Warum funktioniert dieser Opamp nicht richtig?

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Ich arbeite an einer einstellbaren Stromquelle. In einem Thread vor einiger Zeit wurden verschiedene Schaltkreise diskutiert:

einfache einstellbare Stromquelle für LED-String

... aber da ich mich für eine Option entschieden habe und diese nicht richtig funktioniert, beginne ich einen neuen Thread, um mich auf mein Rätsel zu konzentrieren.

Hier ist die Schaltung:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Der Widerstandsteiler (30K Widerstand und Potentiometer) liefert eine Referenzspannung am 'Set' (der DC-Sweep von v1 dreht nur die Topfwelle). Der Operationsverstärker sollte "Gate" bedienen, so dass "Sense" gleich "Set" ist, und somit entspricht der Strom (in Milliampere), der durch die Last "Rload" gezogen wird, der Spannung von "Set" (in Millivolt). So einfach ist das.

Die 12-V-Versorgung, die die eingestellte Schaltung und den Operationsverstärker mit Strom versorgt, ist eine 7812, die von der 24-V-Versorgung abgeschaltet wird. Und der Mosfet ist eigentlich ein FQP10N20C (ein ziemlich Vanille-Power-Nfet).

Ich habe mit LTspice simuliert und es verhält sich wie erwartet. Aber auf dem Steckbrett, wenn 'set' von 0 auf ungefähr 400 mV erhöht wird, werden 'sense' Tracks 'immer weniger gut' gesetzt '. Irgendwann sehe ich 257 mV am 'Set', aber nur 226 mV am 'Sense'; es fließen also nur 226mA durch Rload und R1. 'Gate' liegt bei 3,53 V und 'down' bei 11,7 V. Wenn man den Operationsverstärker nur isoliert betrachtet, scheint es, dass "Gate" höher angesteuert werden sollte (bis vermutlich irgendwann genug Strom fließt, dass "Sense" 257 mV entspricht).

Der Operationsverstärker ist für die Verwendung mit einer Single-Ended-Versorgung vorgesehen und sollte in der Lage sein, seinen Ausgang problemlos über 3,53 V (mit einer Versorgungsspannung von 12 V) zu betreiben. Das Gate des FET sollte keinen Strom aufnehmen (mit Messgerät überprüft).

Ich bin ratlos.

Datenblatt für den Opamp (LT1006)

RustyShackleford
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Haben Sie ein Scope-Diagramm (oder eine Wechselstrommessung an den Opamp-Eingängen oder am FET-Gate)? Aufgrund der Gatekapazität ist es möglich, dass Schwingungen mit niedrigem Pegel auftreten.
Peter Smith
Versuchen Sie als Sicherheitsmaßnahme gegen die von @PeterSmith erwähnten Schwingungen, einen Widerstand in Reihe mit dem Gate einzuschalten. Versuchen Sie Werte zwischen 100 Ohm-1 kOhm.
Lorenzo Donati - Codidact.org
Übrigens habe ich das Datenblatt des FDP18N50 überprüft: Die Vgs-Schwellenspannung liegt zwischen 3 V und 5 V, außerdem ist der LT1006 kein Operationsverstärker von Schiene zu Schiene, sodass sein Ausgang die positive Schiene nicht erreichen kann, die 6 V beträgt (sein Datenblatt) beansprucht ungefähr 4,4 V max, wenn es mit 5 V betrieben wird), so dass Sie maximal ungefähr 5,5 V am Ausgang erwarten können, möglicherweise nicht genug, um den Mosfet hart genug anzutreiben, wenn Sie eine Probe mit Vgs (th) nahe 5 V haben. Versuchen Sie, die Opamp-Versorgung zu erhöhen und festzustellen, ob sie besser wird, oder versuchen Sie es mit einem Mosfet mit niedrigeren maximalen Vgs (th).
Lorenzo Donati - Codidact.org
Wenn ich mir den Schaltplan des LT1006 im Datenblatt ansehe (ich bin ein IC-Designer, ich mag diese Schaltpläne :-)), denke ich, dass es am Ausgang bevorzugt wird, eine ohmsche Last gegen Masse zu haben. Ich schlage vor, einen 1-kOhm-Widerstand zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und Masse anzuschließen, um den Ausgang auf der richtigen Spannung zu halten. Wahrscheinlich enthält das Simulationsmodell diesen Effekt nicht, sodass der Widerstand dort nicht benötigt wird.
Bimpelrekkie
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Aus dem Kommentar von @FakeMoustache geht hervor, dass LT-Simulationsmodelle (wie alle Hersteller) Kompromisse sind, aber LT hat genau dokumentiert, was die Kompromisse sind: linear.com/docs/4139
Peter Smith

