È necessario un aiuto per l'ottimizzazione del semplice circuito di limitazione della corrente

Ho sperimentato la simulazione di circuiti limitatori di corrente. Sto cercando di limitare la corrente a ~ 500 mA, dato una fonte fissa da 4,8 V. Ho iniziato a utilizzare un circuito come quello trovato in questa pagina di Wikipedia ...

Ho fatto una simulazione di questo circuito usando CircuitLab. Mostro i risultati di seguito. Il circuito a sinistra utilizza un semplice resistore in serie per limitare la corrente mentre il circuito a destra si basa sul circuito di Wikipedia. Ho modificato i valori di R_bias e R_load su valori di resistenza comuni che impediscono di estrarre più di 480 mA dalla sorgente quando il carico è 0 Ohm. Ho anche impostato hFE dei transistor su 65 per abbinare alcune misurazioni del multimetro che ho fatto di alcuni transistor di potenza che devo gestire. I valori adiacenti agli amperometri sono i valori simulati.

Se ora eseguo un carico di 10 Ohm, diventa chiaro perché un circuito limitatore di corrente è superiore a un resistore in serie. Il circuito limitatore di corrente abbassa la sua resistenza effettiva, consentendo una corrente maggiore rispetto a quando si utilizza un resistore in serie. .

Tuttavia, in questo caso l'attuale circuito di limitazione fornisce ancora una certa resistenza in serie. Un limitatore di corrente ideale non avrebbe alcuna resistenza fino a quando il carico non tentasse di assorbire più corrente del limite. C'è un modo per sintonizzare R_bias e R_load per raggiungere questo obiettivo e / o ci sono modifiche al circuito che possono aiutare a raggiungere questo obiettivo?

Il circuito mostrato funzionerà, ma il transistor e Rsense creano una caduta di tensione che deve essere presa in considerazione.
Quello che stai vedendo è l'effetto di questo:

A 480 mA la caduta di tensione attraverso la resistenza da 10 Ω sarebbe di 4,8 V, il che non lascia spazio alla tensione di saturazione del transistor o alla caduta di tensione Rsense.
Quindi la corrente sarà (Vsupply - Qsat - Vrsense) / Rload. Per risolvere questo problema, aumentare l'alimentazione di un paio di volt e provare di nuovo i test 0Ω e 10Ω. Inoltre, abbassare considerevolmente Rdefend (<10Ω)
Si spera che non si veda (quasi) alcuna differenza.

Per risultati migliori, più guadagno hai, meglio è. Un'altra cosa da notare è (come menziona Dave nella sua risposta) che Rbias deve avere un limite superiore rispetto all'impostazione di Rsense, altrimenti dominerà. Se il transistor ha un guadagno di 65 e si desidera che Rsense sia impostato su 500mA, allora Rbias deve essere impostato per consentire più di 500mA. A 500 Ω, imposterà il limite assoluto a 65 * ((5 V - 1,4 V) / 500 Ω) = 468 mA, quindi anche se Rsense fosse impostato per 500 mA non lo otterrai. Per evitare questo set Rbias per es. 250Ω, o come menzionato sotto usa un MOSFET per Q1 e quindi il valore non è così importante (10kΩ lo farà)

Un'altra opzione è quella di utilizzare un circuito di corrente costante opamp comune:

Simulazione con un'alimentazione di 4,8 V, corrente limitata a 500 mA, carico spostato da 1 mΩ a 50 Ω e corrente attraverso di essa tracciata rispetto a questa (la corrente della nota rimane piatta a 500 mA mentre è limitata):

Ciò soddisfa i requisiti di un solido limite di 500 mA a 4,8 V di alimentazione ed è facilmente regolabile variando il non-inversione opamp tramite il divisore di tensione R2 / R3 in ingresso. La formula è V (opamp +) / Rsense = I (Rload) Ad esempio, il riferimento 1V è diviso per 20 per fornire 50mV all'ingresso opamp +, quindi 50mV / 100mΩ = 500mA.
Un MOSFET viene utilizzato per evitare errori di corrente di base che complicano le cose (un MOSFET con Vth basso può essere utilizzato anche nel circuito a transistor originale per migliorare le cose)

Penso che ci sia un malinteso fondamentale qui. Non è Rbias che dovrebbe impostare il valore corrente limite, è la combinazione di Rsense e il calo Vbe di Q2.

Il tuo primo circuito ha due diversi effetti di limitazione della corrente: uno è la corrente attraverso Rbias moltiplicata per il guadagno (rapporto di trasferimento corrente) di Q1, e l'altro è Vbe di Q2 diviso per Rsense. Il primo dà il valore di 470 mA che vedi, ma questo è scarsamente controllato. Ciò che sta accadendo in questa modalità è che il circuito si sta comportando come una resistenza che ha il valore di Rbias / Hfe, o circa 7,8Ω in questo caso. La corrente varierà ancora con la tensione di alimentazione.

Il secondo meccanismo ti darebbe un valore di circa 600 mA (ovvero 0,6 V / 1Ω), con un "ginocchio" molto più definito: la resistenza effettiva della sorgente in questo caso è Rsense moltiplicata per i guadagni combinati di Q2 e Q1 , che è molto più vicino a una fonte di corrente ideale. Tuttavia, non stai arrivando al livello di corrente in cui questo meccanismo entrerebbe in azione.

Tu dici

"Un limitatore di corrente ideale non avrebbe alcuna resistenza fino a quando il carico non tentasse di assorbire più corrente del limite."

Un sensore di corrente ideale utilizza un amplificatore a guadagno infinito per misurare l'aumento di tensione in una resistenza zero Ohm.
Si avvicina il resistore zero ohm usando uno che è abbastanza basso da causare una caduta di tensione trascurabile.
"Il problema" è che il circuito di base è fondamentalmente difettoso. Non prova nemmeno a implementare un circuito ideale. Invece utilizza una caduta di tensione Vbe in quanto è necessaria la tensione di rilevamento. Questo pone un limite inferiore e scarso su Vsense.

Finché usi un calo di Vbe in Q2 o equivalente come soglia di rilevamento, non puoi avvicinarti a una soluzione ideale. Ciò che è richiesto è un "comparatore" che rilevi una tensione vicina a zero Volt, dove "vicino" dipende da ciò che desideri. Ad esempio, una caduta di 0,1 volt con un'alimentazione di 5 V = 2% può essere adeguata per la maggior parte degli scopi, ma è possibile costruire circuiti con Vsense = dire 0,01 Volt se lo si desidera.

La scelta semplice e ovvia è quella di utilizzare un comparatore IC o opamp MA è possibile costruire un comparatore adatto solo da transistor se lo si desidera. Utilizzare una "coppia a coda lunga" di PNP con il loro nodo comune riferito a V + o utilizzare transistor NPN con gli ingressi di tensione a ~ = 0 V che agiscono come la parte inferiore delle stringhe del divisore che trasferiscono le variazioni di tensione alle basi dei transistor che operano a una tensione più elevata.

Il circuito sotto è da qui che fornisce un accumulo da un transistor attraverso -

Se questo non ha senso, dai un'occhiata a
Wikipedia - amplificatore differenziale

e questo fornirà molti contatti

Ecco un IC con coppia longtailed PNP e NPN all'interno. Questo è fatto per operazioni a 100 di MHz (o più) ma mostra cosa può essere acquistato.

Molto tempo fa sembravano così :-):