Stabilność wzmacniacza w układzie źródła prądowego

Witam,
Składam właśnie robota typu linefollower i chciałbym mieć możliwość regulacji prądu płynącego przez diody IR w czujnikach linii. Zaprojektowałem taki układ:



Założenia są proste. Mierzyę spadek napięcia na rezystorze 0R1, wzmacniam wartość tego napięcia 100x i podaję na wejście odwracające dolnego wzmacniacza. Napięcie referencyjne dla dolnego wzmacniacza pochodzi z przetwornika DAC. Dla napięcia 3V, prąd płynący przez rezystor pomiarowy powinien wynosić około 300mA.

W symulacji układ działał dobrze, więc bez większego zastanowienia zaprojektowałem płytkę i złożyłem układ. Użyłem wzmacniacza MCP6V27 i tranzystora BCX56.

Po uruchomieniu układ - lekko mówiąc - nie działał zgodnie z założeniami. Przebieg napięcia na rezystorze pomiarowym 0R1 wygląda tak:



A napięcia na wyjściu wzmacniacza różnicowego tak:



Napięcia zasilania i referencyjne są oczywiście odpowiednio odfiltrowane.

Pytanie jest więc proste, co zrobić, żeby ten układ był stabilny? Przyznaję się bez bicia, że w tej chwili nie mam czasu na ogarnięcie całej teorii dotyczącej stabilności opampów, chcę po prostu mieć to działające i wziąć się za programowanie robota.

edit: Wrzucam jeszcze schemat z eagle, gdzie przynajmniej są podane nazwy elementów:



datasheet MCP6V27: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/25007B.pdf

A dlaczego nie spróbujesz z prostszą wersją takiego źródła?
https://obrazki.elektroda.pl/46_1225789184.jpg

fuutro wrote:

A dlaczego nie spróbujesz z prostszą wersją takiego źródła?
https://obrazki.elektroda.pl/46_1225789184.jpg

Bo w tym układzie spadek napięcia na rezystorze pomiarowym jest równy napięciu referencyjnemu, a chciałbym wykorzystać możliwie pełny zakres napięcia przetwornika DAC. W moim układzie napięcie zasilania wynosi tylko 3,3V. Spadek napięcia na diodzie IR to około 1,2V przy 30mA, do tego około 1V na rezystorze 33R i spadek napięcia na tranzystorze - co oznacza maksymalne napięcie na rezystorze pomiarowym około 1V.

Witaj. Daj kondensator około 10pF pomiędzy kolektor a bazę tranzystora i rezystor miedzy bazę a emiter wartości 0,1-1kΩ.

api17 wrote:

Witaj. Daj kondensator około 10pF pomiędzy kolektor a bazę tranzystora i rezystor miedzy bazę a emiter wartości 0,1-1kΩ.

Dodałem kondensator 18pF i rezystor 470R - układ dalej się wzbudza.

Wydaje mi się, że problem jest już ze wzmacniaczem odejmującym - napięcia wejściowe i wyjściowe powinny mieć podobny kształt.

Czytam teraz datasheet tego wzmacniacza i dochodzę do wniosku, że dla wzmocnienia 100x pasmo przenoszenia to około 20kHz. Spróbuję zwiększyć rezystor pomiarowy 10x i zmniejszyć wzmocnienie 10x.

edit:
Zrobione, układ wygląda teraz tak:


Przebieg napięcia na rezystorze pomiarowym:


Przebieg napięcia ja wyjściu wzmacniacza różnicowego:

Można by dołożyć jeszcze kondensatory z ewentualnymi rezystorami w szeregu na wzmacniaczach operacyjnych pomiędzy wejściem minusowym a wyjściem ale układ będzie miał wzmocnienie zależne od częstotliwości sterowania. Spróbować można:)

Zdaję sobie sprawę, że do poprawy stabilności używa się zwykle kondensatorów w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego, ale nie mam do tego celu odpowiedniej wiedzy i doświadczenia, dlatego piszę tutaj z prośbą o pomoc

A może układ sam w sobie jest po prostu lipny i należałoby rozwiązać to jakoś inaczej? Chętnie przeczytam opinię kogoś bardziej doświadczonego, bo elektronika analogowa to nie do końca moja działka

Czy ten prąd w diodach ma oscylować?

@trymer01

Oporniki 33R służą do wyrównania prądu diód, których jest 12. Maksymalny prąd, jaki planuję przepuścić przez jedną diodę to 25mA.

