Idee sursa de laborator

[Rabulea Sergiu]

Salutare,

Am inceput in a-mi proiecta o sursa de laborator care sa aiba urmatoarele caracteristici:

 

Tensiune de iesire: 0-30V

Curent de iesire: 0-3A

Reglajul sursei doresc sa-l fac cu un microcontroller, care sa aiba si functie de voltmetru si ampermetru, iar reglajul efectiv va fi introdus de la o tastatura numerica.

Incep prin a propune o schema de reglaj al tensiunii (doar al tensiunii) realiza si simulata de mine in LTspice:

 

Cateva explicatii:

V4 va fi inlocuit cu un DAC pe 16biti (DAC8501) care este alimentat dintr-o referinta de 3V

V1 si V2 vor fi stabilizatoarele ce alimenteaza operationalul precum si alte circuite aditionale.

V3 reprezita tensiunea de alimentare a sursei dupa redresare si filtrare

R6 reprezinta sarcina

In locul lui M2 posibil sa pun IRFIP450 (unu sau doua, depinde de puterea disipata)

In locul lui M1 o sa pun un BSH105

 

Ca si idei de reglaj/protectie la supracurent ma bate gandul sa folosesc un amplificator de sunt (INA199A3) de la iesirea caruia sa realizez protectia la supracurent precum si citirea efectiva a curentului cu uC.

 

As dori niste pareri din partea forumistilor despre aceasta sursa, precum si alte idei si opinii legate de schema.

 

Multumesc.

 

[sesebe]

Ar putea sa mearga!

 

Totusi nu folosi tranzistori MOS de curent mare ca element serie pt disipatie, nu se comporta prea bine la disipatie in regim liniar.

Alege tranzistori de curent mai mic (de maxin 5-7 ori curentul maxim dorit) si cu tensiune D-S mare (sute de volti). Se vor comporta mai bine la disipatie liniara.

[UDAR]

Păreri personale :

1. Din motive de stabilitate aș renunța la etajul de amplificare cu M1 inversând , desigur, intrările în U1 .

2. Aș înlocui TL081 cu un operațional care include masa în domeniul de mod comun , având și o tensiune adecvată - să zicem LT1013. Aș scăpa de tensiunea negativă de alimentare în acest fel. 

3. DAC8051 nu mi se pare chiar grozav pentru aplicația asta . Dar dacă 10 biți garantați îți sunt suficienți , go for it!

[Rabulea Sergiu]

Ar putea sa mearga!

 

Totusi nu folosi tranzistori MOS de curent mare ca element serie pt disipatie, nu se comporta prea bine la disipatie in regim liniar.

Alege tranzistori de curent mai mic (de maxin 5-7 ori curentul maxim dorit) si cu tensiune D-S mare (sute de volti). Se vor comporta mai bine la disipatie liniara.

Cred ca am niste STW15NK90Z prin sertarul de bazaconii, o sa ii scot la inaintare.

 

Păreri personale :

1. Din motive de stabilitate aș renunța la etajul de amplificare cu M1 inversând , desigur, intrările în U1 .

2. Aș înlocui TL081 cu un operațional care include masa în domeniul de mod comun , având și o tensiune adecvată - să zicem LT1013. Aș scăpa de tensiunea negativă de alimentare în acest fel. 

3. DAC8051 nu mi se pare chiar grozav pentru aplicația asta . Dar dacă 10 biți garantați îți sunt suficienți , go for it!

 

1. Am optat pentru aceasta topologie pentru a face sursa usor scalabila si in tensiune.

Deocamdata aceasta sursa va scoate maxim 30V dar daca testele si masuratorile sunt incurajatoare o sa o realizez si cu o tensiune de iesire de 50V sau chiar mai mult.

Din simulari nu mi-au aparut probleme de stabilitate. Am simulat cu sarcina capacitiva, rezistiva, inductiva pe iesire. Urmeaza sa-i fac teste pe un PCB de probe ca sa vedem cum se comporta in realitate.

2. Tensiunea de alimentare negativa am ales-o din mai multe motive:

  1. Scap de neliniaritatile pe care orice operational le introduce cand vine vorba de tensiuni mici la iesire

  2. Folosesc operationale ce nu au pretentii si nici sa nu trebuiasca iesiri rail-to-rail

  3. Reusesc sa cobor tensiunea la iesirea sursei pana la 0(zero)

  4. am mai realizat surse dupa scheme de pe net si cele care aveau tensiune negativa in alimentarea operationalelor, aveau o liniaritate mai buna la tensiuni mici la iesire.

3. Deocamdata mi-am propus sa fac sursa cu o precizie de 0,1V pentru care mi se pare destul acel DAC.

Daca nu va fi suficient o sa-l inlocuiesc cu unul mai performant si poate si cu rezolutie mai buna.

Multumesc deocamdata.

[alcon]

Cu cat va complicati mai mult, cu atat cresc sansele sa nu fiti multumiti de rezultatul final!

