Regulacja prądu bazy za pomocą PWM

[AlaMor]

Witam, chciałbym mieć możliwość regulacji prądu bazy tranzystora wykorzystując sygnał PWM z mikrokontrolera oraz kilka elementów typu dioda, dławik i kondensator.

Napięcie Vcc zmienia się w przedziale 4,2v - 3v i takie też napięcie zasila uC.

Jak się zapewne domyślacie jest to część układu rozładowującego ogniwo Li-Ion.

Co mógłbym dodać do poniższego schematu aby osiągnąć wymarzony cel 😉 ?

[marek1707]

Odpowiedzi mogą być dwie: prosta (i raczej naiwna) oraz lepsza ale okupiona kilkoma pytaniami "pomocniczymi".

1. Ponieważ sygnał PWM jest ze swojej natury dwustanowy a Ty potrzebujesz prądu "analogowego", musisz odfiltrować z przebiegu prostokątnego wszystko co nie jest składową stałą i dopiero to wpuścić - już jako sygnał analogowy - do bazy tranzystora. W najprostszym przypadku sprowadza się to do zrobienia dolnoprzepustowego filtra RC, pobraniu napięcia z kondensatora i przez opornik podłączenia tam bazy tranzystora. Układ ten ma jednak mnóstwo wad, które pokrótce postaram się wymienić:

a. Filtr RC jest układem nielubiącym żadnego obciążenia. Pobieranie prądu z kondensatora bardzo pogarsza działanie fitlru a obciążenie tworzy z rezystorem R dzielnik. W idealnej sytuacji mając np. PWM o poziomach 0-5V powinieneś dostawać na wyjściu napięcie w zakresie 0..5V w tylu krokach ile masz możliwych ustawień wypełnienia. Niestety po obciążeniu tranzystorem tak nie będzie - dostaniesz mniej i to nieliniowo bowiem baza tranzystora bipolarnego jest diodą i pobiera prąd zgodnie z ch-ką diody p-n.

b. Prąd obciążenia nie będzie rósł liniowo nie tylko z powodu diody B-E ale także dlatego, że sam tranzystor ma wzmocnienie zależne od prądu kolektora. Im prąd będzie większy tym wzmocnienie będzie mniejsze a prąd kolektora w tak prymitywnym układzie będzie niestety zależał od wzmocnienia tranzystora.

c. Nie masz żadnej gwarancji jaki ten prąd w ogóle będzie i nie możesz tego policzyć a priori. Wszystko zależy od egzemplarza tranzystora i na dodatek będzie się zmieniało także z jego temperaturą bo napięcie Ube zmienia się o kilka mV na każdy stopnień.

2. Pytania pomocnicze:

a. Do czego to jest? Czy chcesz rozładowywać ogniwa z ciekawości czy jest to część jakiejś więszej całości np. ładowarki czy układu do pomiaru pojemności aku?

b. O jakich prądach mówimy? Od tego zależy nie tylko wielkość tranzystora wyjściowego i jego radiator (a będzie dość spory dla nietrywialnych prądów) ale także sposób sterowania jego bazy.

c. Jak dokładnie chcesz ten prąd ustalać? Mając 10-bitowy PWM masz ponad 1000 możliwości a to oznacza 0.1% kroku. Taka dokładność nie jest trudna ale tylko w układzie ze sprzężeniem zwrotnym i dużym wzmocnieniu. Na szczęście dzisaj byle wzmacniacz operacyjny za 2 złote ma wzmocnienie rzędu 100tys więc nie będzie problemu. Gorzej z offsetami i ich stabilnością ale to raczej nie będzie część statku kosmicznego ani urządzenia sprzedawanego na rynku, prawda?

d. Jakimi zasilaniami samego układu dysponujesz? 3V? 5V? A może coś więcej?

[Tolo]

A możę dać przetwornik Cyfrowo analogowy ? 😉

[marek1707]

To zmienia tylko tyle, że masz "twardsze" wyjście napięciowe lub prądowe (rzadziej). Nadal masz problem z nieliniowością tranzystora no i z wielkością potrzebnego prądu bazy. Dla prądów wyjściowych rzędu amperów to mogą być dziesiątki mA lub nawet wiecej..

