หลักการควบคุมแรงดันไฟฟ้าจากหลักการแรก - ทำไมพลังงานถูกทิ้งในทรานซิสเตอร์?

15

ฉันพยายามทำความเข้าใจเพิ่มเติมเกี่ยวกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ดังนั้นฉันตัดสินใจลองออกแบบตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าคงที่ที่สามารถจ่ายแอมป์ได้ ฉันรวบรวมสิ่งนี้เข้าด้วยกันจากหลักการแรก ๆ โดยไม่ได้อ้างถึงการอ้างอิงใด ๆ เกี่ยวกับการออกแบบตัวควบคุมแรงดัน

ความคิดของฉันคือ:

ซีเนอร์และตัวต้านทานเพื่อให้การอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าคงที่
เครื่องมือเปรียบเทียบเพื่อตรวจจับเมื่อแรงดันเอาต์พุตสูงกว่าเกณฑ์เป้าหมาย
ทรานซิสเตอร์เพื่อเปิดและปิดแหล่งจ่าย
ตัวเก็บประจุเพื่อทำหน้าที่เป็นอ่างเก็บน้ำ

เมื่อคำนึงถึงสิ่งนั้นฉันจึงออกแบบตัวควบคุม 5V คงที่ซึ่งดูเหมือนว่าจะทำงาน:

อย่างไรก็ตามสิ่งที่ฉันสังเกตเห็นก็คือมันมีข้อ จำกัด บางอย่างซึ่งฉันไม่สามารถหาสาเหตุของ:

กระแสจาก V1 (อินพุต) ประมาณเท่ากับกระแสที่ R2 (เอาท์พุท) โดยประมาณแม้จะมีแรงดันไฟฟ้าที่ต่างกัน ดูเหมือนว่าจะตรงกับพฤติกรรมของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น (นั่นคือสิ่งที่ฉันเพิ่งสร้างขึ้นมา) แต่ฉันไม่แน่ใจว่าทำไมมันถึงเกิดขึ้น เพราะเหตุใดพลังงานจึงลดลงอย่างมากตั้งแต่ไตรมาส 2 เมื่อพิจารณาว่าเป็นเพียงการเปิดและปิด
เมื่อ V1 น้อยกว่าประมาณ 7.5V แรงดันเอาต์พุตจะไม่ถึงเกณฑ์ 5V แต่จะวนเวียนอยู่รอบ ๆ 4V แทน ฉันลองสิ่งนี้กับโหลดที่หลากหลาย แต่มันไม่ทำงานด้านล่างแรงดันไฟฟ้าอินพุตนั้น อะไรคือสาเหตุของสิ่งนี้?

— พหุนาม
แหล่งที่มา

คำตอบที่มีอยู่แล้วได้อธิบายถึงสาเหตุของสิ่งที่คุณเห็น ลองแนะนำผลตอบรับเชิงบวกเล็กน้อยรอบ ๆ 'ตัวเปรียบเทียบ' ของ opamp ของคุณเพื่อบังคับให้ทำตัวเหมือนเป็นตัวสลับ - เหมือนกับการออกกำลังกาย ...

— brhans

1

"Comparator to detect ... " - ไม่มีวงจรเปรียบเทียบในวงจรของคุณเป็นเพียง op-amp หากคุณแทนที่ด้วยเครื่องมือเปรียบเทียบจริงคุณอาจเห็นพฤติกรรมที่แตกต่างกัน (ไม่จำเป็นต้องดีกว่า )

— marcelm

1

โปรดทราบว่าแม้ว่าทรานซิสเตอร์จะเปิดหรือปิดอย่างเต็มที่ แต่ก็ยังคงเป็นตัวควบคุมเชิงเส้น - คุณเพียงแค่ใช้ความต้านทานของสายไฟแทนที่จะทำให้ทรานซิสเตอร์มีความต้านทาน

