Napięcie anodowe

[Marcin_F]

Proszę o poprawienie schematu oraz wytłumaczenie gdzie jest błąd w moim toku rozumowania. Chcę napięciem 15V regulować sygnał 300V. Chciałem zrobić to za pomocą układu którego schemat zamieszczam poniżej.
Na wejście nieodwracające podaję napięcie przez potencjometr. Wzmacniacz ma sterować tranzystorem T1 tak by napięcie na R1 powodowało otwieranie lub zamykanie T2. Całość jest objęta sprzężeniem zwrotnym. Część napięcia wyjściowego podawana jest na wejście odwracające. Obecnie tranzystor T1 zatyka się. Nie potrafię zrozumieć przyczyny takiego zachowania.

[Romekd]

Witam.
W układzie znajdują się dwa elementy odwracające fazę sygnału. Pierwszym jest wzmacniacz operacyjny, drugim tranzystor T1. W efekcie podwójnego odwrócenia fazy użyte sprzężenie zwrotne ma charakter dodatni a nie ujemny, co powoduje, że układ zatrzaskuje się w jednym skrajnym stanie (zatkany T1).

EDIT:
W pierwszej chwili wydawało mi się, że w układzie użyte zostały dwa tranzystory z kanałem typu N. Jednak po dokładniejszym zapoznaniu się ze schematem spostrzegłem, że górny tranzystor jest typu P (ciekawy jestem co to za typ, bo ze zdobyciem tranzystora wysokonapięciowego większej mocy o tym typie przewodnictwa może być pewien problem). Jak jest w rzeczywistości? Czy ten układ został wykonany i nie działa, czy też była przeprowadzona jedynie symulacja komputerowa?
Jeżeli układ jest już wykonany, to proszę wyjście potencjometru podłączyć wprost do bramki tranzystora T1, a następnie sprawdzić jakie wzmocnienie napięciowe zapewniają tak połączone tranzystory, po czym dodać jeszcze wzmocnienie wzmacniacza operacyjnego i przeanalizować czy przy tak dużym wzmocnieniu napięciowym układ może działać stabilnie.

Pozdrawiam,
Romek

[Marcin_F]

A więc winne jest za duże wzmocnienie napięciowe układu? Przeprowadziłem tylko symulację komputerową takiego układu. Jeżeli chodzi o tranzystor MOS-FET z kanałem typu p to może być: FQP3P50 dostępny w TME. Po podłączeniu bezpośrednio do bramki napięcia sterującego efekt pozostał bez zmian. Czy można powyższy układ jakoś w prosty sposób zmodyfikować by pracował poprawnie?

[Tomasz Gumny]

Zmień typ tranzystora regulacyjnego na N, zabezpiecz go przed nadmiernym Ugs, odwróć kierunek działania pętli sprzężenia zwrotnego i dodaj niewielką pojemność na wyjściu.

[Romekd]

Witam.

A więc winne jest za duże wzmocnienie napięciowe układu?

Wzmocnienie nie jest jedynym problemem w przedstawionym układzie. Mamy tu połączenie wzmacniacza operacyjnego i dwóch tranzystorowych stopni wzmocnienia, z których każdy pracuje w układzie wspólnego źródła. Całość zamknięta pętlą ujemnego sprzężenia zwrotnego. Większość dostępnych wzmacniaczy operacyjnych jest skompensowana częstotliwościowo, co oznacza, że wprowadzane przez układ przy wzroście częstotliwości przesunięcie fazy dla wejścia nieodwracającego osiąga 180 stopni gdy wzmocnienie układu jest już mniejsze od jedności. W tych warunkach pętla sprzężenia może ograniczać wzmocnienie układu nawet do jedności, a ten pozostanie stabilny. Dodanie w tor dodatkowych stopni wzmocnienia może sytuacją radykalnie zmienić i przekształcić układ w generator. By tak się nie stało należy dokładnie przeliczyć wzmocnienie poszczególnych stopni, sprawdzić wzmocnienie pętli sprzężenia i przeanalizować czy w danych warunkach układ pozostanie stabilny; w razie potrzeby zastosować dodatkowe elementy korygujące pasmo przenoszenia lub wzmocnienie.
Proszę jeszcze zwrócić uwagę co się stanie gdy otworzy się tranzystor T1. Napięcie bramka-źródło tranzystora T2 osiągnie niemal 300 V, to znaczy osiągnęłoby gdyby izolacja bramki nie uległa wcześniej przebiciu i oba tranzystory nie wyleciały "w kosmos" . Nawet jeśli tranzystory mają wewnętrzne zabezpieczenia bramek diodami Zenera do źródeł, to i tak otworzenie się T1 spowoduje przekroczenie prądu bramki T2 (przebiciu ulegnie wówczas wewnętrzna dioda zabezpieczająca), w następstwie czego uszkodzi się również drugi tranzystor. Mogłoby temu zaradzić włączenie szeregowego rezystora w obwód drenu T1, ograniczającego spadek napięcia na R7 do bezpiecznej dla T2 wartości, ale i tak układ regulatora napięcia (stabilizatora) z wyjściem napięcia z drenu tranzystora szeregowego jest rozwiązaniem wyjątkowo nie trafionym.

Pozdrawiam,
Romek

[sppp]

układ regulatora napięcia (stabilizatora) z wyjściem napięcia z drenu tranzystora szeregowego jest rozwiązaniem wyjątkowo nie trafionym.