[UDAR]

Sigur, riscurile de instabilitate sunt teoretice . M1 introduce teoretic încă doi poli în caracteristica de trannsfer . O compensare corectă poate totuși rezolva problema . 

În ce privește neliniaritățile lângă zero ale OpAmp , trebuie să observăm că aici ieșirea nu trebuie să coboare la zero ci la Vgs care este de 1-2-3V , deci fără probleme. Poți deci oricum să cobori până la zero ieșirea .

În rest chestie de gusturi și de opțiuni. 

În ce privește scalabilitatea ulterioară pentru tensiuni mai mari ai dreptate . Și eu studiez ( deocamdată pe hârtie ) modalitățile de a ridica tensiunea controlată de un Op Amp la 40-50V și mai sus. 

Editat Februarie 7, 2016 de UDAR

[alcon]

Pastrandu-ne in registrul de consideratiuni de ordin general, dupa parerea mea, sursa de laborator ar trebui sa fie: liniara, linistita, metalica (5-10Kg) si, de exemplu, un 0-100V / 0-3A.Scuzati-ma, pute internetul de surse de laborator in gama 0-30V / 0-3A (celebra sursa Electronics-Lab, etc.).De ce nu abordati si alte game de variatie a tensiunii de iesire? Poate vrei sa experimentezi vreun montaj cu relee de 48V, ce te faci in acest caz?

[UDAR]

Păi sursa propusă este liniară, este ( probabil ) liniștită . Cât privește kilogramele și materialele , cred că  deja intrăm ușor în detalii . În rest , te așteptăm cu schema de 100V. Pe un alt topic , eventual . Că pe ăsta se discută altceva. 

[sesebe]

Sigur, riscurile de instabilitate sunt teoretice . M1 introduce teoretic încă doi poli în caracteristica de trannsfer . O compensare corectă poate totuși rezolva problema . 

În ce privește neliniaritățile lângă zero ale OpAmp , trebuie să observăm că aici ieșirea nu trebuie să coboare la zero ci la Vgs care este de 1-2-3V , deci fără probleme. Poți deci oricum să cobori până la zero ieșirea .

În rest chestie de gusturi și de opțiuni. 

În ce privește scalabilitatea ulterioară pentru tensiuni mai mari ai dreptate . Și eu studiez ( deocamdată pe hârtie ) modalitățile de a ridica tensiunea controlată de un Op Amp la 40-50V și mai sus. 

 

Exista amplificatoare operationale care merg si mai sus de 30V....

OPA547 pina pe la 60V sau chiar mai sus.....PA341DW  pina pe la 350V.

 

PS: ar trebui sa te gindesti si cum integrezi limitarea de curent, mai tirziu ar putea sa fie mai dificil.

Editat Februarie 7, 2016 de sesebe

[UDAR]

Exista amplificatoare operationale care merg si mai sus de 30V....

Analiza pe hîrtie le ia , evident , în calcul . Deși când te uiți la preț ....

Editat Februarie 7, 2016 de UDAR

[Rabulea Sergiu]

De ce nu abordati si alte game de variatie a tensiunii de iesire? Poate vrei sa experimentezi vreun montaj cu relee de 48V, ce te faci in acest caz?

Cum am spus mai sus, aceasta sursa are in vedere si usurinta scalabilitatii.

Se poate modifica si pentru tensiuni mai mari doar modificand valorila componentelor, fara a modifica si topologia.

 

Exista amplificatoare operationale care merg si mai sus de 30V....

OPA547 pina pe la 60V sau chiar mai sus.....PA341DW  pina pe la 350V.

 

PS: ar trebui sa te gindesti si cum integrezi limitarea de curent, mai tirziu ar putea sa fie mai dificil.

Nu m-am uitat dupa amplificatoare care merg la tensiune de alimentare mare fiinca acestea de regula sunt rare si scumpe.

Un TL081 costa 0,6 RON fata de 50 respectiv 530RON cat costa amplificatoarele propuse

 

In schema de mai sus am integrat si limitarea de curent.

Din lipsa de INA199 in LTspice am folosit un integrat de la Linear, dar in principiu face cam acelasi lucru.

 

Pareri?

.

[sesebe]

Mie mi se pare ok.

Simularea ce spune?

 

Nu am "recomandat" acele operationale, ci numai am spus ca exista si asa ceva.

 

Apropo, de ce insisti pe ideea cu regulator serie MOS?

De ce nu folosesti un bipolar sau o configuratie de mai multe in paralel?

Tranzistoarele MOS actuale sint optimizare pt comutatie nu pt lucru in "r.a.n." pe cind bipolarii....

[Rabulea Sergiu]

Simularea arata OK.

 

Apropo, de ce insisti pe ideea cu regulator serie MOS?

De ce nu folosesti un bipolar sau o configuratie de mai multe in paralel?

