Diskrete Strombegrenzung mit OPV: Rückkopplung?

[Sven P. (Gast)]

Hallo,

habe da neulich folgende Schaltung gefunden:
Beitrag "Re: Strombegrenzung"
Klar, R2 setzt Strom in proportionale Spannung um, R1 und das Poti 
teilen eine Referenzspannung und der Rechenverstärker regelt am 
Transistor.

Nun ist der LM358 ja kein Komparator, sondern ein gewöhnlicher 
Rechenverstärker.
Darüber wundere ich mich: Braucht der hier keine Gegenkopplung?

Vielen Dank für Erleuchtung und viele Grüße,
Kama

[Lukas K. (carrotindustries)]

Sven P. schrieb:
> Braucht der hier keine Gegenkopplung?

Ebendiese hat er doch. Die Ausgangsspannung wird so hingekurbelt, dass 
die an R1 abfallende Spannung gleich der Spannung am nichtinvertierenden 
Eingang des Opamps ist.

[Nachtaktiver (Gast)]

Ich sage es mal mit Vorsichtigen-Gefährlichen Halbwissen:

An sich würde ich es mit "Strom-Spannungs" Gegenkopplung erklären.
Wenn der Rechenverstärker aufreißt steigt die GS-Spannung und der Mosfet
schaltet durch. Als Folge dessen muss der Strom ansteigen und die 
Spannung an R1 steigt. - Und bildet somit die Gegenkopplung.

[Sven P. (Gast)]

Luk4s K. schrieb:
> Sven P. schrieb:
>> Braucht der hier keine Gegenkopplung?
>
> Ebendiese hat er doch. Die Ausgangsspannung wird so hingekurbelt, dass
> die an R1 abfallende Spannung gleich der Spannung am nichtinvertierenden
> Eingang des Opamps ist.

Ja schon, über den Transistor, also quasi über den ganzen Regelkreis.

Ich könnte mir vorstellen, dass die Regelung schwingt, wie ein 
Kuhschwanz.

[Sven P. (Gast)]

Nun, auch die Simulation sagt:
Bei leicht getakteter Belastung (wenige kHz) schwingt die Schaltung wie 
besagter Kuhschwanz...

Was könnte man denn da machen?

[Nachtaktiver (Gast)]

Indem du die Rüchführung entsprechend kompensierst.
Schau dir hier mal um und Suche nach Stromsenke, Elektronische Last etc.

Hin und wieder gibt es hier solche Threads wo sowas ausführlich 
diskutiert wird und auch gute Lösungsansätze zu finden sind.
Mein Spontanter einfall wäre ein Widerstand zwischen R1 und Q1 und dann
ein Kondensator vom Inventierenden Eingang zum Ausgang den 
Rechenverstärkers.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Ich finde auch gerade keinen entsprechenden Thread und auch keinen
Schaltplan. Aber so geht's:

- Widerstand 100Ω bis 1kΩ (hängt vom maximalen Ausgangsstrom des Opamp
  ab) zwischen Opamp-Ausgang und Mosfet-Gate

- Widerstand ca. 10kΩ zwischen Mosfet-Source und invertierendem
  Opamp-Eingang (anstelle der direkten Leitung)

- Kondensator 10pF bis 1nF (hängt von den Mosfet-Parametern und der
  restlichen Schaltungsdimensionierung ab) vom Opamp-Ausgang zum
  invertierenden Eingang

[Nachtaktiver (Gast)]

@Yalu:
Für eigenene Nachforschungen habe ich oft solche Threads gesucht und 
auch gefunden aber jetzt konnte ich diese auch nicht finden.
Der Suchindex wurde vorkurzen neu überarbeitet, vielleicht es ja daran 
das diese nicht mehr Auffindbar sind.

[Sven P. (Gast)]

So, habs mal spaßeshalber bipolar auf dem Steckbrett nachgebaut.
Ist ein wunderbarer Sender geworden, wie auch die Simulation zeigt 
(Strom überm Lastwiderstand, Spannung am Ausgang des Rechenverstärkers 
gemessen).

Zur Schaltung: Da hab ich was genommen, was ich demnächst auch brauchen 
werde. Der Leistungstransistor Q1 wird über Q2 durchgesteuert, der 
wiederum von einem Prozessor gesteuert wird. Als Strombegrenzung 
entzieht Q3 dem wiederum den Basisstrom.