Antworten:

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Das Problem ist offensichtlich, dass am Ausgang des Operationsverstärkers eine Art Schwingung auftritt. Das Anbringen eines 10uF-Kondensators am 'Gate'-Knoten hat das Problem mehr oder weniger behoben, aber das Anbringen eines 1K-Widerstands zwischen dem Operationsverstärkerausgang und dem Fet-Gate hilft nicht viel. Ich sehe jetzt nicht mehr als ungefähr 7 mV Diskrepanz zwischen 'sense' und 'set' über den gesamten Stromanpassungsbereich (jetzt 0 bis 300 mA) und eine Spannung (erforderlich, um diesen Strom durch die Last zu treiben) zwischen ungefähr 3 und 23 V. .

RustyShackleford
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Durch Hinzufügen eines großen (!) 10uF am Ausgang des Operationsverstärkers haben Sie den Phasenabstand erhöht, der die Schwingung gestoppt hat.
le_top
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Ich habe diese Frage erst jetzt gesehen und Ihre Antwort, dass der Opamp oszillierte. Das war meine erste Vermutung aus dem Schaltplan und den Symptomen.

Mir gefällt jedoch nicht, wie Sie das Problem behoben haben. Das einfache Laden des Opamp-Ausgangs mit viel Kapazität kann jetzt in diesem Fall bei dieser Temperatur mit dieser Mondphase funktionieren. Es funktioniert möglicherweise nicht mit demselben Opamp-Modell aus einer anderen Charge oder einer zukünftigen Charge.

Eine bessere Lösung besteht darin, einen kleinen Widerstand in den Rückkopplungspfad zwischen der Oberseite des Stromerfassungswiderstands und dem negativen Operationsverstärkereingang zu legen. Fügen Sie dann einen kleinen Kompensationskondensator direkt vom Operationsverstärkerausgang zum negativen Eingang hinzu. Die Kappe bietet sofort eine negative Wechselstromrückmeldung, um den Verstärker stabil zu halten. Der Widerstand erhöht die Impedanz des Signals, so dass die Kappe einen gewissen Effekt haben kann, ohne für andere Überlegungen zu groß sein zu müssen. Versuchen Sie 1 kΩ und vielleicht 100 pF. Sie können einen größeren Kondensator verwenden, wenn die Reaktionszeit nicht schnell sein muss und Sie auf der Seite von mehr Stabilität irren möchten.

Hinzugefügt

Ich hatte vorher noch nicht auf das Datenblatt des Opamps geschaut und nur für einen normalen Opamp geantwortet. Der LT1006 ist für sehr niedrige Offset-Spannung und geringe Leistung optimiert. Das bedeutet, dass in anderen Bereichen Kompromisse eingegangen wurden. Eine davon ist anscheinend die Stabilität. Das Datenblatt zeigt den Verstärker, der als Spannungsfolger mit Einheitsverstärkung verwendet wird, so dass er anscheinend stabil mit Einheitsverstärkung ist.

Schauen Sie sich jedoch die typischen Anwendungsschemata auf Seite 11 genau an. Beachten Sie, dass einer 1 kΩ in Reihe mit einem 680 nF-Kompensationskondensator und der andere 2 kΩ mit 330 nF Kompensation hat. Dies bedeutet, dass meine Schätzung von 1 kΩ und 100 pF viel zu wenig war. Versuchen Sie eine Kombination, die eher dem entspricht, was sie verwenden. Da Sie bereits einen Serienwiderstand von 1 kΩ haben, versuchen Sie 1 µF direkt zwischen dem Operationsverstärkerausgang und dem negativen Eingang.

