Источник тока на INA169, проблемы с обратной связью Опции

[ivainc1789]

На рис. приведена схема источника тока на INA169. Пока обратная связь разомкнута, измерения тока шунта проходят нормально и все соответствует даташиту и реальным измерениям. Как только замыкаю цепь обратной связи - получаю генерацию на частоте примерно 66Hz. Есть мнение, что по цепи обратной связи не хватает быстродействия. Подскажите, возможно ли использование INA169 в петле авторегулирования в принципе? Или лучше применить другую элементную базу?

[тау]

У вас большое (слишком) усиление в открытой петле и полюс передаточной характеристики от С30 С31 с R нагрузки не дают спокойно жить.
Уменьшите усиление для начала. Vt6- Vt7 фтопку, Vt5 включите по схеме с Кv<1.
DA10 ни к чему - лишний.

Сообщение отредактировал тау - Oct 1 2009, 08:08

[Herz]

И добавьте резистор параллельно С21 - нехорошо, что ОС совсем разомкнута по постоянному току.

[ivainc1789]

1. Удалилил VT6, VT7, R31, R32. Точку соединения R28 и R29 соединил с затвором. Этого оказалось недостаточно, генерация осталась примерно такая же, но сильно зависела от R нагрузки. Все ли правильно проделано?
2. Решил далее "давить" коэфф. усиления. Параллельно C21 ставил резисторы от 100к вниз и только при 15к генерация стала прерываться, а менее 10к исчезла совсем. При уменьшении уставки по току генерация появилась вновь, поэтому этот резистор пришлось уменьшить до 4k7, чтобы схема стала устойчива окончательно в требуемом диапазоне токов. Все ли правильно?
Осциллограмма на выходе INA169 выродилась в постоянное напряжение равное REF1V5, что и требовалось.
Но остался вопрос на будущее - можно ли как-то заранее прикинуть требуемый коэфф усиления цепи обратной связи, не прибегая к сложным мат выкладкам? Моделирование в Микрокапе подтвердило работоспособность данной схемы, а на практике оказалось все иначе... Или программы моделирования не отслеживают такие процессы?

[Herz]

Вы на правильном пути. Но, чтобы разобраться окончательно, давайте поймём предназначение Вашей схемы. Что от чего должно зависеть и в какой степени.

[ivainc1789]

Вы на правильном пути. Но, чтобы разобраться окончательно, давайте поймём предназначение Вашей схемы. Что от чего должно зависеть и в какой степени.

Привожу более подробную схему, она сейчас смакетирована. Это часть лабораторного блока питания. Если с режимом стабилизации напряжения на выходе не было особых проблем, в режиме источника тока они последовали одна за другой. Задача ставилась в получении источника тока от нескольких миллиампер до 100-200mA или больших значений, если возможно, без усложнения схемы. Схема имеет следующие особенности:
1. Источник VCC25 программно управляется от ATmega32 в диапазоне 0...25V.
2. В качестве нагрузочного резистора RL для INA169 использую цифровой потенциометр на 256 позиций. Сейчас установлено 50к.
3. Диапазон common mode input voltage range у INA169 начинается от 2.7 вольт, что требует применения источника отрицательного напряжения. Например, если выход источника тока вообще замкнуть, это привело бы к неудаче, если INA169 питается от однополярного источника. Я не уверен, что изготовитель допускает работу ИС от двуполярного источника... Но на макете это работает...
4. Как возможно следует из даташита, INA169 не может измерить малые токи. Слишком большое смещение и ошибка на малых напряжениях шунта. Я рассматривал вопрос применения прецизионных операционных усилителей для моей задачи, но не рискнул пока идти по этому пути - там свои сложности.

Итак, проблемы:
1. Расчет цепи обратной связи. Режим источника тока с замкнутыми щупами на выходе невозможен, приводит к перегрузке и вылету самовосст предохранителя. Автогенерацию я победил, но обеспечить нормальную работу в диапазоне пока не смог.
2. Калибровку такой схемы и INA169 сделать пока затрудняюсь. Проблема в том, как посчитать ошибки в присутствии цифрового потенциометра, у которого допуск на номинал +-30%. Там как бы получается замкнутый круг, слишком много неизвестных.