Yalus Widerstände habe ich eingebaut; der Kondensator brachte leider 
keine Besserung :-/
Liegts etwa an der Phasenverschiebung durch die beiden Transistorstufen, 
dass es so schön sendet..?

[Ralph B. (rberres)]

Vielleicht hilft ja ein Kondensator zwischen -Eingang und Ausgang des 
OPs.

Ralph Berres

[Helmut S. (helmuts)]

Falsche Schaltung.

Du sollst hinter dem OPamp keine Spannungsverstärkung haben!

Mach nur Emitterfolger rein un es wird funktionieren.
Zur Sicherheit siehts du im Layout dann noch einen kleinen C zwischen 
-Eingang uns Ausgang des Opamp vor (100p?).

[Sven P. (Gast)]

Offenbar ja nicht..

Sven P. schrieb:
> Yalus Widerstände habe ich eingebaut; der Kondensator brachte leider
> keine Besserung :-/
> Liegts etwa an der Phasenverschiebung durch die beiden Transistorstufen,
> dass es so schön sendet..?

[Stephan (Gast)]

Alle Transistoren sind im Schaltbetrieb. Das kann nichts werden:

- Q2 ist ein (in Sättigung); Q1 genauso
- Last-Strom wird zu hoch
- Q3 wird (langsam) eingeschaltet
- Basisstrom für Q2 reduziert sich (er hätte eh viel weniger gebraucht)
- Basis Q2 wird ausgeräumt
- Kollektorstrom Q2 fällt ab
- Basis Q1 wird ausgeräumt (dauert, da über parasitäre Kapazitäten und 
den fallenden Emitterpegel noch Strom kommt)
- Strom fällt unter Sollwert

Da ist dann wiederum Q3 bereits völlig gesättigt. Kein Strom mehr in Q1 
und Q2.
Jetzt wird Q3 wieder ausgeräumt (dauert). Q2 und Q1 wieder voll 
eingeschaltet und das ganze geht von vorne los.

Statt Q2+Q3 nen Emitterfolger für den OPAmp. Ausschalten über nen 
weiteren NPN mit dem du dem Emitterfolger den Basisstrom klaust (der 
darf dann für die Strom-Regelung auch gerne in die Sättigung gehen).

[Lukas K. (carrotindustries)]

Ich habe das ganze auch mal mit einem Mosfet simuliert: Die Last wird 
mit dem Schalter variiert. Auch Ohne C1 schwingt die Schaltung bei 
DC-Last nicht, bei verändernder Last gibt es nur kleine Überschwinger.
Du könntest bei deiner Simulation noch versuchen, ähnlich wie bei mir 
den C1 anzubringen. Vielleicht kommst du so der Schwingneigung bei.

[Nachtaktiver (Gast)]

Was ich auch schon mal gesehen habe ist parrallel zum Gatewiderstand 
einen Kondensator zu schalten. Vielleicht könnte Ihr damit auch ein 
wenig experimentieren.

[Sven P. (Gast)]

Stephan schrieb:
> Alle Transistoren sind im Schaltbetrieb. Das kann nichts werden:
Naja. Aua halt -_-
An sowas Offensichtliches hab ich noch garnicht gedacht, Schande über 
mich.


> Statt Q2+Q3 nen Emitterfolger für den OPAmp. Ausschalten über nen
> weiteren NPN mit dem du dem Emitterfolger den Basisstrom klaust (der
> darf dann für die Strom-Regelung auch gerne in die Sättigung gehen).
Klar.

Danke :-)

[Stephan (Gast)]

Mit 8 Ohm RLast + 0.33 Ohm Rshunt kommst du allerdings nie an die 
Strombegrenzung (bei 40V)...

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Das Diagramm in endstufe2.png sieht irgendwie zu perfekt aus ;-)

Edit: Klar, da wird ja auch gar nichts geregelt, und der Ausgang des
LM358 ist ständig auf Maximum.

[Sven P. (Gast)]

Oh je. Für heut lass ich es, morgen nochmal neu.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

> Oh je. Für heut lass ich es, morgen nochmal neu.

Wieso neu? Die Schaltung sieht doch nach der Änderung schon ganz gut
aus. Du musst eben nur den Strom so einstellen, dass er am Ausgang auch
tatsächlich fließen kann. Oder eben den Lastwiderstand verringern.

