Bantuan diperlukan mengoptimalkan rangkaian pembatas arus sederhana

Saya telah bereksperimen dengan mensimulasikan rangkaian pembatas arus. Saya mencoba membatasi arus ke ~ 500mA diberi sumber 4.8V tetap . Saya sudah mulai menggunakan sirkuit seperti yang ditemukan di halaman wikipedia ini ...

Saya telah membuat simulasi rangkaian ini menggunakan CircuitLab. Saya menunjukkan hasilnya di bawah ini. Sirkuit di sebelah kiri menggunakan resistor seri sederhana untuk melakukan pembatasan arus, sementara sirkuit di sebelah kanan didasarkan pada sirkuit Wikipedia. Saya telah mengubah nilai R_bias dan R_load ke nilai resistor umum yang mencegah lebih dari 480 mA ditarik dari sumber saat beban 0 Ohm. Saya juga mengatur hFE dari transistor ke 65 agar sesuai dengan beberapa pengukuran multimeter yang saya buat dari beberapa transistor daya yang harus saya tangani. Nilai yang berdekatan dengan amperem adalah nilai simulasi.

Jika saya sekarang membuat beban 10-Ohm, menjadi jelas mengapa rangkaian pembatas arus lebih unggul daripada resistor seri. Sirkuit pembatas arus menjatuhkan resistansi efektifnya, sehingga memungkinkan lebih banyak arus daripada saat menggunakan resistor seri. .

Namun, rangkaian pembatas arus masih memberikan beberapa hambatan seri dalam kasus ini. Pembatas arus ideal tidak akan memiliki hambatan sama sekali sampai beban mencoba menarik lebih banyak arus daripada batas. Apakah ada cara untuk menyetel R_bias dan R_load untuk mencapai ini dengan lebih baik, dan / atau apakah ada tweak sirkuit yang dapat membantu mencapai ini dengan lebih baik?

Rangkaian yang ditunjukkan akan bekerja, tetapi transistor dan Rsense membuat penurunan tegangan yang harus diperhitungkan.
Apa yang Anda lihat adalah efek dari ini:

Pada 480mA, penurunan tegangan pada resistor 10Ω akan menjadi 4.8V, yang tidak meninggalkan "ruang" untuk tegangan saturasi transistor atau penurunan tegangan Rsense.
Jadi saat ini akan menjadi (Vsupply - Qsat - Vrsense) / Rload. Untuk mengatasinya, naikkan pasokan dengan beberapa volt dan coba lagi tes 0Ω dan 10 again. Selain itu, Rdefend lebih rendah (<10Ω)
semoga Anda melihat (hampir) tidak ada perbedaan.

Untuk hasil yang lebih baik, semakin banyak keuntungan yang Anda miliki semakin baik. Hal lain yang perlu diperhatikan adalah (seperti yang disebutkan Dave dalam jawabannya) bahwa Rbias perlu memiliki titik pembatas yang lebih tinggi daripada pengaturan Rsense, jika tidak maka akan mendominasi. Jika transistor memiliki gain 65, dan Anda ingin Rsense diatur untuk 500mA, maka Rbias harus diatur untuk memungkinkan lebih dari 500mA. Pada 500Ω, itu akan menetapkan batas absolut pada 65 * ((5V - 1.4V) / 500Ω) = 468mA, jadi bahkan jika Rsense ditetapkan untuk 500mA, Anda tidak akan mendapatkannya. Untuk menghindari set Rbias ini misalnya 250Ω, atau seperti yang disebutkan di bawah ini gunakan MOSFET untuk Q1 dan kemudian nilainya tidak sepenting (10kΩ akan dilakukan)

Pilihan lain adalah dengan menggunakan rangkaian arus konstan opamp yang umum:

Simulasi dengan pasokan 4.8V, arus terbatas 500mA, Rload menyapu dari 1mΩ ke 50Ω dan arus melaluinya relatif terhadap ini (perhatikan arus tetap datar di 500mA sementara terbatas):