Z ciekawości zapytam - dlaczego? Przecież taką konfigurację mają stabilizatory LDO.

[Romekd]

Sam stopień ze wspólnym źródłem cechuje się dużą rezystancją wyjściową, co w połączeniu z poprzedzającym go identycznym stopniem wpływa na pogorszenie szybkości reakcji układu na zmieniające się warunki obciążenia (ujemne sprzężenie globalne tylko częściowo poprawia sytuację). Natomiast wtórniki (żródłowy, emiterowy) mają małą rezystancję wyjściową i wzmocnienie jedynie prądowe (wzmocnienia napięciowego w przedstawionym przez Kolegę Marcin_F układzie jest aż za dużo..).
Stabilizatory LDO też niestety mają swoje wady (właśnie szybkość reakcji, wzrost rezystancji wyjściowej w zakresie wyższych częstotliwości, szumy..). W przeciwnym wypadku już dawno wyparłyby rozwiązania tradycyjne.

Pozdrawiam,
Romek

[Marcin_F]

Dziękuje za uwagi, zmodyfikowałem układ. Wzmocnienie fragmentu z tranzystorem T1 jest mniejsze od 1. Układ nie zatrzaskuje się ale zmienił się w generator. W związku z tym proszę kolegów jeszcze o rady jak zmodyfikować (dobrać wartości elementów) układ by działał poprawnie. A może istnieje inna prostsza metoda regulacji wysokiego napięcia o wiele mniejszym sygnałem?

[Tomasz Gumny]

Najpierw uzasadnij zastosowanie tranzystora MOSFET z kanałem P.

[Romekd]

Wzmocnienie fragmentu z tranzystorem T1 jest mniejsze od 1

Jednak nadal duże wzmocnienie napięciowe wprowadza drugi tranzystor, a w układzie nie ma żadnego kondensatora zapewniającego właściwą kompensację częstotliwościową.

Dla poprawienia stabilności wyjście układu powinno zostać zablokowane kondensatorem lub dwójnikiem RC. Dodatkowo dwójnik RC warto wstawić między wejście odwracające i wyjście wzmacniacza operacyjnego. Czasem zmniejszenie wzmocnienia dodatkową pętlą sprzężenia, która obejmowałaby sam wzmacniacz, również może pomóc w zlikwidowaniu oscylacji. Z ciekawości wrzuciłem na symulator schemat przedstawiony przez Kolegę (ten z początku wątku) i program zakomunikował o problemie ze wzbudzaniem, a po zmianie wartości rezystorów i dodaniu jeszcze jednego układ stał się stabilny (oczywiście na symulatorze ).

Pozdrawiam,
Romek

[Marcin_F]

Tranzystor MOS-FET z kanałem P wykorzystuję (a przynajmniej chcę wykorzystać) jako element który będzie regulował napięcie wyjściowe. Bezpośrednio przed nim jest stabilizator TL783 który daje na wyjściu 300V napięcia stałego. Nie chcę bezpośrednio podłączać wysokiego napięcia do zacisków potencjometru dlatego staram się coś wymyślić by regulować to napięcie pośrednio. Ten tranzystor jest elementem wykonawczym. Jeżeli użyłbym tranzystora z kanałem typu N by nie tracić części napięcia wyjściowego musiałbym dysponować napięciem ok. 308V by otworzyć tranzystor. Chyba że się mylę.

[Marcin_F]

Wrzuciłem ten układ na symulator tylko że jako T1 użyłem tranzystora bipolarnego zgodnie z drugim schematem i układ faktycznie działa! Mam tylko jeszcze dwa pytania, czy układ będzie miał liniową charakterystykę tzn. czy regulacja będzie przebiegała liniowo? Podłączyłem do wejścia nieodwracającego wzmacniacza źródło napięcia liniowo narastającego i napięcie wyjściowe liniowo narastało ale nie jestem do końca pewny wyników jakie pokazuje symulator. I czy moje obawy co do podłączenia wysokiego napięcia bezpośrednio na potencjometr są słuszne (obawiam się przebicia).

[Tomasz Gumny]

Niski spadek napięcia to dobry powód przy 3.3V, ale nie przy 300V.
TL783 to chyba do 100V, jeśli dobrze pamiętam.

[Romekd]

Regulacja będzie przebiegała liniowo. Z tranzystorem typu P napięcie wyjściowe będzie można regulować od zera do wartości bliskiej wejściowemu - będzie ono pomniejszone jedynie o spadek napięcia na rezystancji kanału załączonego tranzystora dla konkretnej wartości prądu obciążenia. Mimo że układ na symulatorze funkcjonuje już poprawnie, warto uzupełnić go o kilka elementów poprawiających stabilność i bezpieczeństwo. Nie wiem jakiego typu są potencjometry Kolegi. Ja najczęściej stosuje potencjometry 10-obrotowe firmy SPECTROL (model 534) lub odpowiedniki. Dla nich producent podaje dopuszczalne napięcie izolacji nie mniejsze od 500 V.

http://www.nteinc.com/pot_web/pdf/534_series.pdf (Insulation Resistance: 1000 Meg Ω min, 500VDC).

W razie wątpliwości można użyć potencjometrów, w których obudowa i ośka zostały wykonane ze sztucznego tworzywa. Ich izolacja wytrzyma kV.

[Marcin_F]

Dziękuje Kolegom za pomoc w rozwiązaniu problemu. Pozdrawiam.