[Sven P. (Gast)]

Yalu X. schrieb:
>> Oh je. Für heut lass ich es, morgen nochmal neu.
>
> Wieso neu? Die Schaltung sieht doch nach der Änderung schon ganz gut
> aus. Du musst eben nur den Strom so einstellen, dass er am Ausgang auch
> tatsächlich fließen kann. Oder eben den Lastwiderstand verringern.

Schon klar, der kleine Wert da im Spannungsteiler steht noch von einer 
Messung drin. Soll ja eigentlich ein Poti sein.

Allerdings bekomme ich Probleme, genügend Basisstrom zusammenzukriegen. 
Für den OPV hab ich hier leider keine höhere Hilfsspannung zur 
Verfügung; mit den 5V und einem Rail-to-Rail-Verstärker wird das sehr 
eng beim Emitterfolger.

Vielleicht sollte ich den Kuhschwanz schwingen lassen und es als 
PWM-Regelung verticken? :-}

[Nachtaktiver (Gast)]

Eine Alternative wäre es den BD243 durch einen Modernen Transistor mit 
einen besseren hFe zu wählen. Spontan würde mir der 2SK5198 einfallen.

Eine andere Möglichkeit wäre es vielleicht auch Spannungsteiler R2/R2 zu 
tricksen.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

> Vielleicht sollte ich den Kuhschwanz schwingen lassen und es als
> PWM-Regelung verticken? :-}

Bei so vielen Amperes (aus deiner ersten Schaltung lese ich ab, dass
mindestens 5A geplant sind) könnte man sich ohnehin überlegen, ob nicht
ein Schaltregler die bessere Lösung wäre.

[Sven P. (Gast)]

Yalu X. schrieb:
>> Vielleicht sollte ich den Kuhschwanz schwingen lassen und es als
>> PWM-Regelung verticken? :-}
>
> Bei so vielen Amperes (aus deiner ersten Schaltung lese ich ab, dass
> mindestens 5A geplant sind) könnte man sich ohnehin überlegen, ob nicht
> ein Schaltregler die bessere Lösung wäre.

Nun, es wird ja getaktet. Diese analoge Strombegrenzung stellt nur den 
Notnagel dar, falls der Prozessor (der ansonsten die Takterei übernimmt) 
versagt.

[Sven P. (Gast)]

Um nochmal drauf zurückzukommen:

Stephan schrieb:
> Alle Transistoren sind im Schaltbetrieb. Das kann nichts werden:
>
> - Q2 ist ein (in Sättigung); Q1 genauso
> - Last-Strom wird zu hoch
> - Q3 wird (langsam) eingeschaltet
> - Basisstrom für Q2 reduziert sich (er hätte eh viel weniger gebraucht)
> - Basis Q2 wird ausgeräumt
> - Kollektorstrom Q2 fällt ab
> - Basis Q1 wird ausgeräumt (dauert, da über parasitäre Kapazitäten und
> den fallenden Emitterpegel noch Strom kommt)
> - Strom fällt unter Sollwert
>
> Da ist dann wiederum Q3 bereits völlig gesättigt. Kein Strom mehr in Q1
> und Q2.
> Jetzt wird Q3 wieder ausgeräumt (dauert). Q2 und Q1 wieder voll
> eingeschaltet und das ganze geht von vorne los.

Diese Beschreibung leuchtet sogar mir ein.
Wo aber weicht die Beschreibung von einem funktionierenden Regler ab? 
Will meinen, ein solcher Regler würde ja auch ähnlich einschwingen.

Versaut es da tatsächlich das 'Bisschen' Verzögerung durch die 
gesättigten Transistoren?

[Stephan (Gast)]

Sven P. schrieb:
> Versaut es da tatsächlich das 'Bisschen' Verzögerung durch die
> gesättigten Transistoren?

Naja, auch die hohe Nachverstärkung und die Phasenverschiebung (da geht 
die Zeit für die Entsättigung rein).

Ist wie wenn du ein Schiff steuerst und Auto gewohnt bist. Nachdem sich 
erstmal nichts tut drehst du das Ruder bis Anschlag. Dort bleibt es 
auch, weil sich immer noch nichts tut.
Und wenn das Schiff anfängt spürbar zu drehen ists zu spät um 
zurückzurudern...

Im ersten Schaltplan (kein Typ für Q1 angegeben) ist der Kollektorstrom 
Q2 bei 80mA (voll durchgeschaltet). Dafür braucht Q2 ca. 0,4mA 
Basisstrom.
Um die 0,4mA von Q2 abzuziehen muss sich der Kollektorstrom von Q3 um 
den gleichen Wert ändern. Der braucht dafür ne Basisstromänderung von 
1µA.