[Herz]

Создать универсальный источник напряжения и тока вообще очень непросто. Ключевая, пожалуй, трудность здесь в том, что в различных режимах источник должен иметь различную нагрузочную характеристику. Источник напряжения должен иметь минимальное выходное сопротивление, источник тока - близкое к бесконечности. В пограничных режимах, в моментах смены режима стабилизации добиться устойчивости петли регулирования достаточно сложно. Работа Вашей схемы в режиме источника тока осложняется огромной ёмкостью выходного фильтра. С одной стороны, эта ёмкость не даёт стабилизатору тока "развить достаточного быстродействия", формируя, как уже говорил уважаемый тау, дополнительный полюс передаточной характеристики, с другой стороны - разряд этой ёмкости на нагрузку никак не контролируется схемой - и энергия, накопленная в ней, наверняка повредит нагрузку, ибо импульсный ток разряда ограничен лишь шунтом и сопротивлением самой нагрузки. Поэтому регулирующий элемент - полевик - следует перенести ближе к выходу, за ёмкости. Кроме того, выбор INA169 в качестве элемента цепи регулировки тока мне кажется не совсем удачным. И совсем неудачным способ задания тока. Если контроллер легко справляется с регулированием напряжения VCC25, то почему таким же образом не организовать регулировку тока вместо применения весьма грубого цифрового потенциометра?

[ivainc1789]

Поэтому регулирующий элемент - полевик - следует перенести ближе к выходу, за ёмкости.

Это в принципе равнозначно (?) удалению этих емкостей в данной схеме, так как источник VCC25 имеет 2000uF на выходе. Как-то я привык в прошлом к линейным стабилизаторам с большой емкостью на выходе, вот и решил "подстраховаться"...

Кроме того, выбор INA169 в качестве элемента цепи регулировки тока мне кажется не совсем удачным.

Возможно и так, я выбрал ее из-за выхода по току и желании изменять Ку в широком диапазоне возможных выходных токов. Сейчас я бы наверное использовал что-нить типа AD8551, причем именно на "высокой" стороне... Ведь такой вариант намного лучше, если требуется выдавать малые токи?

Если контроллер легко справляется с регулированием напряжения VCC25, то почему таким же образом не организовать регулировку тока вместо применения весьма грубого цифрового потенциометра?

А так и есть, сигнал REF1v5 - это ни что иное как выход DACа, управляемого AVR, но отказаться от цифр потенциометра все равно не удается, т. к. макс. напряжение Vina на малых токах стремится к нулю даже при максимальном усилении RL=100к, Ку=100. Выход здесь в возможности уменьшать опору вплоть до нуля, что и сделано. Но тогда задача в том, чтобы "побороть" большое напр смещения INA169 (1mV макс, 0,2mV тип) в режимах малого сигнала. К сожалению, сделать автоматическую калибровку в моей схеме представляется невозможным. Максимум, это измерить высокоточным авометром смещение и использовать как константу в программе... И вообще, при использовании подобных измерений нужно наверное весь аналог переводить на двуполярное питание.... Но это на будущее...
Действительно, универсальный источник тока/напряжения вряд ли получится, но хотелось бы все же попробовать получить на выходе 1mA +- 5%. Нереально?

[Herz]

Это в принципе равнозначно (?) удалению этих емкостей в данной схеме, так как источник VCC25 имеет 2000uF на выходе. Как-то я привык в прошлом к линейным стабилизаторам с большой емкостью на выходе, вот и решил "подстраховаться"...

Это потому, что Вы рассматрывали стабилизаторы напряжения. В этом режиме, кстати, я так понял - VT8 не участвует в регулировании, он просто полностью открыт? Тогда ёмкости Ваши никуда не денутся, просто к выходному сопротивлению источника добавится сопротивление открытого канала.

Действительно, универсальный источник тока/напряжения вряд ли получится, но хотелось бы все же попробовать получить на выходе 1mA +- 5%. Нереально?

Ну, считайте сами. При сопротивлении шунта в 0,3 Ом это 0,3мВ падения на нём против 0,2-1мВ напряжения смещения. А ведь у него есть ещё и дрейф... Так что придётся выбрать ИУ получше. Или хотя бы сопротивление шунта увеличить. Реле в Вашей схеме нельзя применить? Задача бы упростилась.

Сообщение отредактировал Herz - Oct 2 2009, 15:43

[ivainc1789]

Это потому, что Вы рассматрывали стабилизаторы напряжения. В этом режиме, кстати, я так понял - VT8 не участвует в регулировании, он просто полностью открыт? Тогда ёмкости Ваши никуда не денутся, просто к выходному сопротивлению источника добавится сопротивление открытого канала.

