Нужна помощь в оптимизации простой схемы ограничения тока

Я экспериментировал с моделированием токовых цепей ограничения. Я пытаюсь ограничить ток до ~ 500 мА при фиксированном источнике 4,8 В. Я начал использовать схему, подобную той, что была найдена на этой странице википедии ...

Я сделал симуляцию этой схемы, используя CircuitLab. Я показываю результаты ниже. Схема слева использует простой последовательный резистор для ограничения тока, тогда как схема справа основана на схеме Википедии. Я подстроил значения R_bias и R_load к значениям общего резистора, которые предотвращают поступление более 480 мА из источника при нагрузке 0 Ом. Я также установил hFE транзисторов на 65, чтобы соответствовать некоторым измерениям мультиметра, которые я сделал для некоторых силовых транзисторов, которые я должен передать. Значения рядом с амперметрами являются смоделированными.

Если я сейчас нагрузлю 10 Ом, станет понятно, почему схема ограничения тока превосходит последовательный резистор. Схема ограничения тока понижает свое эффективное сопротивление, пропуская больший ток, чем при использовании последовательного резистора. ,

Однако в этом случае схема ограничения тока все еще обеспечивает некоторое последовательное сопротивление. Идеальный ограничитель тока не будет иметь никакого сопротивления, пока нагрузка не будет пытаться потреблять больше тока, чем предел. Есть ли способ настроить R_bias и R_load, чтобы лучше достичь этого, и / или есть какие-то изменения схемы, которые могут помочь лучше достичь этого?

Показанная схема будет работать, но транзистор и Rsense создают падение напряжения, которое необходимо учитывать.
То, что вы видите, является следствием этого:

При 480 мА падение напряжения на резисторе 10 Ом составит 4,8 В, что не оставляет «места» для напряжения насыщения транзистора или падений напряжения Rsense.
Таким образом, ток будет (Vsupply - Qsat - Vrsense) / Rload. Чтобы это исправить, увеличьте напряжение питания на пару вольт и повторите тесты 0 и 10 Ом. Кроме того, значительно снизьте Rdefend (<10Ω). Надеемся,
вы увидите (почти) никакой разницы.

Для лучших результатов, чем больше вы получите, тем лучше. Еще одна вещь, на которую следует обратить внимание (как упоминает Дейв в своем ответе), что Rbias должен иметь более высокий предел, чем параметр Rsense, иначе он будет доминировать. Если транзистор имеет коэффициент усиления 65 и вы хотите, чтобы Rsense был установлен на 500 мА, тогда Rbias должен быть настроен на разрешение более 500 мА. При 500 Ом он установит абсолютный предел в 65 * ((5 В - 1,4 В) / 500 Ом) = 468 мА, поэтому даже если Rsense был установлен на 500 мА, вы не получите его. Чтобы избежать этого, установите Rbias, например, для 250 Ом или как указано ниже, используйте МОП-транзистор для Q1, и тогда значение не так важно (подойдет 10 кОм)

Другой вариант заключается в использовании общей цепи постоянного тока операционного усилителя:

Моделирование с напряжением питания 4,8 В, током ограниченным до 500 мА, нагрузкой переместился от 1 мОм до 50 Ом, и ток через него нанесен на график относительно этого (обратите внимание, что ток остается неизменным при 500 мА, хотя и ограничен):

Это соответствует вашим требованиям по ограничению в 500 мА при напряжении 4,8 В и легко регулируется путем изменения не инвертирования операционного усилителя через делитель входного напряжения R2 / R3. Формула V (операционные усилители +) / Rsense = I (Rload) Например, ссылка 1V делится на 20 , чтобы обеспечить 50mv на операционные усилители + вход, так что 50 мВ / 100 МОм = 500 мА.
МОП-транзистор используется, чтобы избежать ошибок тока базы, усложняющих ситуацию (МОП-транзистор с низким Vth также может использоваться в исходной транзисторной схеме для улучшения ситуации)

Я думаю, что здесь есть фундаментальное недоразумение. Не Rbias должен устанавливать предельное значение тока, это комбинация Rsense и снижения Vbe Q2.

Ваша первая цепь имеет два различных эффекта ограничения тока: один - это ток через Rbias, умноженный на коэффициент усиления (коэффициент передачи тока) Q1, а другой - Vbe Q2, деленный на Rsense. Первый дает значение 470 мА, которое вы видите, но это плохо контролируется. В этом режиме происходит то, что схема ведет себя как резистор, который имеет значение Rbias / Hfe, или около 7,8 Ом в этом случае. Ток все еще будет меняться в зависимости от напряжения питания.

Второй механизм даст вам значение около 600 мА (т. Е. 0,6 В / 1 Ом) с гораздо более четко определенным «коленом» - эффективное сопротивление источника в этом случае равно Rsense, умноженному на объединенные усиления Q2 и Q1. , что намного ближе к идеальному источнику тока. Тем не менее, вы не достигли уровня тока, на котором этот механизм заработал бы.

Ты говоришь

«Идеальный ограничитель тока не будет иметь никакого сопротивления, пока нагрузка не будет пытаться потреблять больше тока, чем предел».

Датчик идеального тока использует усилитель с бесконечным усилением для измерения повышения напряжения в резисторе с нулевым сопротивлением.
Вы приближаете нулевой резистор с помощью резистора, который достаточно мал, чтобы вызвать незначительное падение напряжения.
«Проблема» в том, что ваша принципиальная схема в корне ошибочна. Он даже не пытается реализовать идеальную схему. Вместо этого он использует падение напряжения Vbe, поскольку это необходимо для измерения напряжения. Это ставит Vsense более низкий и плохой лимит.

Пока вы используете падение Vbe во 2-м квартале или его эквивалент в качестве порога восприятия, вы не можете приблизиться к идеальному решению. Что требуется, так это «компаратор», который обнаруживает напряжение, близкое к нулю Вольт, где «близко» зависит от того, что вы хотите. Например, падение напряжения в 0,1 В при напряжении питания 5 В = 2% может быть достаточным для большинства целей, но вы можете построить цепи с Vsense =, скажем, 0,01 Вольт, если хотите.

Простой и очевидный выбор - использовать компаратор IC или операционный усилитель, НО, если хотите, вы можете создать подходящий компаратор из одних только транзисторов. Используйте либо «длиннохвостую пару» PNP с общим узлом, на который ссылается V +, либо используйте NPN-транзисторы с входами напряжения при ~ = 0 В, выступающими в качестве нижней части разделительных цепочек, которые передают изменения напряжения на транзисторные базы, работающие при некотором более высоком напряжении.

Схема ниже отсюда, которая обеспечивает наращивание от одного транзистора на сквозной -

Если это не имеет смысла, тогда посмотрите на
Википедию - дифференциальный усилитель

и это даст много потенциальных клиентов

Вот IC с PNP и длинношерстной парой NPN внутри. Это сделано для работы в 100 МГц (или более), но показывает, что можно купить.

Давно они выглядели так :-):