Цепь лома вызывает неожиданное поведение для цепи операционного усилителя

Я использую операционный усилитель для усиления входного сигнала от микроконтроллера, который в целом работает нормально.

Для защиты от перенапряжения я добавил схему лома, взятую непосредственно из рисунка 32, страница 27 спецификации TL431, и это добавило нежелательное поведение в схему, которую я не совсем понимаю.

При срабатывании TL431 при напряжении 2,5 В и делителе напряжения / лом должен срабатывать при выходном напряжении операционного усилителя 4,8 В и перегорать предохранителем. Но что я вижу, так это то, что как только выходное напряжение достигает 3 В, выходное напряжение падает до 0,75 В и остается на этом уровне, пока входное напряжение не упадет достаточно далеко, чтобы выходное напряжение было ниже 0,75 В при нормальной работе. После этого он снова работает, как и ожидалось, до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение 3 В или более. $R_3$ $R_4$

В этом обсуждении этой ломовой схемы я обнаружил , что расположение и размер конденсатора, как показано в технических данных, могут быть не идеальными. Может ли это как-то вызвать мою проблему? Если нет, то что еще может быть ответственным за это поведение?

РЕДАКТИРОВАТЬ: Для правильного контекста для добавленного лом, я регулирую мощность лазера с выходом операционного усилителя. Я должен убедиться, что лазер не включен постоянно из-за короткого замыкания на выходе до 5 В, который используется как + Vcc для операционного усилителя и для других частей на плате. Поскольку мне не нужно выходное напряжение более 4,2 В и не должно быть больше, чем во время обычной работы, предохранитель с ломом был лучшим, что я мог придумать, чтобы защитить от этого случая.

Листки:

Предохранитель: https://www.mouser.de/datasheet/2/358/typ_MGA-A-1388649.pdf

Операционный усилитель: https://www.mouser.de/datasheet/2/609/AD8605_8606_8608-877839.pdf

Triac: http://www.ween-semi.com/sites/default/files/2018-11/BT137S-600D.pdf

схематический

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Обновление: полное удаление С1 не устраняет описанное поведение, но увеличивает напряжение, при котором оно происходит, до 3,3 В

— Глаз Гора
источник

Пожалуйста, предоставьте ссылки на технические описания производителей для операционного усилителя, предохранителя и симистора. Похоже, ваш операционный усилитель не подает достаточный ток, чтобы перегореть предохранитель.

— Эллиот Олдерсон

Я добавил таблицы. Даже если ток слишком низкий, чтобы перегореть предохранитель, это не объясняет, почему что-то происходит при 3 В, а не 4,8 В, или так?

— Глаз Гора

Измерьте напряжение на выводе TL431 REF (относительно земли), когда на выходе операционного усилителя чуть меньше 3 В (до появления цепи срабатывания).

— Спехро Пефхани

Я попытался бы удалить триак, чтобы увидеть, работает ли один TL431 должным образом.

— Эллиот Олдерсон

почему ты хочешь сделать это? Разве простого последовательного резистора недостаточно для защиты операционного усилителя и микроконтроллера, возможно, с внешними зажимными диодами (возможно, также с стабилитроном)? Предохранители не перегорели, и вы все еще можете обнаружить это состояние перенапряжения в прошивке. Однако это может представлять некоторые проблемы при прямом подключении к АЦП; но это легко преодолеть с помощью дополнительного конденсатора на выводе АЦП или буфера.

— Ричард Космический Кот

Ответы:

В схеме, как вы показываете, вам не требуется C1.
Как указывалось в предыдущем обсуждении, конденсатор может включать симистор при внезапном повышении выходной мощности усилителя.

TL431 не очень подходит для того, что вы пытаетесь сделать, так как для его задания требуется минимальный Ik (0,4 мА). Странная проводимость, которую вы видите, по всей вероятности, вызвана воздействием внутреннего эталонного генератора.