VT8 - регулирующий элемент для обоих режимов: источника тока и напряжения. Переключение режимов сделано с помощью регулирования опор, на схеме к нижнему VD1 подключен выход еще одного OPA340 канала стабилизатора напряжения, схема сравнения такая же как у DA7. Обратная связь заведена с делителя напряжения на выходе. Задрав опору можно откл канал, соотв шоттки закроется и не будет мешать др каналу работать...

Ну, считайте сами. При сопротивлении шунта в 0,3 Ом это 0,3мВ падения на нём против 0,2-1мВ напряжения смещения. А ведь у него есть ещё и дрейф... Так что придётся выбрать ИУ получше. Или хотя бы сопротивление шунта увеличить. Реле в Вашей схеме нельзя применить? Задача бы упростилась.

Это понятно по смещению. Более того, если пока забыть про смещение: при токе в шунте 1mA напряжение на выходе INA169 будет всего 30mV даже при Кina=100. Тогда усилитель DA7 с Ku~2 просто не вытянет такой слабый сигнал и VT8 не войдет в режим, останется закрыт. Отсюда можно извлечь условие на минимальное знач Кu=2500/30=83. То есть основное усиление нужно иметь не в INA169 а в DA7, потому что в нем проще организовать каскад с переменным коэфф усиления и эффективно управлять Ku всей петли во всем требуемом диапазоне выходных токов. Или я ошибаюсь?
То есть сейчас становится ясно, что самое главное высокоточно снять полезный сигнал с шунта, а усиление сделать в последующих каскадах и в требуемых величинах...
Реле можно применить, но придется делать навесом. Идею не совсем понял... Шунт увеличивать нежелательно, у блока питания нужно обеспечить выходной ток до 3A (в режиме ист напр с отсечкой по току) как рабочий режим. При таком токе я и так уже получаю на шунте 0.9V, что едва терпимо для INA169.

[Herz]

Я не совсем понял: если VCC25 - уже регулируемое контроллером напряжение, то для чего дополнительный регулирующий элемент?
Усиление каскада на DA7 легко можно поднять - я думаю, после перенесения полевика за электролиты проблема с устойчивостью упростится и колебаний не возникнет и на более высоком КУ. Возможно, придётся добавить ёмкость параллельно резистору ОС, увеличив интегрирующие свойства, но нежелательно... И ещё. Рассматривайте резистор на его входе, как нагрузку для INA169, помня про эквипотенциальность входов ОУ в линейном режиме. Рассчитать будет проще. Про реле я упоминал, чтобы Вы задумались о разбивке выходных параметров на диапазоны. К примеру, для режима источника тока (в коем и актуален шунт) его сопротивление глубоко до лампочки, лишь бы ограничения не нарушались...

[ivainc1789]

Я не совсем понял: если VCC25 - уже регулируемое контроллером напряжение, то для чего дополнительный регулирующий элемент?

Структура моего блока питания суть последовательное соединение модулей: источник 30V(3Amax) => понижающий импульсный преобразователь(TL494) => линейный регулятор напряжения/тока(VT8) => выход. На первый взгляд, линейный регулятор лишний, ведь источник тока и напряжения можно было организовать и на TL494, но управлять ключом имп стабилизатора напряжения при малых вых напряжениях затруднительно. А с линейником мне удалось обеспечить вых напряжения 100mV...25V с шагом 100mV довольно легко. Кроме того, спектр чистота выхода линейника не сравнится с выходом импульсника, что тоже плюс.
В режиме ист тока VCC25=25V всегда, а VT8 регулирующий элемент с приведенной выше эквивалентной схемой.
Сейчас я вынес электролиты на выход, за шунт. Теперь вроде бы они не должны ограничивать быстродействие петли, что и подтвердилось осциллограммами. Эти электролиты можно рассматривать как емкостную составл R нагрузки, которая есть у любого подключаемого устройства.

Усиление каскада на DA7 легко можно поднять - я думаю, после перенесения полевика за электролиты проблема с устойчивостью упростится и колебаний не возникнет и на более высоком КУ.

