El circuito de palanca genera un comportamiento inesperado para el circuito del amplificador operacional

Estoy usando un amplificador operacional para amplificar una señal de entrada de un microcontrolador, que en general funciona bien.

Para la protección contra sobretensión, agregué el circuito de palanca tomado directamente de la figura 32, página 27 de la hoja de datos TL431 y eso agregó un comportamiento indeseable al circuito que no entiendo.

Con el TL431 disparando a un voltaje de 2.5 V y el divisor de voltaje / la palanca debe dispararse a un voltaje de salida del amplificador operacional de 4.8 V y apagar el fusible. Pero lo que veo es que, tan pronto como el voltaje de salida alcanza 3 V, la salida cae a 0,75 V y permanece en ese nivel hasta que el voltaje de entrada cae lo suficiente, que la salida debería estar por debajo de 0,75 V en funcionamiento normal. Después de eso, funciona como se esperaba nuevamente, hasta que se alcanzan 3 V o más de salida. $R_3$ $R_4$

En esta discusión sobre este circuito de palanca descubrí que la ubicación y el tamaño del condensador tal como se muestra en la hoja de datos podría no ser ideal. ¿Podría eso de alguna manera causar mi problema? Si no, ¿qué más podría ser responsable de este comportamiento?

EDITAR: para un contexto adecuado para la palanca agregada, regulo la potencia de un láser con la salida del amplificador operacional. Tengo que asegurarme de que el láser no esté encendido permanentemente por un cortocircuito de la salida a los 5 V que se usa como + Vcc para el amplificador operacional y para otras partes de la PCB. Dado que no necesito más de 4.2V de salida y no debería obtener más de eso durante la operación normal, es mejor quemar un fusible con la palanca para proteger contra este caso.

Hojas de datos:

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

Amplificador operacional: 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

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Actualización: Eliminar C1 por completo no elimina el comportamiento descrito, pero aumenta el voltaje al que ocurre a 3.3V

— Ojo de Horus
fuente

Proporcione enlaces a las hojas de datos de los fabricantes para el amplificador operacional, el fusible y el triac. Parece que su amplificador operacional no está suministrando suficiente corriente para quemar el fusible.

— Elliot Alderson

Agregué las hojas de datos. Incluso si la corriente es demasiado baja para quemar el fusible, eso no explicaría por qué algo sucede a 3 V en lugar de 4.8 V, ¿o no?

— Eye of Horus

Mida el voltaje en el pin TL431 REF (relativo a tierra) cuando haya un poco menos de 3V en la salida del amplificador operacional (antes de que el circuito parezca dispararse).

— Spehro Pefhany

Intentaría eliminar el triac para ver si el TL431 solo funciona correctamente.

— Elliot Alderson

¿Por qué quieres hacer esto? ¿Una resistencia simple en serie no sería suficiente para proteger tanto el opamp como el MCU, tal vez con diodos de sujeción externos después (quizás también un zener)? No se deben fundir fusibles, y aún podría detectar esta condición de sobretensión en el firmware. Sin embargo, esto puede presentar algunos problemas cuando se conecta directamente al ADC; pero esos son fáciles de superar con un condensador adicional por el pin ADC o un búfer.

— Richard the Spacecat

Respuestas:

En el circuito, como lo muestra, no necesita C1.
Como se señaló en la discusión anterior, el condensador puede encender el Triac en aumentos repentinos en la salida opamp.

El TL431 no es realmente adecuado para lo que está tratando de hacer, ya que requiere un Ik mínimo para establecer la referencia (0.4mA). La extraña conducción que está viendo es muy probable debido al impacto del generador de referencia interno.

Sin embargo, suponiendo que quiera quemar un fusible (y como ya se señaló, el fusible que seleccionó no es adecuado), sugeriría que el siguiente cambio puede resolver sus problemas:

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

R3 asegura que la referencia interna TL431 siempre tenga un mantenimiento adecuado y no dependa del nivel de señal.
M2 acorta la salida del opamp ... pero aquí las cosas son confusas. El opamp solo es capaz de 80mA, por lo que supongo que está tratando de apagar el fusible cuando el opamp está muerto (y la corriente no está controlada).
Sin embargo, si el opamp está bien y la señal es demasiado alta, entonces este circuito sujetará la salida hundiendo el 80ma sin problemas. Quemar un fusible es un trabajo duro.

Actualización: ¿Cuál es la razón por la que desea limitar la oscilación de salida a 4.8V cuando la operación ferroviaria ya la limita a 5V? Explique sus necesidades de manera más completa para tener una mejor esperanza de una respuesta viable.

Mirando el problema desde una perspectiva puramente opaca, su especificación es la siguiente:

La salida de opamp NUNCA debe superar los 4.8V con un suministro de 5V
La entrada debe ser de alta impedancia
El opamp no está roto (por lo que los límites de corriente de salida funcionan)
Sujete la entrada en lugar de la salida

Este podría ser un enfoque viable para simplemente sujetar la señal de entrada:

esquemático

^{simular este circuito}

El TLV3011 proporciona un voltaje de referencia muy preciso y R4 / 5/6 proporciona un ajuste para el umbral de salida.

— Jack Creasey
fuente

Tienes razón, no expliqué el caso de uso correctamente. Tengo que asegurarme de que el dispositivo que se regula con la salida del amplificador operacional solo se enciende cuando hay la señal de entrada adecuada. Me dijeron específicamente que considerara el caso de un cortocircuito entre los 5 V + Vcc y la salida del amplificador operacional. Como necesito como máximo un voltaje de salida de 4.2V y puedo regular la señal de entrada en consecuencia, esta palanca fue lo mejor que pude encontrar para estar seguro en este escenario. No noté que la clasificación de corriente del fusible es demasiado alta para la salida del amplificador operacional, pero tal vez cumple su propósito en el caso de error.