Über den 1k-Widerstand macht das am Opamp 1mV Differenz für An/Aus.
Das wäre so dein linearer Bereich...

Simulation: Nimm mal nen Kondensator mit 100n-1µ als Rückkopplung für 
den Opamp. Die genannten 10p-1n wären für "normale Verhältnisse", nicht 
aber bei einer Abschwächung um Faktor>1000.
Praktisch wird dir aber die kleinste Störung die Schaltung wieder zum 
Schwingen bringen. Und mit Ein-/Ausschalten ist bei nem so großen C auch 
Essig.

[Sven P. (Gast)]

(Anhang vergessen, daher nochmal gelöscht)

Stephan schrieb:
> [...]
Schön beschrieben, so wird einiges verständlicher.

Also ein neuer Versuch im Anhang. Ich habe pessimistisch bzgl. hFE
gerechnet:
- Der Leistungstransistor (Q2) soll den Nennstrom von 5A steuern, hFE
schlimmstenfalls 25, Basisstrom also rund 200mA.
- Nebst Spannungsabfall über dem Shunt und Nebenstrom über R2 fließen
240mA über Q1, Q2 kriegt davon 230mA ab.
- Q1 braucht für 240mA Kollektorstrom bei hFE schlechtestens = 65 dann
3,7mA Basisstrom, um den Leistungstransistor (Q2) auf Nennstrom (5A) zu
steuern.
- Über R5 macht das 3,7V als linearen Bereich am Rechenverstärker.
- Q3 ist digital und darf sättigen, also unkritisch.

Ist das so realistischer?

PS: Ich bin drittes Semester Elektrotechnik; Halbleiterelektronik habe
ich erst seit zwei Wochen und Vorkenntnisse..naja.

[Stephan (Gast)]

Sven P. schrieb:
> Ist das so realistischer?

Dein C1 ist ziemlich kontraproduktiv. Mach den raus.
Der Opamp sieht dadurch erst viel später die Auswirkungen seines tuns 
(bei 100n+1k vmtl. nie).
Er soll aber so schnell wie möglich einen ersten Eindruck von den 
kommenden Veränderungen bekommen...

Dein Shunt ist jetzt glaub ich auch recht klein.

[Stephan (Gast)]

Hab dir mal was aufgemalt...

Hier wird der Vorgabewert für den Strom runtergezogen (wird dann aber 
nie ganz 0). Sonst startet der OPV beim Einschalten immer mit maximaler 
Ausgangsspannung und muss erst mal seinen halben 
Ausgangsspannungsbereich durchfahren.
Um ganz auszuschalten evtl. mit 2 Transistoren sowohl Vorgabe als auch 
Basisstrom Q1 runterziehen.

C1 und C2 dienen zum schnellen Inforückfluss an den OPV. Höhere 
Basisspannung am Leistungstransistor führt ziemlich bald zu mehr Strom. 
Das soll der OPV schnellstmöglich mitbekommen (sobald das Kommando 
gegeben ist, nicht erst wenn Herr Transistor sich bequemt zu reagieren).
Zu starke Rückkopplung (große Cs) macht die Regelung "übervorsichtig" 
und langsamm.
Zu wenig/keine Rückkopplung macht die Regelung aggressiv. Es wird dann 
laufend übers Ziel hinaus geschossen und die Sache schwingt.

[Sven P. (Gast)]

Stephan schrieb:
> Sven P. schrieb:
>> Ist das so realistischer?
>
> Dein C1 ist ziemlich kontraproduktiv. Mach den raus.
> Der Opamp sieht dadurch erst viel später die Auswirkungen seines tuns
> (bei 100n+1k vmtl. nie).
> Er soll aber so schnell wie möglich einen ersten Eindruck von den
> kommenden Veränderungen bekommen...
Ok, das konntest du natürlich nicht wissen:
Der darf ruhig verschlafen. Die Stromregelung soll dann eingreifen, wenn 
der Prozessor versagt und seine PWM nicht mehr aufrecht erhalten kann. 
Das soll die Motorwicklungen vor zu viel Gleichstrom schützen -- wird 
nicht mehr im Takt umgepolt, sackt der induktive Blindwiderstand in den 
Keller, und bei 40V Strangspannung raucht das mitunter erheblich.