Kondensator 100n jest przy samym opampie, 10u ceramiczny jakiś 1cm od niego.

Widziałem wykres prądu zwarcia tego opampa. Tranzystor to BCX56-16, ale problem pojawia się nawet przy ustawieniu małego napięcia referencyjnego.

R32 miałem wcześniej 220R i wyglądało to podobnie. Zmienię na 47R zgodnie z sugestią. R35 i C1 dołożyłem zgodnie z propozycją kol. api17.

@czarutek
Prąd płynący przez diody ma być stały (ustawiany raz w zależności od óswietlenia otoczenia)

miszle wrote:

Prąd płynący przez diody ma być stały (ustawiany raz, w zależności od oświetlenia otoczenia)

No to dlaczego każesz dolnemu wzmacniaczowi oscylować? Myślałem, że to celowe.

miszle wrote:

api17 wrote:

Witaj. Daj kondensator około 10pF pomiędzy kolektor a bazę tranzystora i rezystor miedzy bazę a emiter wartości 0,1-1kΩ.

Dodałem kondensator 18pF i rezystor 470R - układ dalej się wzbudza.

I nic dziwnego, skoro efekt Millera w T1 daje tu znać o sobie.

miszle wrote:

Wydaje mi się, że problem jest już ze wzmacniaczem odejmującym - napięcia wejściowe i wyjściowe powinny mieć podobny kształt.

Czytam teraz datasheet tego wzmacniacza i dochodzę do wniosku, że dla wzmocnienia 100x pasmo przenoszenia to około 20kHz. Spróbuję zwiększyć rezystor pomiarowy 10x i zmniejszyć wzmocnienie 10x.

edit:
Zrobione, układ wygląda teraz tak:


Przebieg napięcia na rezystorze pomiarowym:


Przebieg napięcia ja wyjściu wzmacniacza różnicowego:

To nie pasmo wzmocnienia jest tu winne, a monopolarne zasilanie wzmacniaczy operacyjnych.

Ej Panowie Panowie, przetrzyjcie oczy i się przyjrzyjcie...
Ja rozumiem, Miszle, że nie masz czasu. Ale włożyłeś go już bardzo dużo w przedstawienie problemu...
No a ja, ponieważ to szanuję, to jako urodzony sadysta, wolę się nad Tobą poznęcać i spróbować Cię naprowadzić. Będziesz miał większą frajdę...

Quote:

Wydaje mi się, że problem jest już ze wzmacniaczem odejmującym - napięcia wejściowe i wyjściowe powinny mieć podobny kształt.

A nie mają?

Quote:

I nic dziwnego, skoro efekt Millera w T1 daje tu znać o sobie.

Tylko wykorzystuję Twoje słowa...
Jeśli nawet, to kto go tak czule wychwytuje, że wszystko oscyluje aż tak, jakby to było celowe, jakby to miał być generator? I dlaczego? Bo ja widzę, że mu to Miszle wręcz nakazujesz.

Wypróbuj tą wersie układu

To może sprawę ciut 'zacerować', ale tylko pozornie i mało przewidywalnie, jeśli w ogóle. Nie o taki manewr chodzi. Miszle w pośpiechu popełnił błąd rangi kardynalnej. I to aż tak, że Wy się już zasugerowaliście, nie dostrzegacie go już...

Ja też nie widzę oczywistego błędu na schemacie.
A z tym pełnym wykorzystaniem napięcia przetwornika DAC. To pewnie chodzi o wykorzystanie DAC do regulacji prądu diod. Gdzie układ zaproponowany przez Kol. fuutro wymaga względnie dużego napięcia na rezystorze R1. A tu napięcie zasilania jest bardzo niskie i każdy wolt się liczy.

Widzę, ze temat został przeniesiony do piaskownicy

Żeby nie było, że jestem kompletnym ignorantem i czekam na gotowe. Napisałem "nie mam czasu", bo siedzę już nad tym ładnych parę dni i nie wiem w czym leży problem, więc pytam tutaj. Myślę, że przedstawiłem problem dość jasno, a to jest podstawa do jego rozwiązania.

Uparłem się przy tym schemacie, bo mam już wykonaną płytkę, a kolejne wytrawianie, robienie ~15 przelotek i lutowanie ~30 elementów 0402 brzmi co najmniej zniechęcająco. Ale jeśli będzie taka potrzeba, to oczywiście wykonam nową płytkę, chociaż chciałbym mieć wtedy pewność, że układ zadziała.

czarutek wrote:

Quote:

Wydaje mi się, że problem jest już ze wzmacniaczem odejmującym - napięcia wejściowe i wyjściowe powinny mieć podobny kształt.

