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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Komisches Simulationsergebnis bei LTspice


Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Die simulierte Schaltung soll eine per PWM gesteuerte, verpolsichere 
elektronische Last werden.

V1 ist die Spannungsquelle, die belastet werden soll (grüne Linie im 
Diagramm): Sie gibt die ersten 200 µs 0 V aus, schaltet dann für weitere 
200 µs auf 1.2 V und wird bei 400 µs auf -1.2 V umgepolt, um den 
Verpolschutz zu testen.

Die blaue Linie ist der Spannungsverlauf über R1

Die rote Linie ist die mit dem Faktor 0.1 skalierte Gatespannung der 
beiden FETs.

Ich würde von der Schaltung erwarten, daß sie bei positiver Spannung an 
V1 einen hohen Strom (=> hohe Spannung über R1) durchläßt und nach der 
Umpolung sperrt.

Wieso hat der Spannungsverlauf über R1 (blau) so einen unerwarteten 
Verlauf?

Autor: B e r n d W. (smiley46)
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Weil die MOS-FETs in umgekehrter Richtung wie eine Diode wirken.

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Das ist kein Fehler, sondern Bestandteil des Verpolschutzes, die FETs 
sind antiseriell geschaltet - oder willst du sagen, daß LTspice mit 
rückwärts betriebenen MOSFETs nicht zurecht kommt?

Autor: Tipgeber (Gast)
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Nach 0,5 ms ist der obere Fet durchgeschaltet, es wirkt R(ds/on), der 
Strom fließt rückwärts über diesen, ggf. auch über die Inversdiode. Ergo 
ist die Verbindung der Sourceranschlüsse negativ, und der untere Fet 
schaltet/bleibt ebenfalls ein, oder so ähnlich (?).

Dzwischen: Übergang, Ladung der Gate-Kapazitäten.

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Der untere FET wird rückwärts betrieben, sollte also wie eine Diode 
wirken.

Der obere arbeitet als Konstantstromquelle (mit der Substratdiode des 
unteren in der Source-Leitung).

Wenn V1 umpolt, vertauschen die FETs ihre Rollen: Der obere wirkt als 
Diode und beim unteren ist die Gatespannung auf Source-Potential => er 
macht zu.

So sollte es wenigstens sein...

Beide FETs sind NCHANNEL-Typen.

Autor: Tipgeber (Gast)
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" ... beim unteren ist die Gatespannung auf Source-Potential "

Ist sie das ?

Autor: T. H. (pumpkin) Benutzerseite
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Wenn er sperren sollte (rechte Quelle verpolt) dann hast du über R1 eine 
(kleine) negative Spannung (bezogen auf GND), ergo macht der OPA auf und 
steuert die FETs an.

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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T. H. wrote:
> Wenn er sperren sollte (rechte Quelle verpolt) dann hast du über R1 eine
> (kleine) negative Spannung (bezogen auf GND), ergo macht der OPA auf und
> steuert die FETs an.

Bei Verpolung fällt eine negative Spannung über R1 ab, das vergrößert 
die Regelabweichung und macht den OP auf, die Gates gehen auf ca. +12 V, 
währen die Source von M2 auf V1 = -1.2 V - Schwellspannung der 
Substratdiode liegt. Ergo macht M2 auf und der Strom ist nur noch durch 
die Diode und R1 begrenzt.

Ok, das klingt plausibel.

Was ich aber noch nicht verstehe ist, warum im Vorwärtsbetrieb der OP zu 
macht und das Ding nicht als Konstantstromquelle arbeitet, sondern 150 
µs nachdem V1 auf 1.2 V ging zu macht.

Autor: T. H. (pumpkin) Benutzerseite
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Sieht aus als wenn das Gate geladen wird. Mach mal einen Widerstand von 
der Gateleitung zwischen die beiden FETs (also an Source der beiden). 
Größenordnung testweise mehrere 100k...

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Das ändert rein garnichts.

Autor: yalu (Gast)
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> Ich würde von der Schaltung erwarten, daß sie bei positiver Spannung
> an V1 einen hohen Strom (=> hohe Spannung über R1) durchläßt und nach
> der Umpolung sperrt.

Bei positiver Spannung sollte der Strom U+/R1 fließen, wenn U+ die
Spannung am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers ist.
Da U+ innerhalb der ersten 0,4ms noch 0 ist (Zeitkonstante R4*C1), wird
also auch der Strom auf 0 geregelt (Bereich von 0,35ms bis 0,4ms). Da
der Operationsverstärker schneckenlangsam ist, dauert das aber eine
Weile (0,2ms bis 0,35ms).

Bei negativer Spannung ist der Strom (weil negativ) immer kleiner als
das Soll, weswegen der Operationsverstärker die MOSFETs maximal öffnet.
Deswegen liegt praktisch die gesamte negative Spannung an R1 an (0,4ms
bis 1ms).

> Wieso hat der Spannungsverlauf über R1 (blau) so einen unerwarteten
> Verlauf?

Welchen Verlauf hast du denn erwartet?

Ich würde M1 durch eine Diode ersetzen, M2 umdrehen und einen
schnelleren Operationsverstärker nehmen.

Autor: T. H. (pumpkin) Benutzerseite
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Moment mal. Mach mal den gleichen Plot jedoch inklusive der 
Steuerspannung von V2.

Edit: Und belaste den OPA.

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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T. H. wrote:
> Moment mal. Mach mal den gleichen Plot jedoch inklusive der
> Steuerspannung von V2.
>
> Edit: Und belaste den OPA.

Ok, V2 war falsch eingestellt. Im Vorwärtsmodus funktioniert es jetzt 
als Konstantstromquelle.

Die Verpolsicherheit versuche ich jetzt mal mit einer Diode in der 
Drain-Leitung von M1.

Autor: Hugo Ratlos (Gast)
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Die Schaltung soll also auch im "Negativbetrieb" den Strom konstant 
halten? Das kann ja nicht gehen, weil auch der Strom die Richtung 
ändert. Der Opamp regelt ja nur positive Spannungen an R1.

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Nein, soll sie nicht. Falls der Akku, der über die Schaltung 
kontrolliert entladen wird, verkehrtrum angeschlossen ist, soll sie zu 
machen.

Wenn ich eine Diode (LTspice bietet in der Lib nur Silicium- und 
Schottky-Dioden an) in den Strompfad von V1 einbaue, dann funktioniert 
bei 1.2 V Zellenspannung der Konstantstromquelle nicht mehr.

Nun habe ich die Spannung V1 auf +/- 1.5 V erhöht - dann funktioniert es 
wieder. Wenn man eine GE-Diode nimmt, sollte es dann eigentlich auch mit 
NiMH funktionieren, oder?

Der OPA ist in der Tat ein Opa - für die Simulation reicht er, in die 
Realisierung kommt sowieso was anderes. (Der LT2078 war nur eine 
Verlegenheitslösung, weil die LTspice-Libs in der Beziehung etwas 
einseitig sind.)

Vielen Dank für die Nachhilfe!

Autor: Hugo Ratlos (Gast)
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Ah ok, interessant. Ich würde an Deiner Stelle alle Energie darauf 
verwenden, den Sense-Widerstand zu verkleinern, der momentan ja den 
minimalen Spannungsabfall bestimmt. Ein Opamp ist ja da, was spricht 
dagegen, diesen auch mal ein wenig verstärken zu lassen?

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Oder das PWM-Eingangssignal teilen, daß es wieder zum verkleinerten R1, 
bzw. zum Spannungsabfall darüber paßt. Dann kann geht auch eine normale 
SI-Diode.

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