Действительно, теперь нет низкочастотной генерации, на выходе DA7 теперь высокочастотный пакет амплитудой около вольта с пост сост около 2 вольт. И пока это так, все работает нормально. Однако с увеличением Kda7 ампл пакета увеличивается и усилитель входит в насыщение по 0 и 5V что естественно нарушает процесс регулирования и ток выхода прыгает в некоторых пределах. Вообще невозможно пока поднять Кda7 больше 2. И при этом Kina=100 невозможно уменьшить, т. к. это приведет к меньшему усилению и без того слабого сигнала шунта. Сейчас выдать токи менее 50mA невозможно, т. к. малый Кda7=2 не может "разогнать" VT8, последний постоянно закрыт. Вообщем коэфф усиления в петле распределен неправильно и в данной схемной реализации скорректировать это пока не смог.

Возможно, придётся добавить ёмкость параллельно резистору ОС, увеличив интегрирующие свойства, но нежелательно...

Хм, надо щас попробовать ).

[Herz]

Кроме того, спектр чистота выхода линейника не сравнится с выходом импульсника, что тоже плюс.

Это так, но только когда сравниваются импульсный и релейный регулятор. Если же в одной схеме используются оба (как у Вас) и линейный стоит после импульсного, спектр выхода лучше практически не становится. То, что нельзя задавить фильтром, линейный также не способен задержать. Так что достаточно, пожалуй, было бы активного фильтра, включенного в общую ОС для компенсации падения на нём.

В режиме ист тока VCC25=25V всегда, а VT8 регулирующий элемент с приведенной выше эквивалентной схемой.
Сейчас я вынес электролиты на выход, за шунт. Теперь вроде бы они не должны ограничивать быстродействие петли, что и подтвердилось осциллограммами. Эти электролиты можно рассматривать как емкостную составл R нагрузки, которая есть у любого подключаемого устройства.

Ну, не у любого... Я всё же считаю, что правильнее перенести их назад, до полевика. Ведь они снижают выходное сопротивление схемы в режиме источника тока и реально опасны для нагрузки, чувствительной к импульсным токам. А в режиме источника напряжения, раз они есть у любого подключаемого устройства, то и тоже ни к чему в БП.

[dimka76]

Привожу более подробную схему, она сейчас смакетирована. Это часть лабораторного блока питания. Если с режимом стабилизации напряжения на выходе не было особых проблем, в режиме источника тока они последовали одна за другой. Задача ставилась в получении источника тока от нескольких миллиампер до 100-200mA или больших значений, если возможно, без усложнения схемы.

Коэффициент усиления по постоянному току при разомкнутой цепи обратной связи должен быть бесконечность!!!
В пропорциональном регуляторе (во что вы превратили свою схему) ошибка установки = ((Uвых/К) - Uоп)/коэф.усил.регулятора.
Следовательно чем больше коэффициент усиления регуляторы, тем меньше ошибка.
С другой стороны в П-регуляторе коэффициент усиления по постоянке равен коэффициенту усиления по переменке, следовательно возникает автогенерация.
Для ее устранения надо снизить коэффициент усиления по переменке. При этом снизится быстродействие. Например у лабораторного источника питания MASTECH HY3003F-2 постоянная времени по цепи стабилизации тока составляет примерно 10 mS.
Следовательно перейти к интегральному регулятору (И-регулятору). У него как раз коэффициент усиления по постоянке бесконечность, а коэффициент усиления по переменке частотнозависимый и регулируемый вами.
И для интегрального регулятора ВСЯ ИНЕРЦИОННОСТЬ ДОЛЖНА БЫТЬ СОСРЕДОТОЧЕНА В ОДНОМ МЕСТЕ. В вашем случае это место С21.
Рекомендации такие снизить емкости С30 и С31 и в последуюшем в подключаемом приборе на входе не должно быть больших емкостей.
Выкинуть R31 и конденсатором C21 добиваться отсутствия возбуждения.
Параллельно R28 поставьте стабилитрон для защиты затвора от перенапряжения. R29 можно вообще 10 Ом поставить.

В идеале лучше применить ПИД-регулятор, но это сложнее.

Все позиционные обозначения по второй схеме.

[Herz]

Коэффициент усиления по постоянному току при разомкнутой цепи обратной связи должен быть бесконечность!!!

Да-да! И все применяемые компоненты должны быть идеальными!!!

С другой стороны в П-регуляторе коэффициент усиления по постоянке равен коэффициенту усиления по переменке, следовательно возникает автогенерация.

Это новое слово в теории устойчивости.

И для интегрального регулятора ВСЯ ИНЕРЦИОННОСТЬ ДОЛЖНА БЫТЬ СОСРЕДОТОЧЕНА В ОДНОМ МЕСТЕ.

Откуда такая категоричность в суждениях?