtigen Sie die Nennleistung (6 V).

Crowbar-Schaltungen sind für Spannungsschaltungen mit niedrigen Quellenimpedanzen / hohen Strömen wie eine Stromversorgung.

BEARBEITEN:

Es gibt einige Optionen. Eine Möglichkeit besteht darin, die Ausgangsleistung des Operationsverstärkers zu begrenzen, indem Vcc des Operationsverstärkers auf 3,4 V geändert wird.

Das andere Verfahren wäre die Verwendung einer Zenerdiode am Eingang, dies würde jedoch eine gewisse Linearität und die Lastimpedanz opfern, wie vom Vin aus gesehen. Der Widerstand könnte auf einen höheren Wert angehoben werden, würde aber auch die Steigung der Grenzkurve ändern und den oberen Bereich der Vin / Vout-Kurve, in dem die Diodenklemmen ungenau / weniger linear sind, verändern. Dies ist keine gute Option. Ich bevorzuge es, den Ausgang zu klemmen oder den Vcc zu begrenzen (was wahrscheinlich am einfachsten wäre und nur einen Regler zur Schaltung hinzufügt).

Die letzte Option wäre die Verwendung eines Vorwiderstands und von Dioden am Ausgang, auch mit einem gewissen Verlust aufgrund des Vorwiderstands und des Leckstroms von der Diode.

EINE ANDERE BEARBEITUNG:

Wenn Sie eine Strombegrenzung wünschen, gibt es viele Schaltkreise, die diese Aufgabe erfüllen können. (Es gibt auch viele ICs, die für diese Aufgabe geeignet sind). Die meisten umfassen das Erfassen des Stroms mit einem Stromerfassungsverstärker wie dem unten gezeigten (der Verstärker IC1 schaltet den Optokoppler, der wiederum einen PMOS-High-Side-Schalter umschaltet):

Quelle: https://www.electronicdesign.com/power/current-limiter-offers-circuit-protection-low-voltage-drop

ODER viele hier aufgeführte Schaltkreise

— Spannungsspitze
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@ JackCreasey Ich musste Ihren Kommentar mehrmals lesen und mir den Schaltplan ansehen, weil ich denke, Sie meinen, dass der Schaltplan in der Antwort korrekt ist, aber invertiert. Wenn es in eine nicht invertierende Konfiguration geändert wird (die das OP benötigt), würde es nicht mehr funktionieren. Da der Eingang -ve in dem gegebenen Schaltplan eine virtuelle Masse ist, würde -ve im Fall eines nicht invertierenden Verstärkers Vin folgen. Nur für andere Leute klären, die auch verwirrt sein könnten ...

— MartinF

Nein, es wird nicht funktionieren, nicht einseitig. Ich werde meine Antwort bearbeiten und prüfen, ob ich eine bessere Option finden kann. Das Beste wäre wahrscheinlich eine Eingangsbegrenzungsschaltung

— Voltage Spike

@MartinF Die Antwort ist NUR für einen Operationsverstärker mit zwei Netzteilen richtig (dies ist eine klassische Konfiguration zum Abschneiden des Ausgangs). Nicht das, was das OP hat, und daher ist die Antwort falsch und funktioniert aufgrund der Frage nicht. Der TL431 ist auch der falsche Gerätetyp, um das OP-Ziel zu erreichen.

— Jack Creasey

Ich denke: Wenn in der nicht invertierenden Konfiguration Vin = 1,62 V ist, ist Vout = 4,8 V. 4,8 V - 1,62 V = 3,18 V über Rückkopplung. Würde es nicht mit einem Zener von 3,1 V funktionieren?

— MartinF

@ JackCreasey Ah, danke! Das Netzteil habe ich in der Tat nicht berücksichtigt - der verwendete Opamp hat eine einzige Versorgungsspannung von max. 5,5 V. Gute Idee!

— MartinF

Ich habe den ursprünglichen Grund für das unerwartete Verhalten des TL431 gefunden.

Es stellte sich heraus, dass die von mir verwendete Eagle-Bibliothek das SOT23-Paket für den TL432 unter dem TL431 enthielt. Da die beiden Kathoden- und Referenzstifte vertauscht haben, funktionierte meine Schaltung mit dem TL431 nicht richtig.

Die ursprüngliche Schaltung hatte immer noch einige Instabilitäten, weshalb ich Jack Creasys Antwort akzeptierte, da seine alternative Schaltung sehr gut funktioniert.

— Auge des Horus
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