— user253751

11

ฉันรวบรวมสิ่งนี้เข้าด้วยกันจากหลักการแรก ๆ โดยไม่ได้อ้างถึงการอ้างอิงใด ๆ เกี่ยวกับการออกแบบตัวควบคุมแรงดัน

ไม่ใช่การเริ่มต้นที่ดี แต่คุณได้จบลงด้วยการออกแบบตัวควบคุมเชิงเส้นเกือบทั้งหมด แต่ "หลักการแรก" คุณลืมเกี่ยวกับการเป็นมอสเฟตเชิงเส้นภูมิภาค คุณลองสิ่งนี้ในเครื่องจำลองหรือไม่? ระบบจะตัดสิน ณ จุดที่ทรานซิสเตอร์อยู่ครึ่งหนึ่งและกระจายอำนาจเป็นตัวต้านทาน

เมื่อ V1 น้อยกว่าประมาณ 7.5V แรงดันเอาต์พุตจะไม่ถึงเกณฑ์ 5V แต่จะวนเวียนอยู่รอบ ๆ 4V แทน ฉันลองสิ่งนี้กับโหลดที่หลากหลาย แต่มันไม่ทำงานด้านล่างแรงดันไฟฟ้าอินพุตนั้น อะไรคือสาเหตุของสิ่งนี้?

สิ่งนี้เรียกว่า "แรงดันไฟฟ้าตกคร่อม" มันเป็นข้อ จำกัด ในเรื่องระยะทางใกล้กับทางเข้าของรางที่ opamp สามารถขับได้ คุณสูญเสียประมาณ 0.7V ในทรานซิสเตอร์เอาต์พุตของ opamp และอีก 0.7V เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของ MOSFET

คุณอาจทำได้ดีกว่าด้วย op-amp ที่ดีกว่าสมัยโบราณที่ล้าสมัยไปแล้ว 741 มิฉะนั้นคุณกำลังพยายามออกแบบสิ่งที่เรียกว่า LDO: ตัวควบคุม low-dropout

— pjc50
แหล่งที่มา

facepalm - สิ่งเหล่านี้เป็นสิ่งที่ฉันรู้ แต่ไม่สามารถนำไปใช้ในบริบท ขอขอบคุณ.

— พหุนาม

1

ฉันควรพูดถึงว่าสิ่งนี้ได้รับการออกแบบอย่างหมดจดในเครื่องจำลองและใช่นั่นคือสิ่งที่เกิดขึ้น ฉันไม่ได้ค่อนข้างมากพอที่บ้าที่จะมีอะไรบางอย่างใส่กันเช่นนี้กับชิ้นส่วนจริงโดยไม่ต้องหมายถึงการอ้างอิง

— พหุนาม

9

ตัวควบคุมเชิงเส้นนั้นเป็นตัวต้านทานอัจฉริยะ - ทรานซิสเตอร์เล่นเป็นส่วนหนึ่งของตัวต้านทานที่นี่

— Ecnerwal

5

ทำไมการเริ่มต้นไม่ดี? (สมมติว่านี่เป็นโครงการงานอดิเรก / การเรียนรู้ไม่ใช่เพื่อการผลิต)

— 253751

5

เพราะเหตุใดพลังงานจึงลดลงอย่างมากตั้งแต่ไตรมาส 2 เมื่อพิจารณาว่าเป็นเพียงการเปิดและปิด

เพราะมันไม่ใช่วงจรควบคุมการเปลี่ยน - มันเป็นตัวควบคุมเชิงเส้นที่คุณออกแบบไว้

กระแสจาก V1 (อินพุต) ประมาณเท่ากับกระแสที่ R2 (เอาท์พุท) โดยประมาณแม้จะมีแรงดันไฟฟ้าที่ต่างกัน สิ่งนี้ดูเหมือนจะตรงกับพฤติกรรมของอุปกรณ์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าเชิงเส้น (นั่นคือสิ่งที่ฉันเพิ่งสร้างขึ้นหรือไม่)

ใช่คุณมี.