Tranzistoarele MOS actuale sint optimizare pt comutatie nu pt lucru in "r.a.n." pe cind bipolarii....

Folosesc MOS ca si regulator serie deoarece scad curentul necesar pentru comanda elementului serie.

Majoritatea tranzistoarelor bipolare de putere mare au un beta destul de mic, ceea ce insemana un curent de comanda destul de mare.

 

cateva rezultate ale simularii:

 

Daca se doresc alte rezultate, ask away.

Editat Februarie 8, 2016 de Rabulea Sergiu

[UDAR]

MOSFET vs Bipolar 

În această aplicație se pot folosi cu succes ambele tehnologii .

 

1. Amplificarea mică în curent a bipolarului se poate compensa prin folosirea unei structuri Darlington - dublet sau chiar triplet . Pe de altă parte și MOSFET-ul trebuie atacat cu o impedanță cât de cât redusă din motive dinamice.Costul total este probabil comparabil. După mine , notele sunt egale. 

2. Căderea de tensiune pe elementul serie s-ar putea să fie mai mare pe MOSFET decât pe bipolar . Oricum diferențele nu sunt semnificative .

3.Bipolarul prezintă ”stăpungere secundară” . Se zice că MOSFET-ul este imun la acest fenomen . Există însă un fenomen legat de creșterea curentului ( eventual locală, sub forma unei hot spot )  odată cu creșterea temperaturii la Ugs constant . Acest lucru se manifestă până la un punct de intersecție a curbelor I_D = f ( Ugs ) la diferite temperaturi . Dacă se lucrează peste acest punct e OK , curentul scade cu creșterea temperaturii . Totuși acest punct corespunde , la temperatura ambiantă , la zeci de amperi pentru un MOSFET de putere deci este improbabil să lucrăm deasupra lui . ( Notă : lateralele au acest punct mult mai jos . Prietenii ( audio ) știu de ce ...)

Problema este că , spre deosebire de bipolare unde curbele SOA precizează clar limitele străpungerii secundare , curbele SOA pentu MOSFET ( dacă există în DS ) nu țin cont de acest aspect . Fenomenul este mai stringent la tranzistorii noi , rapizi , în capsulă relativ mică . Soluția ( la îndemână ) - folosirea de modele mai vechi , cu câștig mai mic , în capsulă mare . La acest punct 3. MOSFET-ul primește deci o notă mai mică . 

4.Dacă trebuie să lucrăm cu mai multe dispozitive în paralel , echilibrarea la MOSFET-uri este mai dificilă din cauza dispersiei mult mai mari a Ugs față de Ube . Consecința - costuri mai mari și/sau cădere de tensiune mai mare pe rezistențele de echilibrare. Din nou , notă mai mică pentru MOSFET . 

 

Totuși ,  punctual și pe scheme concepute special  , MOSFET-urile pot fi folosite cu succes în aplicații liniare .

 

 

Extras de referințe pentru Pct . 3

 

 

https://www.google.ro/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiwpIm3-ufKAhVEVh4KHT3pAhAQFgggMAA&url=http%3A%2F%2Fwww.infineon.com%2Fdgdl%2FInfineon%2B-%2BApplication%2BNote%2B-%2BPowerMOSFETs%2B-%2BOptiMOS%25E2%2584%25A2%2B-%2BLinear%2BMode%2BOperation%2Band%2BSOA%2BPower%2BMOSFETs.pdf%3FfileId%3Ddb3a30433e30e4bf013e3646e9381200&usg=AFQjCNEtu16RQHMzlIqimD2-DIf7RueM3g&sig2=_xMta1p41kDp-2vBR3ew_Q

 

https://www.google.ro/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=2&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiwpIm3-ufKAhVEVh4KHT3pAhAQFggmMAE&url=http%3A%2F%2Fwww.irf.com%2Ftechnical-info%2Fappnotes%2Fan-1155.pdf&usg=AFQjCNEPmoRdEFpJM_-FrLI3fvgrt-qjwA&sig2=RrA9KNHydRbhir-SQfrZmw

 

https://www.google.ro/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiwpIm3-ufKAhVEVh4KHT3pAhAQFgg3MAM&url=https%3A%2F%2Fwww.fairchildsemi.com%2Fapplication-notes%2FAN%2FAN-4161.pdf&usg=AFQjCNE5zMYB_pg4aRpDtqMfx3xRXwt1mA&sig2=wlh2tmPUIbiqzU0Rcctt9A

Editat Februarie 8, 2016 de UDAR

[Rabulea Sergiu]

Stiu ca  MOSFET-urile sunt mai dificil de controlat in regim liniar (bine nu stiam cu atatea detalii ca UDAR), dar in schema propusa se pot inlocui destul de usor cu bipolari.

Mai este si partea cealalta a proplemei: de fun.

Mie imi place sa experimentez, sa masor, sa fac teste, de aceea poate si asta-i unul din motivele pentru care am ales MOSFET-ul ca element serie.