A nie mają?

Chodziło mi raczej o oscylogramy z 1. postu (dla wzmocnienia 100). Dla wzmocnienia 10 faktycznie faktycznie wygląda to już w miarę sensownie.

trymer01 wrote:

Być może się zasugerowałem, i nie widzę.
Natomiast widzę, że Kol. miszle popełnił błąd w założeniach.
Bo jego problem z wykorzystaniem "możliwie pełnego zakresu napięcia przetwornika DAC" rozumiem tak (nie wyjaśnił) że chce porównywać 3V z DAC z 3V z pomiaru prądu, i to przy zasilaniu 3,3V.
Są dwa sposoby.
1. Dlaczego LED-y są zasilane z +3,3V? - przecież można je zasilać z napięcia niestabilizowanego które jest wyższe, zapewne 5V co najmniej. Dodatkowo zmniejszyć 33Ω na 16Ω co zmniejszy spadek napięcia na tym oporniku, a wyrównanie prądów na LED-ach będzie nadal bardzo dobre. Jeśli zasilanie będzie 5V, to licząc spadek napięcia na LED 1,2V, na oporniku 16Ω - 0,4V, Uce=0,4V i na opornik emiterowy (układ jak proponował Kol. fuutro) zostaje co najmniej 3V. Wtedy napięcie na R31 wyniesie ok.3,5V co przekracza dopuszczalny (WO jest typu rail to rail i jego zasilanie pojedyncze nie ma tu nic do rzeczy). Ale na to jest sposób drugi:
2. Dlaczego nie zmniejszyć napięcia wejściowego z DAC? - np. do 2,5V, czy 2V? - dzielnikiem na wejściu.

Oczywiście, że mogę zasilić układ bezpośrednio z lipola (około 8V) i wytracać ponad 1W na rezystorze pomiarowym i tranzystorze, ale po co? Napięcie 3,3V pochodzi z przetwornicy impulsowej, więc układ pobiera z akumulatora ponad 2x mniejszy prąd od tego, który idzie w LEDy. Przy akumulatorze o pojemności rzędu 200mAh ma to już jakieś znaczenie. Nie wierzę, że nie da się rozwiązać tego problemu używając bardzo małego rezystora pomiarowego i zasilania 3,3V.
Układ zaproponowany przez kol. fuutro już kiedyś wykonywałem i działał prawidłowo, ale duży spadek napięcia na rezystorze pomiarowym jest pewną niedogodnością. Poza tym wolę nauczyć się czegoś nowego, a nie powielać wykonany już wcześniej układ.

Jeśli chodzi o "pełne wykorzystanie napięcia DAC" to jest dokładnie, jak wspomniał kol. jony. Załóżmy, że maksymalny spadek na rezystorze pomiarowym, na jaki mogę sobie pozwolić, to jakieś 0,5V - powyżej tego prąd jest ograniczony napięciem zasilającym. Zasilając 8-bitowego DACa z 2,5V zostaje nam do wykorzystania tylko 50 wartości. Wolałbym wykonać układ tak, żeby móc korzystać z całego dostępnego zakresu.

Quote:

A błędy wskazałem wyżej - zbyt duży R32, niepotrzebny R=470R z bazy do masy, niewłaściwy tranzystor.

Ustawiłem napięcie referencyjne na 0,5V (czyli prąd płynący przez ledy powinien wynosić tylko 50mA), wywaliłem rezystor R35 i zmieniłem rezystor R32 na 47R - układ dalej oscyluje.

czarutek wrote:

To może sprawę ciut 'zacerować', ale tylko pozornie i mało przewidywalnie, jeśli w ogóle. Nie o taki manewr chodzi. Miszle w pośpiechu popełnił błąd rangi kardynalnej. I to aż tak, że Wy się już zasugerowaliście, nie dostrzegacie go już...

No nic, jutro mam jakieś 8h wykładów (początek semestru - trzeba chodzić ), więc może doznam jakiegoś olśnienia patrząc na ten schemat. A jak się nie uda, będę musiał błagać o litość

Quote:

... więc może doznam jakiegoś olśnienia patrząc na ten schemat. A jak się nie uda, będę musiał błagać o litość.

