Aumentando a faixa de tensão de conformidade para um circuito variável de corrente constante de dois quadrantes de dois pinos

O que se segue é para trabalho amador e não tenho nenhuma intenção comercial. Apenas um punhado (dois?) Será construído. (Eu os uso para testes de peças e geração de curvas, embora com as conformidades de tensão mais altas eu possa encontrar ainda mais usos do que antes.)

Eu tenho o seguinte circuito do driver de pinos, que fornece até tensão de conformidade de saída enquanto fornece a uma carga conectada entre a saída do driver de pinos e o terra . (Os trilhos maiores, mais e menos, são aproximadamente , com os trilhos opamp em .) $\pm 50\:\textrm{V}$ $\pm 10\:\textrm{mA}$ $\pm 60\:\textrm{V}$ $\pm 15\:\textrm{V}$

esquemático

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

As taxas de giro na saída do circuito acima geralmente não ultrapassam ou . (Dirijo a entrada a taxas na ordem de não mais que , pico a pico, e geralmente mais lento que isso.) $20\:\frac{\textrm{A}}{\textrm{s}}$ $100\:\frac{\textrm{mV}}{\mu\textrm{s}}$ $1\:\textrm{ms}$

Gostaria de expandir as tensões de conformidade para e reduzir a capacidade da unidade atual para algo entre para talvez . (A taxa de redução da tensão aumenta para e isso também pode ser uma preocupação.) $\pm 800\:\textrm{V}$ $\pm 500\:\mu\textrm{A}$ $\pm 1\:\textrm{mA}$ $1.6\:\frac{\textrm{V}}{\mu\textrm{s}}$

Obter os trilhos de alimentação de alta tensão emparelhados de não é o problema. Mas consegui pegar de a como partes dos mesmos dados (BCM846S etc.). Gostaria de manter a correspondência de (e talvez até ). Mas agora o subiu "muito" e a mesma topologia não vai funcionar, já que eu não acho que EXISTEM pares de BJTs correspondentes com esse tipo de . Na verdade, não tenho certeza de nenhum PNP BJT discreto que se aproxime do que eu gostaria de ver. (NPN, talvez. Mas PNP?) $\pm 850\:\textrm{V}$ $Q_1$ $Q_4$ $V_{BE}$ $\beta$ $V_{CEO}$ $V_{CEO}$

Eu posso imaginar a configuração de outro par de trilhos de tensão (próximo aos trilhos de alta tensão, mas talvez mais perto do solo) e usando um design em cascata (usando mais quatro BJTs) para proteger a alta e pares de espelhos correspondentes no lado inferior. Essa fonte de voltagem adicional não precisaria lidar com mais de ou aproximadamente, portanto, pode não ser tão difícil construir a partir dos novos trilhos de fonte de alta voltagem. Mas se houver outros / melhores pensamentos sobre a topologia, eu gostaria de ouvi-los. $40\:\textrm{V}$ $10\:\mu\textrm{A}$

Aqui está o que eu quero dizer:

esquemático

^{simule este circuito}

Há um problema que eu esqueci de pensar aqui ou posso fazer melhor? Alguém tem uma sugestão de algum processo por qualquer FAB para BJTs discretos que eu possa considerar para os cascodes aqui?

Sei também que também enfrentarei problemas totalmente diferentes relacionados a folgas e rastejamentos, que não tive que enfrentar aqui antes. Esse é um tópico diferente, que abordarei separadamente e mais tarde. No momento, estou focado em como obter as conformidades de tensão significativamente mais altas que gostaria de obter.

