シンプルな電流制限回路の最適化を支援

電流制限回路のシミュレーションを実験しています。4.8V の固定電源を想定して、電流を約500mAに制限しようとしています。私はこのウィキペディアのページにあるような回路を使い始めました...

CircuitLabを使用してこの回路のシミュレーションを行いました。以下に結果を示します。左側の回路は単純な直列抵抗を使用して電流制限を行っていますが、右側の回路はWikipedia回路に基づいています。R_biasとR_loadの値を調整して、負荷が0オームのときにソースから480 mAを超える電流が流れないようにしています。また、トランジスタのhFEを65に設定して、手渡しが必要ないくつかのパワートランジスタで行ったマルチメータ測定値と一致させました。電流計に隣接する値は、シミュレーションされた値です。

ここで10Ω負荷を作成すると、電流制限回路が直列抵抗より優れている理由が明らかになります。電流制限回路はその実効抵抗を下げ、直列抵抗を使用する場合よりも多くの電流を流します。。

ただし、この場合でも、電流制限回路は直列抵抗を提供しています。理想的な電流リミッターは、負荷が制限よりも多くの電流を引き込もうとするまで、抵抗がまったくありません。これをよりよく達成するためにR_biasとR_loadを調整する方法はありますか、これをよりよく達成するのに役立つ回路調整がありますか？

示されている回路は機能しますが、トランジスタとRsenseは考慮に入れなければならない電圧降下を作成します。
あなたが見ているのはこれの影響です：

480mAでは、10Ω抵抗の両端の電圧降下は4.8Vになるため、トランジスタの飽和電圧やRsense電圧降下に「余裕」はありません。
したがって、電流は（Vsupply-Qsat-Vrsense）/ Rloadになります。これを修正するには、電源を数ボルト上げて、再度0Ωおよび10Ωテストを試します。また、Rdefendをかなり低く（<10Ω）すると、
（ほとんど）違いが見られないはずです。

より良い結果を得るには、ゲインが大きいほど良いです。注意すべきもう1つの点は、（Daveが彼の回答で述べているように）RbiasはRsense設定よりも高い制限点を持つ必要があるということです。トランジスタのゲインが65で、Rsenseを500mAに設定したい場合、Rbiasは500mAを超えるように設定する必要があります。500Ωの場合、絶対制限は65 *（（5V-1.4V）/500Ω）= 468mAに設定されるため、Rsenseが500mAに設定されていても取得できません。この設定を回避するには、たとえば250ΩのRbiasを設定するか、以下で説明するように、Q1にMOSFETを使用し、値はそれほど重要ではありません（10kΩで十分です）。

別のオプションは、一般的なオペアンプの定電流回路を使用することです：

4.8Vの電源、500mAに制限された電流、Rloadが1mΩから50Ωに掃引され、それを流れる電流がこれに対してプロットされたシミュレーション（電流は制限されている間、500mAでフラットのままであることに注意してください）：

これは4.8V電源での500mA制限の要件を満たし、入力電圧R2 / R3分圧器を介してオペアンプの非反転を変更することで簡単に調整できます。式はV（opamp +）/ Rsense = I（Rload）です。たとえば、1Vリファレンスは20で除算されて、opamp +入力で50mVになるため、50mV /100mΩ= 500mAとなります。
MOSFETは、問題を複雑にするベース電流エラーを回避するために使用されます（低いVthのMOSFETを使用して、元のトランジスタ回路で物事を改善することもできます）

ここには根本的な誤解があると思います。制限電流値を設定するのはRbiasではなく、RsenseとQ2のVbe低下の組み合わせです。

最初の回路には2つの異なる電流制限効果があります。1つはRbiasを流れる電流にQ1のゲイン（電流伝達比）を掛けたもので、もう1つはQ2のVbeをRsenseで割ったものです。1つ目は、表示される470 mAの値を示しますが、これは制御が不十分です。このモードで起こっていることは、回路がRbias / Hfe、またはこの場合は約7.8Ωの値を持つ抵抗のように動作していることです。電流は依然として供給電圧によって変化します。

2番目のメカニズムでは、約600 mA（つまり、0.6V /1Ω）の値が得られ、より明確に「膝」が定義されます。この場合の有効なソース抵抗は、RsenseにQ2とQ1を組み合わせたゲインを掛けたものです。 、理想的な電流源にはるかに近い。ただし、このメカニズムが機能する現在のレベルには達していません。

あなたは言う

「理想的な電流リミッターは、負荷が制限よりも多くの電流を引き込もうとするまで、抵抗がまったくありません。」

理想的な電流センサーは、無限ゲインアンプを使用して、ゼロオーム抵抗の電圧上昇を測定します。
無視できる電圧降下を引き起こすのに十分低い抵抗を使用して、ゼロオーム抵抗を概算します。
「問題」は、基本的な回路に根本的な欠陥があることです。同様の理想的な回路を実装することさえ試みていません。代わりに、必要なセンス電圧であるため、Vbe電圧降下を使用します。これにより、Vsenseの下限と下限が設定されます。

Q2でVbeドロップまたは同等の検知しきい値を使用している限り、理想的なソリューションに近づくことはできません。必要なのは、ゼロボルトに近い電圧を検出する「コンパレータ」です。たとえば、5V電源= 2％の0.1ボルトの降下はほとんどの目的に適している可能性がありますが、必要に応じてVsense = 0.01ボルトと言って回路を構築できます。

ICコンパレータまたはオペアンプを使用するのが簡単で明白な選択ですが、必要に応じて、トランジスタのみから適切なコンパレータを構築できます。V +を基準とする共通ノードを持つPNPの「ロングテールペア」を使用するか、電圧の変化をより高い電圧で動作するトランジスタベースに転送する分圧器ストリングの下部として機能する、電圧入力が〜= 0VのNPNトランジスタを使用します。

以下の回路は、 1つのトランジスタからのビルドアップを提供するここからのものです-

それが意味をなさない場合は、ウィキペディアを見て
ください-差動アンプ

そしてこれは、多くのリードを提供します

これは、PNPとNPNのロングテールペアが内部にあるIC です。これは、数百MHz（またはそれ以上）の動作に対して作成されていますが、何を購入できるかを示しています。

ずっと前に彼らはこのように見えました:-)：