Andererseits soll der Regler aber nicht jeder Stromspitze 
hinterherlaufen, ich brauch ja auch Anfahrstrom und so weiter.

[Kai Klaas (Gast)]

Was willst du eigentlich schützen? Irgend einen Transistor, den Shunt 
oder den Motor selbst? Wenn du wirklich einen hohen Anlaufstrom 
wünschst, sollte ein Schutz mit einer trägen Schmelzsicherung reichen. 
So eine Panzersicherung solltest du sowieso für den Fall vorsehen, daß 
die Regelung nicht funktioniert.

Kai Klaas

[Sven P. (Gast)]

Die Transistoren verkraften das, ehe die durchgehen, sacken die 
Netzteile ein.

Zu schützen sind die Motoren, und zwar vor Stillstand der 
Pulsweitenregelung des Prozessors (in der Simulation die Spannungsquelle 
mit PULSE).

Ausreichende Sicherungen sind natürlich vorgesehen :-)

[Kai Klaas (Gast)]

>Ausreichende Sicherungen sind natürlich vorgesehen :-)

Die sollten doch wohl reichen. Die thermische Zeitkonstante eines Motors 
sollte deutlich größer sein, als die einer geeignet dimensionierten 
Schmelz-Sicherung.

Kai Klaas

[Stephan (Gast)]

Kai Klaas schrieb:
> Die sollten doch wohl reichen. Die thermische Zeitkonstante eines Motors
> sollte deutlich größer sein, als die einer geeignet dimensionierten
> Schmelz-Sicherung.

Für den Anwendungsfall Motor auf jeden Fall.
Strombegrenzung als Regler macht in dem Fall wenig Sinn und ist nur eine 
zusätzliche Fehlerquelle.
Ggflls. ne elektronische Sicherung.

[Kai Klaas (Gast)]

>Strombegrenzung als Regler macht in dem Fall wenig Sinn und ist nur eine
>zusätzliche Fehlerquelle.

Sehe ich auch so.

>Ggflls. ne elektronische Sicherung.

Man könnte die Überstromabschaltung auch digital machen: Einfach den 
Treiber abschalten, bis der nächste Impuls kommt. Oder den 
Mikrocontroller bei Überstrom resetten.

Kai Klaas

[Kai Klaas (Gast)]

So, zum Beispiel.

Der 80C51 wird zurückgesetzt, sobald die PWM-Pulse ausbleiben, oder wenn 
für eine gewisse Zeit zuviel Strom durch den Motor fließt.

Gleichzeitig ist der MAX1232 ein hervorragender Reset-Chip für den 
80C51.

Kai Klaas

[Sven P. (Gast)]

Reset-Chip kenne ich. Geht hier aber leider auch wieder nicht, da ich 
andernfalls Probleme mit dem Protokoll (Bus) bekomme :-/

Ich baus halt mal so auf. Immerhin hab ich an den Ausführungen in diesem 
Thread schon mehr gelernt, als in zwei Semestern Elektrotechnik.
Schon deshalb sei es mir den Versuch wert :-)

[Kai Klaas (Gast)]

Es gibt noch andere digitale Möglichkeiten, ohne den µC zurückzusetzen. 
Beispielsweise mit einem Monoflop.

Kai Klaas

[Stephan (Gast)]

Sven P. schrieb:
> Immerhin hab ich an den Ausführungen in diesem
> Thread schon mehr gelernt, als in zwei Semestern Elektrotechnik.

Das kommt schnell vor.
Ich hab die Theorie vorzeitig sein lassen und muss mir jetzt mit dem 
Ruder von Schiffen helfen um die Sachen zu versetehen... Brauch ich aber 
eh nur selten.

Sven P. schrieb:
> Schon deshalb sei es mir den Versuch wert :-)

Zum Lernen gerne, ansonsten wäre das wichtigste Ergebnis: keep it 
simple.
Lass alles weg was Du nicht unbedingt brauchst.

[Kai Klaas (Gast)]

>Es gibt noch andere digitale Möglichkeiten, ohne den µC zurückzusetzen.
>Beispielsweise mit einem Monoflop.

Zum Beispiel so wie im Anhang. Der CD4538, ein retriggerbarer Monoflop, 
wird zurückgesetzt, sobald die PWM-Pulse ausbleiben, oder wenn
für eine gewisse Zeit zuviel Strom durch den Motor fließt.

Kai Klaas