Ajuda necessária para otimizar o circuito limitador de corrente simples

Eu tenho experimentado simular circuitos limitadores de corrente. Estou tentando limitar a corrente para ~ 500mA, dada uma fonte fixa de 4.8V. Comecei a usar um circuito como o encontrado nesta página da wikipedia ...

Fiz uma simulação deste circuito usando o CircuitLab. Eu mostro os resultados abaixo. O circuito à esquerda usa um resistor de série simples para limitar a corrente, enquanto o circuito à direita é baseado no circuito da Wikipedia. Ajustei os valores de R_bias e R_load para valores comuns de resistores que impedem que mais de 480 mA sejam extraídos da fonte quando a carga é 0 Ohms. Também configurei o hFE dos transistores para 65 para corresponder a algumas medições de multímetro que fiz de alguns transistores de potência que tenho à mão. Os valores adjacentes aos amperímetros são os valores simulados.

Se agora eu fizer uma carga de 10 Ohm, fica claro por que um circuito limitador de corrente é superior a um resistor em série. O circuito limitador de corrente diminui sua resistência efetiva, permitindo a passagem de mais corrente do que quando se usa um resistor em série. .

No entanto, o circuito limitador de corrente ainda está fornecendo alguma resistência em série neste caso. Um limitador de corrente ideal não teria resistência alguma até que a carga tente extrair mais corrente que o limite. Existe uma maneira de ajustar o R_bias e o R_load para conseguir isso melhor e / ou existem ajustes no circuito que podem ajudar a conseguir isso?

O circuito mostrado funcionará, mas o transistor e o Rsense criam uma queda de tensão que deve ser levada em consideração.
O que você está vendo é o efeito disso:

A 480mA, a queda de tensão no resistor de 10Ω seria de 4,8V, o que não deixa espaço para a tensão de saturação do transistor ou a tensão Rsense cai.
Portanto, a corrente será (Vsupply - Qsat - Vrsense) / Rload. Para corrigir isso, aumente a alimentação em alguns volts e tente os testes de 0Ω e 10Ω novamente. Além disso, diminua a defesa consideravelmente (<10Ω).
Esperemos que você veja (quase) nenhuma diferença.

Para melhores resultados, quanto mais ganho você tiver, melhor. Outra coisa a ser observada é (como Dave menciona em sua resposta) que o Rbias precisa ter um ponto limite mais alto do que o cenário do Rsense, caso contrário, ele dominará. Se o transistor tiver um ganho de 65 e você desejar que o Rsense seja definido para 500mA, então Rbias deve ser definido para permitir mais de 500mA. Em 500Ω, ele definirá o limite absoluto em 65 * ((5V - 1.4V) / 500Ω) = 468mA, portanto, mesmo se o Rsense estiver definido para 500mA, você não o conseguirá. Para evitar esse conjunto de Rbias para, por exemplo, 250Ω, ou conforme mencionado abaixo, use um MOSFET para Q1 e, em seguida, o valor não é tão importante (10kΩ fará)

Outra opção é usar um circuito de corrente constante opamp comum:

Simulação com um suprimento de 4,8V, corrente limitada a 500mA, Rload variou de 1mΩ a 50Ω e corrente traçada em relação a isso (observe que a corrente permanece plana em 500mA enquanto limitada):

Isso atende aos requisitos de um sólido limite de 500mA na alimentação de 4,8V e é facilmente ajustável variando o opamp sem inversão via divisor R2 / R3 da tensão de entrada. A fórmula é V (opamp +) / Rsense = I (Carga) Por exemplo, a referência 1V é dividida por 20 para fornecer 50mV na entrada opamp +, então 50mV / 100mΩ = 500mA.
Um MOSFET é usado para evitar erros de corrente de base que complicam as questões (um MOSFET com baixo Vth também pode ser usado no circuito de transistor original para melhorar as coisas)

Eu acho que há um mal-entendido fundamental aqui. Não é Rbias que deve definir o valor atual limitador, é a combinação de Rsense e a queda de Vbe no Q2.

Seu primeiro circuito possui dois efeitos limitadores de corrente diferentes: um é a corrente através de Rbias multiplicada pelo ganho (taxa de transferência de corrente) de Q1, e o outro é o Vbe do Q2 dividido por Rsense. O primeiro fornece o valor de 470 mA que você vê, mas isso é mal controlado. O que está acontecendo neste modo é que o circuito está se comportando como um resistor que tem o valor de Rbias / Hfe, ou cerca de 7,8Ω neste caso. A corrente ainda varia com a tensão de alimentação.

O segundo mecanismo forneceria um valor de cerca de 600 mA (0,6V / 1Ω), com um "joelho" muito mais definido - a resistência efetiva da fonte nesse caso é Rsense multiplicada pelos ganhos combinados de Q2 e Q1 , que está muito mais próximo de uma fonte atual ideal. No entanto, você não está chegando ao nível de corrente em que esse mecanismo entra em ação.

Você diz

"Um limitador de corrente ideal não teria resistência até a carga tentar extrair mais corrente que o limite".

Um sensor de corrente ideal usa um amplificador de ganho infinito para medir o aumento de tensão em um resistor de zero Ohm.
Você aproxima o resistor de zero ohm usando um que seja baixo o suficiente para causar queda de tensão desprezível.
"O problema" é que seu circuito básico é fundamentalmente falho. Nem sequer tenta implementar um circuito ideal simi. Em vez disso, usa uma queda de tensão Vbe, pois é necessária a tensão sensorial. Isso coloca um limite baixo e ruim no Vsense.

Desde que você use uma queda de Vbe no Q2 ou equivalente ao seu limiar de detecção, não poderá se aproximar de uma solução ideal. O que é necessário é um "comparador" que detecte tensão próxima a zero Volts, onde "próximo" depende do que você deseja. Por exemplo, uma queda de 0,1 volts com uma fonte de 5V = 2% pode ser adequada para a maioria das finalidades, mas você pode construir circuitos com Vsense = dizer 0,01 Volt, se desejar.

A escolha fácil e óbvia é usar um comparador de IC ou opamp, MAS você pode construir um comparador adequado apenas a partir de transistores, se desejar. Use um "par de cauda longa" de PNPs com seu nó comum referenciado a V + ou use transistores NPN com as entradas de tensão em ~ = 0V atuando como a parte inferior das cordas divisórias que transferem as alterações de tensão para as bases de transistores que operam em alguma tensão mais alta.

O circuito abaixo é daqui, que fornece um acúmulo a partir de um transistor até -

Se isso não faz sentido, dê uma olhada na
Wikipedia - amplificador diferencial

e isso fornecerá muitos leads

Aqui está um IC com par de longa duração PNP e NPN dentro. Isso é feito para operações de 100 MHz (ou mais), mas mostra o que pode ser comprado.

Há muito tempo eles se pareciam com isso :-):