— Eye of Horus

@EyeofHorus Entonces, el primer esquema con el dispositivo FET funcionará tanto en error como en corto para suministrar. Solo necesita seleccionar un fusible adecuado. Puede mirarla: datasheets.avx.com/AccuGuardLC_0402.pdf ... una clasificación de fusible de 37.5 mA parece apropiada para esta aplicación. Sin embargo, apagar un fusible es una acción muy drástica, sería mejor crear un suministro de corriente limitado de 5v y simplemente acortar la salida opamp. Avísame si quieres explorar eso.

— Jack Creasey

He simulado su primer esquema con LTSpice y funciona bien si solo rampa la señal de 0V a 5V, pero si agrego mi amplificador operacional con las resistencias de retroalimentación, la salida nunca supera los 4.7V, sin importar cuán alta sea la entrada . La referencia TL431 siempre está un poco por debajo de 2.5V, por lo que los mosfets no se disparan. No necesariamente tengo que quemar un fusible, si puedo hacer que el diseño sea seguro de una manera más fácil. Tengo un suministro de 5V que realmente no puedo cambiar actualmente. Si eso no es un problema, agradecería escuchar su otra sugerencia.

— Eye of Horus

El opamp no proporciona suficiente corriente para quemar el fusible. El fusible tiene una capacidad nominal de 200 mA (para el fusible con la corriente nominal más baja de la familia), el amplificador operacional solo puede suministrar 80 mA (si funciona a 5 V a 2,7 V, solo 30 mA), o menos de la mitad de la corriente para quemar el fusible.

Supongamos que la tierra estaba unida al otro extremo del fusible, en lugar del circuito de palanca, solo fluirían 80 mA a través del fusible, y todavía no explotaría, incluso si elevara el voltaje tan alto como lo haría la salida del AD8605 Permitir su clasificación (6V).

Los circuitos de palanca son para circuitos de voltaje que tienen impedancias de fuente baja / corrientes altas como una fuente de alimentación.

EDITAR:

Hay algunas opciones, una forma sería limitar la salida del opamp cambiando Vcc del opamp a 3.4V.

El otro método sería usar un diodo zener en la entrada, sin embargo, esto sacrificaría algo de linealidad y la impedancia de carga como se ve desde el Vin. La resistencia podría elevarse a un valor más alto, pero también cambiaría la pendiente de la curva limitante y haría que el rango superior de la curva Vin / Vout donde las abrazaderas de diodo sean inexactas / menos lineales. Esta no es una buena opción, prefiero sujetar la salida o limitar el Vcc (que probablemente sería el más simple y solo agregaría un regulador al circuito).

La última opción sería usar una resistencia en serie y diodos en la salida, también con alguna pérdida debido a la resistencia en serie y la corriente de fuga del diodo.

OTRA EDICIÓN:

Si desea limitar la corriente, hay muchos circuitos que pueden realizar esta tarea. (También hay muchos circuitos integrados adecuados para esta tarea). La mayoría implica detectar la corriente con un amplificador de detección de corriente como el que se muestra a continuación (el amplificador IC1 cambia el optoacoplador que a su vez cambia un interruptor del lado alto del pmos):

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

O muchos circuitos que se enumeran aquí

— Pico de voltaje
fuente

@JackCreasey Tuve que leer tu comentario varias veces y mirar el esquema, porque creo que quieres decir que el esquema en la respuesta es correcto, pero está invirtiendo. Cuando se cambia a una configuración no inversora (que el OP necesita) ya no funcionaría. Debido a que la entrada -ve en el esquema dado es tierra virtual, pero en el caso de un amplificador no inversor, -ve seguiría a Vin. Sólo aclarar para cualquier otra persona que también podría ser confundido ...

— MartinF

No, no funcionará, no con un solo lado. Editaré mi respuesta y veré si puedo encontrar una mejor opción. Lo mejor probablemente sería un circuito limitador de entrada

— Voltaje pico

@MartinF La respuesta es SÓLO correcta para una fuente de alimentación dual opamp (es una configuración clásica para recortar la salida). No es lo que tiene el OP, por lo que la respuesta es incorrecta y no funcionará según la pregunta. El TL431 también es el tipo de dispositivo incorrecto para intentar alcanzar el objetivo de los OP.

— Jack Creasey

Estoy pensando: en la configuración sin inversión, si Vin = 1.62V, Vout = 4.8V. 4.8V-1.62V = 3.18V sobre Rfeedback. ¿No funcionaría con un zener de 3.1V?

— MartinF

@ JackCreasey ¡Ah, gracias! De hecho, no consideré la fuente de alimentación: el Opamp utilizado tiene un voltaje de suministro único de máx. 5.5V. ¡Buen pensamiento!

— MartinF

Encontré la razón original del comportamiento inesperado del TL431.

Resultó que la biblioteca Eagle que estaba usando tenía el paquete SOT23 para el TL432 bajo el TL431. Como los dos han cambiado los pines del cátodo y de referencia, mi circuito no funcionó correctamente con el TL431.

El circuito original todavía tenía algunas inestabilidades, por lo que acepté la respuesta de Jack Creasy, ya que su circuito alternativo funciona muy bien.

— Ojo de Horus
fuente