Das andere, was Sie tun müssen, ist, das Signal im Laufe der Zeit zu betrachten, nicht seine durchschnittliche Spannung. Legen Sie bereits ein Zielfernrohr darauf und sehen Sie, was wirklich los ist.

Olin Lathrop
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Ja, sogar eine 7-mV-Diskrepanz sagt mir, dass etwas nicht stimmt. Ich habe den Draht von R1 zum negativen Eingang des Operationsverstärkers durch einen 1 kΩ-Widerstand ersetzt und eine 1000pf-Kappe zwischen dem Ausgang und dem negativen Eingang des Operationsverstärkers hinzugefügt. Aber ohne diesen Kondensator am Ausgang des Operationsverstärkers sehe ich eine Diskrepanz von bis zu 20 mV (zwischen den Eingängen des Operationsverstärkers). Mit dieser Obergrenze verringern die zusätzlichen Komponenten (1 kΩ und 1000pf) nicht die Diskrepanz (obwohl sie natürlich die Schaltung robuster machen können, wie Sie vorschlagen).
RustyShackleford
Einige seltsame Beobachtungen ... Wenn ich die Schaltung an ihre Anwendung anschließe - eine Reihe von LEDs anstelle des 50Ω-Potis, mit dem ich getestet habe -, geht die Diskrepanz zwischen den Opamp-Eingängen auf 0. Dies gilt für alle 3 Komponenten (erwähnt) im vorherigen Kommentar). Aber wenn ich die Kappe am Opamp-Ausgang entferne, werden die Dinge verrückt: Der Opamp-Ausgang geht auf 5 + V und der Strom steigt auf 700-800 mA (und damit der negative Opamp-Eingang auf 700 mV, obwohl der positive Eingang bei 200 mV liegt oder so). Ein sehr instabiles Verhalten, das ich in den Griff bekommen muss; Eines ist sicher: Es ist sehr unglücklich ohne etwas Dämpfung.
RustyShackleford
Danke für die zusätzlichen Informationen, @Olin. Eine ihrer Apps (auf derselben Seite) verfügt außerdem über einen einfachen RC-Tiefpassfilter am Opamp-Ausgang. Ich habe es letzte Nacht versucht und es schien ziemlich gut zu funktionieren.
RustyShackleford
Ich muss versuchen, einen geeigneteren Opamp auszuwählen. Ich suchte hauptsächlich nach einer, die eine Single-Ended-Versorgung ermöglicht.
RustyShackleford
Ich frage mich, ob es einen guten Weg gibt, diese Instabilität in LTspice zu modellieren. Ich habe das aktuelle LT1006-Modell (kein generischer Opamp). Vielleicht ein Rauschsignal kapazitiv einkoppeln und seine Frequenz abtasten?
RustyShackleford
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Ich bin kürzlich nach einer Pause zu diesem Projekt zurückgekehrt und hatte weiterhin Probleme mit der Stabilität des Opamps. Ich habe jedoch festgestellt, dass es eine einfachere Lösung für das Problem gibt, den Linearregler LT3080. Es integriert im Wesentlichen den Operationsverstärker und den Leistungstransistor meiner ursprünglichen Schaltung und scheint in meinen Tests sehr stabil zu sein.

http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/3080fc.pdf

Meine neue Schaltung ist im Wesentlichen die in der Abbildung mit dem Titel "Low Dropout Voltage LED Driver" auf Seite 17 des Datenblattes gezeigte. Aber anstatt einen festen Widerstand vom SET-Pin auf GND zu setzen, treibe ich eine variable Spannung in den SET-Pin (man könnte auch einen variablen Widerstand verwenden, aber eine Spannung funktioniert für meine Anwendung besser). Das Spannungssignal muss lediglich in der Lage sein, die 10ua der internen Stromquelle zu senken.

Es wirkt wie ein Zauber.

RustyShackleford
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