Se necesita ayuda para optimizar el circuito limitador de corriente simple

He estado experimentando con la simulación de circuitos limitadores de corriente. Estoy tratando de limitar la corriente a ~ 500mA dada una fuente fija de 4.8V. He comenzado a usar un circuito como el que se encuentra en esta página de Wikipedia ...

He hecho una simulación de este circuito usando CircuitLab. Muestro los resultados a continuación. El circuito de la izquierda utiliza una resistencia en serie simple para limitar la corriente, mientras que el circuito de la derecha se basa en el circuito de Wikipedia. He ajustado los valores de R_bias y R_load a valores de resistencia comunes que evitan que se extraigan más de 480 mA de la fuente cuando la carga es de 0 ohmios. También configuré hFE de los transistores a 65 para que coincida con algunas medidas del multímetro que hice con algunos transistores de potencia que tengo a mano. Los valores adyacentes a los amperímetros son los valores simulados.

Si ahora hago una carga de 10 ohmios, queda claro por qué un circuito limitador de corriente es superior a una resistencia en serie. El circuito limitador de corriente disminuye su resistencia efectiva, permitiendo más corriente que cuando se usa una resistencia en serie. .

Sin embargo, el circuito limitador de corriente todavía proporciona cierta resistencia en serie en este caso. Un limitador de corriente ideal no tendría resistencia en absoluto hasta que la carga intente extraer más corriente que el límite. ¿Hay alguna forma de sintonizar R_bias y R_load para lograr esto mejor, y / o hay ajustes de circuito que pueden ayudar a lograr esto mejor?

El circuito que se muestra funcionará, pero el transistor y Rsense crean una caída de voltaje que debe tenerse en cuenta.
Lo que estás viendo es el efecto de esto:

A 480 mA, la caída de voltaje a través de la resistencia de 10Ω sería de 4.8V, lo que no deja "espacio" para el voltaje de saturación del transistor o el voltaje Rsense cae.
Entonces la corriente será (Vsupply - Qsat - Vrsense) / Rload. Para solucionar esto, aumente el suministro un par de voltios e intente nuevamente las pruebas de 0Ω y 10Ω. Además, reduzca considerablemente el Rdefend (<10Ω). Esperemos
que no vea (casi) ninguna diferencia.

Para obtener mejores resultados, cuanto más ganancia tenga, mejor. Otra cosa a tener en cuenta es (como Dave menciona en su respuesta) que Rbias necesita tener un punto límite más alto que la configuración Rsense, de lo contrario dominará. Si el transistor tiene una ganancia de 65 y desea que Rsense esté configurado para 500 mA, entonces Rbias debe estar configurado para permitir más de 500 mA. A 500Ω, establecerá el límite absoluto en 65 * ((5V - 1.4V) / 500Ω) = 468mA, por lo que incluso si Rsense estuviera configurado para 500mA no lo obtendrá. Para evitar esto, configure Rbias para, por ejemplo, 250Ω, o como se menciona a continuación, use un MOSFET para Q1 y luego el valor no es tan importante (10kΩ lo hará)

Otra opción es utilizar un circuito de corriente constante opamp común:

Simulación con un suministro de 4.8V, corriente limitada a 500mA, Rload barrido de 1mΩ a 50Ω y corriente a través de él trazada en relación con esto (tenga en cuenta que la corriente se mantiene plana en 500mA mientras es limitada):

Esto cumple con sus requisitos de un límite sólido de 500 mA con un suministro de 4.8 V, y se puede ajustar fácilmente variando el opamp sin inversión a través del divisor de voltaje de entrada R2 / R3. La fórmula es V (opamp +) / Rsense = I (Rload) Por ejemplo, la referencia de 1V se divide por 20 para proporcionar 50mV en la entrada de opamp +, entonces 50mV / 100mΩ = 500mA.
Se utiliza un MOSFET para evitar errores de corriente de base que complican las cosas (un MOSFET con baja Vth también se puede utilizar en el circuito del transistor original para mejorar las cosas)

Creo que hay un malentendido fundamental aquí. No se supone que Rbias establezca el valor límite actual, es la combinación de Rsense y la caída de Vbe de Q2.

Su primer circuito tiene dos efectos diferentes de limitación de corriente: uno es la corriente a través de Rbias multiplicada por la ganancia (relación de transferencia de corriente) de Q1, y el otro es el Vbe de Q2 dividido por Rsense. El primero da el valor de 470 mA que ves, pero esto está mal controlado. Lo que sucede en este modo es que el circuito se comporta como una resistencia que tiene el valor de Rbias / Hfe, o aproximadamente 7.8Ω en este caso. La corriente todavía variará con el voltaje de suministro.

El segundo mecanismo le daría un valor de aproximadamente 600 mA (es decir, 0.6V / 1Ω), con una "rodilla" mucho más definida: la resistencia de la fuente efectiva en este caso es Rsense multiplicada por las ganancias combinadas de Q2 y Q1 , que está mucho más cerca de una fuente de corriente ideal. Sin embargo, no está llegando al nivel de corriente donde este mecanismo entraría en acción.

Tu dices

"Un limitador de corriente ideal no tendría resistencia hasta que la carga intente extraer más corriente que el límite".

Un sensor de corriente ideal utiliza un amplificador de ganancia infinita para medir el aumento de voltaje en una resistencia de cero ohmios.
Usted aproxima la resistencia de cero ohmios utilizando una que sea lo suficientemente baja como para causar una caída de voltaje insignificante.
"El problema" es que su circuito básico es fundamentalmente defectuoso. Ni siquiera INTENTA implementar un circuito simi ideal. En su lugar, utiliza una caída de voltaje Vbe, ya que es necesario detectar el voltaje. Esto pone un límite inferior y pobre en Vsense.

Mientras use una caída de Vbe en Q2 o equivalente como su umbral de detección, no podrá encontrar una solución ideal. Lo que se requiere es un "comparador" que detecte un voltaje cercano a cero voltios, donde el "cierre" depende de lo que desee. Es probable que una caída de 0.1 voltios con un suministro de 5V = 2% sea adecuada para la mayoría de los propósitos, pero puede construir circuitos con Vsense = digamos 0.01 voltios si lo desea.

La opción más fácil y obvia es usar un comparador IC u opamp PERO puede construir un comparador adecuado solo con transistores si lo desea. Use un "par de cola larga" de PNP con su nodo común referenciado a V + o use transistores NPN con las entradas de voltaje a ~ = 0V que actúan como la parte inferior de las cadenas del divisor que transfieren los cambios de voltaje a las bases del transistor que operan a un voltaje más alto.

El circuito a continuación es desde aquí que proporciona una acumulación desde un transistor hasta

Si eso no tiene sentido, eche un vistazo a
Wikipedia: amplificador diferencial

y esto proporcionará muchas pistas

Aquí hay un IC con un par de cola larga PNP y NPN dentro. Esto está hecho para operación de 100 de MHz (o más) pero muestra lo que se puede comprar.

Hace mucho tiempo se veían así :-):