Z filtrem RC możesz do poprawy "jakości" sygnału wyjściowego użyć wzmacniacza jako wtórnika napięciowego ale jak już wstawiasz wzmacniacz to można zrobić układ "idealny" z założenia.

Co prawda można też mierzyć rzeczywisty prąd na oporniku tak jak było to na schemacie Kolegi ale żeby wykorzystać dostępny zakres i rozdzielczość przetwornika A/C napięcie pełnego zakresu musiałoby mieć ze 2.5V - tyle co referencja w procesorze a to oznacza duży opornik i dużo ciepła. Wtedy program mógłby kompensować nieliniowości ale rozdzielczość byłaby inna na początku a inna na końcu zakresu. Wszystko zależy od zastosowania. Musimy coś więcej wiedzieć. Czekamy.

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[AlaMor]

Więc tak, przedstawiony powyżej schemat jest częścią układu który rozładowuje ogniwo litowo jonowe od 4,2v do 3v jednocześnie dokonując pomiaru prądu rozładowującego w celu obliczenia pojemności ogniwa.

Cały układ jest zasilany tylko i wyłącznie z rozładowywanego ogniwa.

Dla rezystora 220 Ohm oraz napięcia zasilania uC 4,2v prąd bazy tranzystora wynosi ok 17mA a tranzystor jest w stanie nasycenia.

Ogniwo mogę spokojnie rozładowywać przy pomocy PWMa kluczującego tranzystor.

Mam wtedy możliwość regulacji prądu rozładowującego w zakresie od 0A do 1A.

Oczywiście jest to prąd uśredniony odczytywany z zasilacza (w trakcie testów korzystam z zasilacza zamiast ogniwa Li-Ion).

Ale w takiej sytuacji pomiar napięcia na rezystorze 0,1 Ohm zawsze dostarcza taki sam wynik ponieważ ogniowo jest rozładowywane impulsowo.

Dlatego też chciałbym mieć możliwość regulacji prądu bazy tranzystora w zakresie 0-17mA.

Próbowałem już zrobić filtr dolnoprzepustowy RC dodając kondensator za rezystorem 220 Ohm (oczywiście równolegle, jedną nóżką wpiętym do masy).

Nie przyniosło to zamierzonego efektu pomimo wypróbowania różnych wartości pojemności kondensatora.

Nie zależy mi na liniowości ani prądu bazy ani prądu kolektora.

Zależy mi tylko na wyprowadzeniu tranzystora ze stanu nasycenia oraz dokonywania pomiaru prądu kolektora dla wartości mniejszych od maksymalnej.

Dobór odpowiedniego tranzystora i radiatora to żaden problem.

I zdaje sobie sprawę z tego, że tranzystor będzie bardziej się bardziej grzał gdy jego punkt pracy znajdzie się po środku zakresu (czyli nie będzie pracował w stanie nasycenia).

Napięciem odniesienia dla ADC w uC jest wewnętrzne źródło 2,5v i do pomiaru prądu narazie nie planuje zastosować żadnego dodatkowego wzmacniacza operacyjnego. Wiem, że w ten sposób nie wykorzystam całego zakresu pomiarowego ADC w uC.

Rozwiązanie z przetwornikiem DAC odpada ponieważ jest to pójście na łatwiznę a nie o to chodzi.

Jeśli nie uda mi się rozwiązać problemu przy pomocy kilku dodatkowych elementów to będę dalej kombinować z przetwornikiem DAC R2R zbudowanym z kilku rezystorów i wykorzystującym kilka dodatkowych wyprowadzeń uC.

[OldSkull]

A ja proponuję wykorzystać mosfeta i filtr RC na bramce. W ten sposób możesz dość dokładnie sterować prądem. Niestety shunt na źródle musiałby wylecieć aby nie robić problemow przy sterowaniu. Z nim będzie działać, ale mniej stabilnie. Pewnym wysiłkiem będzie dobranie tranzystora.