Amplifique um pulso de onda quadrada para conduzir uma carga PWM de 30-60 V 100 Ohm

Aug 19 2020

Carga:

  • R em torno de 100 ohms.
  • Opera com PWM.
  • Possui resposta IV média linear com pulso quadrado de até 10KHz.
  • A tensão máxima absoluta é 60V.
  • A corrente média máxima absoluta é V * duty% / R <100mA.
  • Média de potência máxima absoluta 0,85W.

Requisito de operação:

  • Faixa de tensão upstream: 0-60 V. (pode ser fornecido pela PSU upstream no modo CC / CV)
  • Faixa de frequência: 0,5 - 4 kHz.
  • Faixa do ciclo de trabalho: 0% -95%.
  • Pode aceitar gatilho (4 kHz).
  • Pode dividir o gatilho (f / 2, f / 4, etc.)
  • Atraso de disparo ajustável.
  • Limpe a forma de onda.
  • O menor tempo de subida e descida possível.

Não tenho conhecimento de nenhum equipamento que atenda a todos esses requisitos. A maioria dos geradores de função pode atingir apenas +/- 10 V. A maioria das fontes de alimentação de bancada fornece apenas CC no modo CV / CC.

Dispositivos de E / S digitais (Arduino, etc.) com clock mais rápido podem atender a todos, exceto para o requisito de tensão. Talvez haja algum tipo de amplificador que pode trazer a tensão para 60 V, mas os módulos de reforço DC-DC só funcionam com entrada / saída DC.

Respostas

6 jonk Aug 19 2020 at 08:18

Primeiro corte - com acelerações incluídas

Esta é uma versão de um circuito simples para acionar uma saída de tensão mais alta de um pino de E / S MCU simples:

simular este circuito - Esquema criado usando CircuitLab

O problema com o circuito acima é que a única proteção contra curto-circuito que possui é baseada na corrente fornecida na base de qualquer um dos \$Q_1\$ou \$Q_2\$. Embora pareça, a princípio, limitar a saída em uma situação de curto-circuito, o problema mais importante é que os BJTs de saída provavelmente irão queimar (dissipar demais) quando confrontados com um evento de curto-circuito. Os BJTs também têm o problema de esquentar um pouco e fornecer ainda mais corrente de saída. E os BJTs variam, de qualquer maneira, de um para o outro. Portanto, nada é realmente certo, mesmo se você pudesse lidar com a dissipação.

Portanto, o circuito acima não é tão seguro contra eventos acidentais.

Segundo corte - foldback de corrente para proteger os transistores do driver

Um esquema atual de foldback é provavelmente importante para ajudar a limitar a dissipação. Isso não apenas limita a corrente, mas também retarda a corrente no caso de um curto-circuito, de modo a proteger os BJTs de saída e manter sua dissipação em um nível relativamente seguro.

Em geral, a ideia básica é assim:

simule este circuito

A única adição é uma topologia de retrocesso para cada um dos dois BJTs de saída. Sim, é um pouco mais complicado. Mas também vale a pena fazer.

O circuito acima atingirá o máximo em cerca de \$50\:\text{mA}\$antes de começar a dobrar, com força. É quando a tensão cai entre os dois \$12\:\Omega\$resistores ultrapassam cerca de \$600\:\text{mV}\$. Quando isso ocorre, ele rapidamente muda seu comportamento e a corrente de carga é forçada a prosseguir através do \$120\:\text{k}\Omega\$resistores, o que limitará a corrente de curto-circuito em cerca de \$500\:\mu\text{A}\$.

Aqui está uma simulação da saída usando vários ciclos de trabalho e em sua taxa de frequência máxima de \$4\:\text{kHz}\$no esquema acima que inclui a limitação de corrente e está conduzindo uma carga pedindo \$\approx 55\:\text{mA}\$ (o máximo absoluto antes de começar a dobrar, rapidamente):

(Se a carga pedir \$60\:\text{mA}\$as linhas planas do circuito acima imediatamente e fornece cerca de \$500\:\text{mV}\$para o \$1\:\text{k}\Omega\$carregar [novamente, demonstrando a corrente máxima de \$500\:\mu\text{A}\$ limite atual.])

Uma pequena degeneração do emissor pode ser adicionada a \$Q_4\$e \$Q_5\$. Isso seria da ordem de \$\frac{100\:\text{mV}\cdot R_4}{V_\text{CC}-V_\text{BE}}\$. No circuito acima, talvez \$47\:\Omega\$. Provavelmente não é necessário. Mas daria um pouco mais de consistência, um circuito a outro e uma temperatura operacional a outra.

Resumo

Nada disso é um sistema completo. Realmente parece que você tem o orçamento (de seus comentários) para uma unidade comercial, se houver uma para atender às suas necessidades. Também pode valer a pena para um bom aquarista criá-lo e testá-lo para você, antes da entrega. (Provavelmente não conseguirá isso com um design totalmente personalizado de um designer profissional - pelo menos não nos Estados Unidos, onde a mão de obra qualificada não é barata.)

Eu sou apenas um amador, e esta é provavelmente a abordagem que eu usaria. É barato, facilmente remendado e me permite gastar US $ 1.000 em uma ferramenta sofisticada (brinquedo) que eu poderia usar melhor do que desperdiçar o dinheiro aqui.

A propósito, se você construir dois dos circuitos acima, terá duas "h-bridges" e poderá criar uma saída em ponte que pode reverter a tensão aplicada à sua carga (suspensa entre as duas saídas). Apenas algo para pensar sobre.

O que traz um último ponto. Se você quiser comprar algo, procure CIs de ponte h que possam suportar a tensão desejada. (O UC2950T é o tipo de coisa em que estou pensando, exceto que não pode lidar com os requisitos de tensão que você tem.)