Однако, если вы хотите перегореть предохранитель (и, как уже указывалось, выбранный вами предохранитель не подходит), я бы посоветовал следующее изменение может решить ваши проблемы:

схематический

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

R3 гарантирует, что внутренняя ссылка TL431 всегда адекватно обслуживается и не зависит от уровня сигнала.
М2 замыкает выход операционного усилителя ... но здесь все туманно. Операционный усилитель способен только на 80 мА, поэтому я предполагаю, что вы пытаетесь перегореть предохранитель, когда операционный усилитель мертв (и ток не контролируется).
Однако, если операционный усилитель в порядке, а сигнал слишком высокий, то эта схема без проблем зажмет выход, затопив 80 мА. Взрывать предохранитель - тяжелая работа.

Обновление: Какова причина, по которой вы хотите ограничить выходное колебание до 4,8 В, когда работа по железной дороге ограничивает его до 5 В? Объясните свои потребности более полно для лучшей надежды на жизнеспособный ответ.

Если посмотреть на проблему с точки зрения чистого операционного усилителя, ваша спецификация выглядит следующим образом:

Выход операционного усилителя НИКОГДА не должен превышать 4,8 В при напряжении 5 В
Вход должен быть с высоким сопротивлением
Операционный усилитель не сломан (поэтому ограничения выходного тока работают)
Зажмите вход, а не выход

Это может быть жизнеспособным подходом для простого зажима входного сигнала:

схематический

^{смоделировать эту схему}

TLV3011 обеспечивает очень точное опорное напряжение и R4 / 5/6 обеспечивает регулировку порога для выходного сигнала.

— Джек Криси
источник

Вы правы, я не объяснил вариант использования должным образом. Я должен убедиться, что устройство, которое регулируется выходом операционного усилителя, включается только при наличии правильного входного сигнала. Мне было специально сказано рассмотреть случай короткого замыкания между 5 В + Vcc и выходом операционного усилителя. Поскольку мне нужно самое большее выходное напряжение 4,2 В и я могу соответствующим образом регулировать входной сигнал, этот лом был лучшим, что я мог придумать, чтобы быть в безопасности в этом сценарии. Я не заметил, что номинал тока плавкого предохранителя слишком высок для выхода операционного усилителя, но, возможно, он служит своей цели в случае ошибки.

— Глаз Гора

@EyeofHorus Тогда первая схема с устройством FET будет работать как с ошибкой, так и с коротким замыканием. Вам просто нужно выбрать подходящий предохранитель. Вы можете посмотреть ее: datasheets.avx.com/AccuGuardLC_0402.pdf… .a номинал предохранителя 37,5 мА будет казаться подходящим для этого приложения. Перегорание плавкого предохранителя - это очень радикальное действие, но вам лучше создать ограниченный по току источник питания 5 В и просто замкнуть выход операционного усилителя. Дайте мне знать, если вы хотите изучить это.

— Джек Криси

Я смоделировал вашу первую схему с помощью LTSpice, и она работает нормально, если я просто увеличиваю сигнал с 0 В до 5 В, но если я добавляю свой операционный усилитель с резисторами обратной связи, выходной сигнал никогда не поднимается выше 4,7 В, независимо от того, насколько высок вход , Значение TL431 всегда немного ниже 2,5 В, поэтому усилители не срабатывают. Мне не обязательно перегорать, чтобы облегчить конструкцию. У меня есть питание 5 В, которое я не могу изменить в настоящее время. Если это не проблема, я был бы рад услышать ваше другое предложение.

— Глаз Гора

Операционный усилитель не обеспечивает достаточный ток, чтобы перегореть предохранитель. Предохранитель рассчитан на 200 мА (для предохранителя с наименьшим номинальным током в семействе), операционный усилитель может подавать только 80 мА (при напряжении 5 В при 2,7 В это всего 30 мА) или меньше половины тока, чтобы перегореть предохранитель.