Por uma questão de clareza, caso não seja óbvio, o circuito é uma fonte de corrente controlada por tensão CC (VCCS) que afunda ou gera corrente em uma carga aterrada. (Um uso foi para o rastreamento de curvas de semicondutores.) Uma tensão de entrada de geraria na carga aterrada. Uma tensão de entrada de afundaria da carga aterrada. Uma onda do triângulo de tensão, oscilando suavemente entre e , geraria uma onda triângulo atual em uma carga que oscila suavemente de para $-10\:\textrm{V}$ $500\:\mu\textrm{A}$ $+10\:\textrm{V}$ $500\:\mu\textrm{A}$ $-10\:\textrm{V}$ $+10\:\textrm{V}$ $+500\:\mu\textrm{A}$ $-500\:\mu\textrm{A}$ (se essa carga era um diodo ou um resistor.) E a conformidade da tensão deve suportar todas as acima com um resistor de como carga. Ocasionalmente, ele será operado com uma onda de dente de serra ou triângulo como entrada. Também posso operá-lo com e na entrada de controle (ou mesmo com e na entrada.) O comportamento deve ser monotônico, por toda parte. A frequência máxima que uso sobre é , mas posso sacrificar um fator de 10 nesse ponto, se necessário. $1.5\:\textrm{M}\Omega$ $-1\:\textrm{V}$ $+1\:\textrm{V}$ $-100\:\textrm{mV}$ $+100\:\textrm{mV}$ $1\:\textrm{kHz}$

Os circuitos acima também são bons para outro propósito. Se eu remover (substituindo-o por ) e usar a entrada inversora do opamp como um nó no qual eu possa afundar ou fornecer corrente, e se eu também colocar um resistor de precisão conhecido da saída para o terra , a tensão bipolar na saída dependerá da corrente bipolar para o terra. $0\:\Omega$ $R_8$

Na verdade, é um módulo bastante versátil.

bjt high-voltage current-source

— jonk
fonte

O que o amplificador operacional deve fazer?

— Daniel

É suposto desligar o estágio de polaridade oposta com os trilhos de energia?

— Daniel

@ Daniel O opamp afunda ou gera corrente na carga anexada à saída. Ao fazer isso, ele deve fornecer ou diminuir a corrente dos trilhos de suprimento. Minha resposta aqui mostra outra aplicação "louca" da idéia: electronics.stackexchange.com/questions/256955/… #

— 1100

Q_{1} + Q_{3}

$Q_1+Q_3$

Q_{2} + Q_{4}

$Q_2+Q_4$

R_{7}

$R_7$

R_{8}

$R_8$

Q_{5}

$Q_5$

Q_{8}

$Q_8$

— jonk

legal ... você está espelhando a corrente no lado de entrada, e o opamp está ajustando isso, puxando a corrente para fora do trilho intermediário na parte superior ou inferior, conforme necessário ... os transistores de saída (assim como os entrada) estão funcionando como resistores de alto valor ... 800V / 500uA = ~ 1.6M ohm. Não tenho o contexto certo para isso, mas isso me pareceria um elemento que se torna (um pouquinho) extremo. Se sua carga é de 1,5 milhão, acho que você está bem? os transistores de alta impedância transformam correntes dispersas, se foram puxadas, em tensões muito grandes? isso importa?

— usuário

Respostas:

Uma vez que não há uma onda de respostas:

Qual é a sensibilidade do seu aplicativo para ondular (~ amplitude, você já mencionou a largura de banda)?

Progressivamente, sinto que você deve ter apenas um transistor de comutação controlado pelo PWM do lado alto para outro transistor de comutação controlado pelo PWM para o lado baixo. Adicione um resistor de detecção de corrente na faixa de 3kΩ no nó entre esses dois, seguido de um baixo filtro -pass e dirija seu DUT a partir disso.

esquemático

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Agora, você controlaria esses comutadores com base na posição do pulso de quando a corrente através de Rmeas ultrapassa 1mA completo (conforme observado por D2). A calibração pode (ok, será) necessária, mas supondo que a uma taxa de comutação de talvez 50 kHz seja totalmente suficiente para esta aplicação (e que já não seja tão fácil assim, considerando que você precisa acionar os portões ou as bases das altas - e switch do lado inferior nessa taxa), as MCUs modernas estarão à altura da tarefa. Tenho certeza de que você poderá criar um design analógico que possa ser mais inteligente que o meu software proposto (embora o faça em software, apesar de ter problemas de quantização, definitivamente facilitará a incorporação de dados de calibração).

Dei um asterisco ao retificador * porque não é realmente como eu recomendo que você use um retificador de ponte de diodo PN aqui - isso não funcionará, pois as correntes de diodo provavelmente serão maiores que as correntes de medição. Um retificador de precisão baseado em opamp em um suprimento flutuante pode ser a solução aqui (e pode ser construído, de maneira econômica, às custas de um design bonito, com uma bateria ...). De qualquer forma, o circuito Zener do retificador inteiro - optocoupler - é na verdade apenas uma tensão ADC de 1 bit para ignorar sinais; um comparador de janelas ou mesmo um IC de amperímetro adequado, por exemplo, com um link óptico digital para o MCU controlador, provavelmente se sairia melhor.