Zgodnie z opisem idei z pierwszego posta, realizujesz tak:
1) Wzmacniaczowi górnemu każesz pracować jako silny (x10) wzmacniacz różnicowy.
Moim zdaniem poprawnie, nie widzę tu błędów. No może tylko, że ciut za silny, ale potem go słusznie osłabiłeś...
2) Tranzystor wstawiasz w OE, żeby miał duże wzmocnienie prądowe.
Robiłbym tak samo, bo skoro tylko 3.3V, dojdzie spadek na diodach..., na złączu tranzystora... Przy wtórniku emiterowym może się okazać już za mało zapasu na regulację... Z wymaganym odwróceniem fazy, poradzisz sobie w sterowniku, a fakt 'wzmożonej czułości OE' przecież zapamiętasz i potem uwzględnisz.
3) Sterownik realizujesz układem dolnym. Zgodnie z poprawnym opisem idei chcesz, żeby pracował na razie z grubsza jak odwracający wzmacniacz różnicowy. Żeby gdzieś około środka zakresu swojej pracy, ograniczonego dołem i górą napięcia zasilania (nie wnikajmy tu teraz znowu w 'szczególiczki'), bardzo płynnie i stabilnie (jak pamiętamy OE, duże wzmocnienie prądowe) regulował napięcie na bazie tranzystora (a więc i prąd jego bazy) i to na dodatek tak, żeby było ono zawsze koniecznie gdzieś w okolicach progowego napięcia baza-emiter.
Próbowałbym tak samo.
No ale dalej? Do jakiego rodzaju pracy zmusiłeś wzmacniacz dolny, zostawiając mu pętlę otwartą? Co byś robił na jego miejscu?
Bo ja, jeśli z lewej by mi kazano, a z prawej za chwilę zabraniano... Też bym oscylował. Bo skoro z batami w rękach nie pozwalają mi w międzyczasie dawać 'w sposób ciągły, po połowie', to niech mają 'skokowo na przemian, po całości'...
Może dowal mu jeszcze sprzężenie dodatnie, na pewno przestanie oscylować... Tylko stanie. I na pewno nie w okolicach progowego UBE...
Nie musisz na razie robić nowej płytki. Na razie wystarczy wrócić do schematu 1 i doczepić pajączka. Potem pokorygować oporniki, bo komu by się chciało je liczyć i po co, skoro ma multimetr, a nic mu się nie fajczy. Najwyżej chyba dla sportu albo do szkoły...
Płytki porobisz dopiero na koniec, jak już wszystko będzie cacy, jak zacznie śledzić linię.

Ale układ ten objęty jest globalną pętlą sprzężenia zwrotnego. Dlatego układ ma prawo działać poprawnie. Zresztą podobna sytuacja jest we wzmacniaczach audio. A dolny WO procuje bez lokalnej pętli sprzężenia zwrotnego.
Tu ma kolego inny praktyczny przykład, zresztą bardzo podobny i nic się nie wzbudza.
http://www.youtube.com/watch?v=8-qar5vgnbc&feature=player_embedded#! (od 12min)

Zresztą ja też na szybko zbudowałem ten układ z trochę innymi elementami.
I układ ładnie się wzbudzał

Jest to napięcie wyjściowe wzmacniacza różnicowego. U mnie LM358 i zasilanie 12V.

Po dodaniu elementów "zwalniających" dolny wzmacniacz 22K i 1nF układ dział bez żadnych wzbudzeń.


U mnie zastosowałem R31 = 10Ω i wzmocnienie razy 10.
Gdzie ten oscylogram pokazuje napięcie na rezystorze R31 dla 1.89V na wejściu.

Atak naprawdę to dla 2V na wejściu mamy 0.195V na R31 pomiary za pomocą Fluke 87.

Coś mi może umyka...

Quote:

Zresztą podobna sytuacja jest we wzmacniaczach audio.

Bo tam właśnie o to z grubsza chodzi, a tutaj podobno nie.

Quote:

... I układ ładnie się wzbudzał. Jest to napięcie wyjściowe wzmacniacza różnicowego. U mnie LM358 i zasilanie 12V.

Jak to nie, przecież się 'wzbudza'. Dlaczego ono nie jest stałe, tylko ma 35kHz i aż 2V z hakiem amplitudy? Powinno stać jak drut i przy 100V zasilania (hipotetycznych 100V-tach).
Przepraszam. 'I układ ładnie się wzbudzał' odczytałem 'I układ się nie wzbudzał'.