เมื่อ V1 น้อยกว่า 7.5V แรงดันเอาต์พุตจะไม่ถึงเกณฑ์ 5V

คุณต้องการโวลต์สองตัวที่เกต (ที่เกี่ยวกับแหล่งที่มา) เพื่อเริ่มเปิด MOSFET สิ่งนี้ต้องมาจาก op-amp และมันอาจ "สูญเสีย" ประมาณโวลต์ของเอาต์พุตเมื่อเทียบกับรางพลังงานที่เข้ามา ดังนั้นถ้าคุณต้องการแรงดันไฟฟ้าออกที่ 5 โวลต์คุณต้องใช้แหล่งจ่ายไฟประมาณ 8 โวลต์และนั่นจะเป็นการโหลดที่เบา

สำหรับแรงที่หนักแรงดันของเกตแหล่งอาจต้องเป็น 3 หรือ 4 โวลต์ ทีนี้คุณอาจจะต้องใช้แหล่งจ่ายไฟที่มีประมาณ 10 โวลต์เพื่อให้เอาท์พุทของตัวควบคุมที่ 5 โวลต์

มีความเคารพต่อตัวควบคุมอย่างง่ายโดยเฉพาะอย่างยิ่งพวกที่มีประเภทแบบดรอปเอาท์ต่ำ !!

— แอนดี้อาคา
แหล่งที่มา

นอกจากนี้กระแสซีเนอร์ยังอยู่ในระดับต่ำมากแม้จะอยู่ที่ 10v เพียง 5 มิลลิแอมป์มันก็ระบุอุปกรณ์ได้ใกล้กับ 50ma แรงดันซีเนอร์จะลดลงเมื่อกระแสย้อนกลับลดลง หากคุณคาดหวังว่าจะเป็นช่วงกว้างฉันจะใช้อุปกรณ์อ้างอิงแรงดันไฟฟ้าแทน

— Trevor_G

"มีความเคารพต่อผู้ควบคุมอย่างง่าย" - แน่นอน! ฉันไม่ซาบซึ้งจริง ๆ ว่าวิศวกรรมมีส่วนร่วมใน LDO ที่ต่ำต้อยเพียงใด!

— พหุนาม

ใช่มีวิศวกรรมเป็นจำนวนมาก เราไม่ได้เริ่มพูดถึงความมั่นคง PSRR หรือเสียงรบกวนที่นี่

— pjc50

คุณอาจลองใช้พลังงาน P_channel MOSFET ตั้งแต่ที่ทำงานใน INVERTING_MODE เปรียบเทียบกับวิธีใช้ N_channel IRFP054 คุณจะต้องพลิกอินพุตของ OpAmp

— analogsystemsrf

1

มันอาจจะเป็นที่น่าสังเกตว่าแม้ว่า MOSFET ได้ที่จะใช้เป็นสวิทช์มากกว่าในภูมิภาคเชิงเส้นของมันก็จะยังคงมีการกระจายความร้อนได้อย่างมีนัยสำคัญเพราะคุณต้องการจะพยายามที่จะเรียกเก็บประจุจากแหล่งจ่ายแรงดันซึ่งไม่สามารถ มีประสิทธิภาพมากกว่า 50%

— pericynthion

3

การออกแบบก็โอเคยกเว้นการดร็อปดาวน์ของ FET LDO อาจต่ำกว่า BJT LDO แต่การชดเชย FET อาจต้องการ ESR ในช่วงที่ จำกัด เพื่อความเสถียรและอนุญาตให้มีการตอบกลับระลอก

คุณสามารถทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นถึง 98% โดยทางเลือกที่ดีของตัวเหนี่ยวนำที่มีสวิตช์ RDSOn ต่ำและ DCR โช้คต่ำ ตอนนี้คุณมีตัวควบคุมเจ้าชู้ การจำลองที่นี่