Obviamente, o LPF RC de estágio único (1.6kΩ ł 100nF) é apenas uma abordagem rápida; no entanto, exibe atenuação de magnitude de -36dB na minha frequência de comutação de 50 kHz (e acho que isso é o suficiente para você) enquanto confia em um valor de capacitor que ainda está disponível como capacitor de filme para> 1kV com uma tolerância de 5%.

Minha motivação para isso é que provavelmente é mais fácil lidar com transistores chaveados de maneira cronometrada o suficiente para controlar os transistores de maneira linear o suficiente nas tensões existentes.

— Marcus Müller
fonte

Isso é comportamental. Meu circuito é real. Transformar seu circuito de um conceito em realidade ... é uma coisa diferente. Sem mencionar que eu uso meu circuito para varreduras lineares e esse conceito, em vez disso, me faria girar o PWM. Com a capacidade de girar 1600 V em um milissegundo, só consigo imaginar a frequência necessária como "alta" para conseguir o que quero. Eu gostaria de saber o que você imaginar como os interruptores ... se mosfets, vejo enormes oscilações de tensão portão através de grandes capacitâncias em alta velocidade e que assusta o em branco fora de mim.

— jonk

E considere que cargas podem ser qualquer dispositivo bizarro que eu queira varrer. Isso significa grandes capacitores (correntes fixas, ou variáveis, enquanto monitoram a tensão) ou indutores (iniciando em zero e aumentando a uma taxa específica, enquanto monitoram a voltagem). como um ponto de aterramento para afundar a corrente, com a saída respondendo de acordo com a carga que eu colocar lá. É um circuito surpreendentemente versátil. O que você sugere parece muito mais limitado e menos versátil. Supondo que eu possa descobrir os detalhes de como fazê-lo.

— jonk

Duas coisas: 1. Sim, isso é muito abstrato. Se alguma vez houve uma auto-avaliação racional em mim, isso me diz que eu não deveria ser o único a propor um circuito analógico real para você de todas as pessoas - há uma experiência fácil de 40 dB que você tem sobre mim. Então: 2. Essa frequência de comutação e a inclinação atual são limitadas. É aí que eu tenho um pouco de confiança no que sei - se o sinal de saída é limitado por banda, a taxa na qual precisamos gerar amostras atuais é limitada. Nyquist é seu amigo! A questão de quanto alcance dinâmico que você precisa, em seguida, define um limite para baixo ...

— Marcus Müller

... com que precisão você precisa dividir o período da amostra em "slots" pwm. E isso, em termo, é apenas a frequência na qual uma unidade pwm precisaria funcionar e um transistor precisaria mudar no caso extremo. Agora, eu concordo, uma velocidade de comutação de alguns MHz para um MOSFET nessas tensões da fonte de drenagem não funcionará. No entanto, a faixa de kHz superior com CMOS faz som viável

— Marcus Müller

Eu tenho um pássaro na mão, por assim dizer. Tenho certeza de que a pequena modificação do código de cas funcionará para minhas necessidades - mas é claro que estou preocupada por ter perdido alguns detalhes importantes. Funciona como um coletor de corrente na entrada, produzindo uma tensão na saída; ou como uma tensão na entrada, controlando uma corrente na saída. Ou qualquer combinação. Posso adicionar um resistor conhecido na entrada ou não. Posso adicionar um resistor conhecido na saída ou não. Então eu -> I, I -> V, V -> I ou V -> V. Eu o uso como um circuito de pinos que também posso combinar para criar um driver de pinos sério.

— 91317

É difícil encontrar BJTs .HV pnp .Eu uso tipos de 600V para outros trabalhos, eles são baratos, fáceis de encontrar e confiáveis. Você pode conectá-los em série. Conectei até 4 deles em série sem nenhum caso contrário, você poderia usar um design totalmente NPN como algo baseado em um SRPP. Eu usei mosfets de canal VN 800 baratos 2 séries por perna de ponte para compensar +/- 500 VDC a 1 Ma.

— Autista
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