Quote:

Ale układ ten objęty jest globalną pętlą sprzężenia zwrotnego.

Wewnątrz której, zgodnie z życzeniem/nakazem Miszle, a potem Waszym, sobie oscyluje. I to najwyraźniej w sposób niekontrolowany, a na pewno nie przez Was.

Przepraszam że się tak znęcam, ale chcę, żeby to zapamiętać chociaż na trochę. Sprawę kluczową, o której bardzo łatwo się zapomina.
Jeśli Autor zechce, spróbuję mówić jeszcze bardziej wprost.

Dane z książki - "The LinCMOS Design Manual " 1985 r TI by David P.E.Dalee.
Załaczam obrazki:

Układ oscyluje bo ma za duże wzmocnienie i za szerokie pasmo.
Symulacja pokazuje że obniżenie pasma dolnego WO do 10Khz likwiduje wzbudzenie.
Zresztą można zadać to samo pytanie. Czemu układ nie oscyluje po dodaniu kondensatora? Wszak kondensator ten nie ma żadnego wpływu na właściwości stałoprądowe tego układu. Wpływ tylko na wzmocnie dla składowej zmiennej. Zresztą we wzmacniaczach audio w tym samym miejscu stosuje się ten kondensator.

Jony, można go trzymać kondensatorem, ale lepiej wielkim i do masy. Tylko wtedy będzie ciągnął kupę prądu, a ruszał się jak mucha w smole. Tylko spojrzysz, a układ już 'odjedzie', żeby 'wrócić po godzinie'. Albo i nie wrócić.
A Twój kondensator... Moim zdaniem teraz to go tylko jeszcze bardziej ogłupia. A sensu opornika nie dostrzegam wcale. A ściślej - niby jakąś już dostrzegam, ale nie z kondensatorem. Reasumując, uwzględniwszy całokształt tej głupoty - jednak 'nie dostrzegam'.
Sytuacja zaczyna wyglądać jakoś tak, że my analizujemy układ X, a rozmawiamy o układzie Y. A właściwie A i Ź.

czarutek wrote:

A Twój kondensator... Moim zdaniem teraz to go tylko jeszcze bardziej ogłupia. A sensu opornika nie dostrzegam wcale.

Rezystor + kondensator w pętli WO tworzą integrator.
I dzięki temu wzmocnienie dolnego WO jest równe 1 od częstotliwości równej.
F = 0.16/(RC) = 0.16/(22K*1nF) = 7.2KHz
Ale skoro ty tego nie widzisz, to ja tu nie mam co z tobą o tym dyskutować.
Ty mnie nie przekonasz do swoich racji, jak i ja ciebie nie przekonam do moich.

To nie nasz temat, nie ma się co ciskać, nerw szkoda... Uśmiechnij się czasem... To w końcu forum i zabawa...
Po co tu całkować sygnał, który z założeń powinien być stały? Żeby liczyć pole pod krzywą (prostą poziomą)? Po co nam ono? A jeśli nawet potrzebne, to nie wiemy ile w danej chwili wynosi?
Zamiast atakować zjawisko, trzeba dostrzec jego przyczynę. Atakować będziemy dopiero wtedy, gdy wszystkie przyczyny usuniemy bezskutecznie.

Quote:

Można zmniejszać wzmocnienie dolnego WO, ale to nie jest najlepszy sposób.

To sposób najlepszy i podstawowy. Ono nie może być kosmiczne. To nie może być odwracający komparator "stricte", tylko drugi, trym razem odwracający, wzmacniacz różnicowy.
Mało tego. Pierwszy wzmacniacz, Miszle zrobił prostym, co teraz jest wyjątkowo korzystne. Dzięki temu, możemy teraz bardzo łatwo przesuwać w górę / w dół nasz obszar regulacji tranzystora. A szerokość tego obszaru ustala nam wzmocnienie opampa górnego oraz (będzie) dolnego. I to właściwie bezkarnie - jedno korygując, nawet nie tykać drugiego. Korygując obszar, nawet nie tknąć dolnego poziomu ustawionego przesunięciem. A tym bardziej odwrotnie...
Reasumując, schemat 1, po usunięciu pomyłki merytorycznej, stunowaniu oporników pod wymagany obszar oraz dołożeniu banalnej 'przesuwaczki' przy wzmacniaczu dolnym, jest dla potrzeb Miszle, 'układem sterowania idealnym prawie_idealnym'.