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
แหล่งที่มา

นี่เป็นคำตอบที่เก่ามาก แต่ฉันไม่เชื่อจริง ๆ ว่านี่เป็นเครื่องควบคุมบั๊ก มันมีองค์ประกอบสวิตชิ่งเดียวเท่านั้นและทรานซิสเตอร์ก็ยังสิ้นเปลืองพลังงานจำนวนมาก

— Hearth

@Felthry ทำไมสงสัยในการจำลองของฉันตรวจสอบ Zener Vz ด้วยเมาส์เพิ่ม Tranny ไปยังขอบเขตเปลี่ยนขอบเขตเพื่อแสดง Watts max, min สำหรับ Vce, Ice สังเกตการป้อนตัวแปรอินพุตสามเหลี่ยม V และโหลด pulsed จาก 0.7 เป็น 1.9A แล้วเปลี่ยน NPN เป็น NFET (ลบ, วาด FET) เปลี่ยน gm เป็น 1 ถึง 5 และเพิ่มในขอบเขตเปลี่ยนเป็นวัตต์ขั้นต่ำ, สูงสุด, เพิ่ม DCR เป็น L, ลากมุมของชิ้นส่วนด้วยปุ่ม Shift หรือ ^? ไปที่โหมดแถบยางเพื่อยืดหดหรือหมุน พิสูจน์การทำงานหรือดีกว่าที่คุณสามารถทำได้ เปลี่ยน cap เพื่อเพิ่ม ESR ต่ำจากนั้นเพิ่ม 0.1uF ด้วย ESR ที่ต่ำกว่า

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

สำหรับสิ่งหนึ่งที่ฉันเห็นเพียงแค่โฉบเหนือทรานซิสเตอร์ว่ามันกระจายไปมากกว่า 20 วัตต์ในระยะเวลาสั้น ๆ และกระจายไปหลายวัตต์เป็นประจำซึ่งไม่ควรเกิดขึ้นในตัวแปลงสวิตชิ่ง น่าประหลาดที่คุณไม่สามารถกราฟการกระจายพลังงานในทรานซิสเตอร์ในเครื่องจำลอง falstad

— Hearth

คุณสามารถเห็นวัตต์ในขอบเขตสเกล แต่แปลงกำลังไฟเป็น FET ที่นี่ด้วย PFET ปรับแต่งเพื่อประสิทธิภาพ 90% โหลดพัลส์ 125W เต็มขั้นตอน 50% พร้อมอินพุต 2V กระเพื่อมและเอาท์พุทกระเพื่อม 5 mV tinyurl.com/ya5gyufe บางส่วนรวมถึง ESR ตัวเลือก FET เป็นสิ่งสำคัญ @ Felthry

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

0

พลังงานถูกเทลงในทรานซิสเตอร์เพราะมันเป็นองค์ประกอบอนุกรมดังนั้นกระแสทั้งหมดสำหรับการโหลดจะต้องผ่านมันในขณะเดียวกันก็ต้องลดความแตกต่างระหว่างแรงดันอินพุตและแรงดันเอาท์พุท

— นกนางแอ่น
แหล่งที่มา

-1

อะไรคือสาเหตุของสิ่งนี้?

ด้วยอุปทานให้กับคุณ opamp ที่ v1 แรงดันไฟฟ้าสูงสุดของ opamp และประตู MOSFET ของเจ้าคือ v1 MOSFET จะต้องใช้ vgs เพื่อทำงานทรายที่โดยทั่วไปจะมี 2 ถึง 5v ขึ้นอยู่กับ MOSFET ที่ใช้ 0.7v สำหรับบิตและ 1.3v สำหรับ Darlington

นั่นหมายถึงแหล่งสูงสุดที่ MOSFET สามารถมองเห็นได้คือ v1 - 2 ถึง 5v นั่นคือสิ่งที่คุณเห็น

— dannyf
แหล่งที่มา