Предположим, что заземление было подключено к другому концу предохранителя, вместо цепи лома, через предохранитель протекала бы только 80 мА, и она все равно не взорвалась бы, даже если бы вы подняли напряжение так высоко, как на выходе AD8605 учесть его рейтинг (6В).

Цепи лома предназначены для цепей напряжения, которые имеют низкое сопротивление источника / большие токи, такие как источник питания.

РЕДАКТИРОВАТЬ:

Есть несколько вариантов, одним из способов будет ограничение выходного сигнала усилителя путем изменения Vcc операционного усилителя до 3,4 В.

Другой метод заключается в использовании стабилитрона на входе, однако это приведет к потере некоторой линейности и импеданса нагрузки, как видно из Vin. Резистор может быть повышен до более высокого значения, но он также изменит наклон ограничивающей кривой и сделает верхний диапазон кривой Vin / Vout, где диодные зажимы неточным / менее линейным. Это не очень хороший вариант, я предпочитаю ограничивать выход или ограничивать Vcc (что, вероятно, будет самым простым и только добавит регулятор в цепь).

Последний вариант будет использовать последовательный резистор и диоды на выходе, также с некоторыми потерями из-за последовательного резистора и тока утечки от диода.

ДРУГОЕ РЕДАКТИРОВАНИЕ:

Если вам нужно ограничение тока, существует множество схем, которые могут выполнить эту задачу. (Есть также много IC, подходящих для этой задачи). Большинство из них включают в себя обнаружение тока с помощью токового усилителя, как показано ниже (усилитель IC1 переключает оптопару, которая, в свою очередь, переключает переключатель на стороне высокого уровня pmos):

Источник: https://www.electronicdesign.com/power/current-limiter-offers-circuit-protection-low-voltage-drop

ИЛИ много схем, которые перечислены здесь

— Скачок напряжения
источник

@JackCreasey Мне пришлось несколько раз прочитать ваш комментарий и посмотреть на схему, потому что я думаю, что вы имеете в виду, что схема в ответе верна, но она переворачивается. При изменении в неинвертирующую конфигурацию (которая нужна ОП) она больше не будет работать. Поскольку вход -ve в данной схеме является виртуальным заземлением, но в случае неинвертирующего усилителя -ve будет следовать за Vin. Просто проясняю для любых других людей, которые также могут быть сбиты с толку ...

— MartinF

Нет, это не будет работать, не с односторонней. Я отредактирую свой ответ и посмотрю, смогу ли я найти лучший вариант. Лучшая вещь, вероятно, была бы схемой ограничителя входа

— Напряжения

@MartinF Ответ верен ТОЛЬКО для операционного усилителя с двумя источниками питания (это классическая конфигурация для ограничения выходного сигнала). Не то, что имеет ОП, поэтому ответ неверен и не будет работать в зависимости от вопроса. TL431 - также неправильный тип устройства, чтобы попытаться достичь цели OPs.

— Джек Криси

Я думаю: в неинвертирующем конфиге, если Vin = 1.62V, Vout = 4.8V. 4,8 В - 1,62 В = 3,18 В по обратной связи. Разве это не будет работать с стабилитроном 3,1 В?

— MartinF

@JackCreasey Ах, спасибо! Я действительно не рассматривал источник питания - используемый Opamp имеет одно напряжение питания макс. 5.5V. Хорошая мысль!

— MartinF

Я нашел оригинальную причину неожиданного поведения TL431.

Оказалось, что у библиотеки Eagle, которую я использовал, был пакет SOT23 для TL432 под TL431. Поскольку оба переключили катодный и эталонный контакты, моя схема не работала должным образом с TL431.

У оригинальной схемы все еще были некоторые нестабильности, поэтому я принял ответ Джека Криси, поскольку его альтернативная схема работает очень хорошо.

— Глаз Гора
источник