Ini memenuhi persyaratan Anda untuk pembatas 500mA padat pada pasokan 4.8V, dan mudah disesuaikan dengan memvariasikan opamp non-pembalik melalui tegangan input pembagi R2 / R3. Rumusnya adalah V (opamp +) / Rsense = I (Rload) Misalnya, referensi 1V dibagi dengan 20 untuk memberikan 50mV pada input opamp +, jadi 50mV / 100mΩ = 500mA.
MOSFET digunakan untuk menghindari kesalahan arus basis yang menyulitkan (MOSFET dengan Vth rendah juga dapat digunakan dalam rangkaian transistor asli untuk memperbaiki keadaan)

Saya pikir ada kesalahpahaman mendasar di sini. Bukan Rbias yang seharusnya mengatur nilai arus yang membatasi, itu kombinasi Rsense dan penurunan Vbe pada Q2.

Sirkuit pertama Anda memiliki dua efek pembatas arus yang berbeda: Satu adalah arus melalui Rbias dikalikan dengan keuntungan (rasio transfer saat ini) dari Q1, dan yang lainnya adalah V2 Q2 dibagi dengan Rsense. Yang pertama memberikan nilai 470 mA yang Anda lihat, tetapi ini tidak terkontrol. Apa yang terjadi dalam mode ini adalah bahwa rangkaian berperilaku seperti resistor yang memiliki nilai Rbias / Hfe, atau sekitar 7,8 dalam kasus ini. Arus masih akan bervariasi dengan tegangan suplai.

Mekanisme kedua akan memberi Anda nilai sekitar 600 mA (yaitu, 0.6V / 1Ω), dengan "lutut" yang jauh lebih tajam - sumber perlawanan yang efektif dalam kasus ini adalah Rsense dikalikan dengan keuntungan gabungan dari Q2 dan Q1 , yang jauh lebih dekat ke sumber arus ideal. Namun, Anda tidak sampai ke tingkat saat ini di mana mekanisme ini akan masuk.

Kamu bilang

"Pembatas arus ideal tidak akan memiliki hambatan sama sekali sampai beban mencoba untuk menarik lebih banyak arus daripada batas."

Sensor arus ideal menggunakan penguat gain tak terbatas untuk mengukur kenaikan tegangan pada resistor nol Ohm.
Anda memperkirakan resistor nol ohm dengan menggunakan satu yang cukup rendah untuk menyebabkan penurunan tegangan yang dapat diabaikan.
"Masalahnya" adalah bahwa Anda sirkuit dasar pada dasarnya cacat. Bahkan tidak MENCOBA untuk mengimplementasikan sirkuit ideal yang simi. Sebaliknya ia menggunakan drop tegangan Vbe karena itu perlu tegangan akal. Ini menempatkan batas yang lebih rendah dan buruk pada Vsense.

Selama Anda menggunakan penurunan Vbe di Q2 atau setara dengan ambang indra Anda, Anda tidak dapat mendekati solusi yang ideal. Yang diperlukan adalah "pembanding" yang mendeteksi tegangan mendekati nol Volts, di mana "tutup" tergantung pada apa yang Anda inginkan. Misalnya penurunan 0,1 volt dengan suplai 5V = 2% mungkin cukup untuk sebagian besar keperluan, tetapi Anda dapat membangun sirkuit dengan Vsense = katakanlah 0,01 Volt jika Anda mau.

Pilihan yang mudah dan jelas adalah dengan menggunakan komparator IC atau opamp TAPI Anda dapat membangun komparator yang sesuai dari transistor saja jika diinginkan. Gunakan "pasangan berekor panjang" dari PNP dengan simpul umum mereka yang dirujuk ke V + atau gunakan transistor NPN dengan input tegangan pada ~ = 0V yang bertindak sebagai bagian bawah string pembagi yang mentransfer perubahan tegangan ke basis transistor yang beroperasi pada tegangan lebih tinggi.

Sirkuit di bawah ini berasal dari sini yang menyediakan peningkatan dari satu transistor melalui -

Jika itu tidak masuk akal maka lihatlah
Wikipedia - penguat diferensial

dan ini akan memberikan banyak petunjuk

Berikut adalah IC dengan pasangan longtailed PNP dan NPN di dalamnya. Ini dibuat untuk 100-an operasi MHz (atau lebih) tetapi menunjukkan apa yang bisa dibeli.

Dulu mereka tampak seperti ini :-):