Hallo zusammen, nachdem ich mich jetzt zwei volle Tage vergeblich mit einem Operationsverstärker herumgeärgert habe, möchte ich Euch gerne an meinem Problem teilhaben lassen... :-) Ich versuche, einen Stromregler zu bauen. Dabei gebe ich eine Sollwertspannung am nicht-invertierenden Eingang des OPs vor und kopple die, über einem vom zu regelnden Strom durchflossenen Shunt, abfallende Spannung auf den invertierenden Eingang zurück. Der Ausgang des OPs ist über einen Treibertransistor mit einem FET verbunden, dessen Drain-Source-Widerstand so den Strom unabhängig von der Spannung regeln soll (vgl. Schaltplan). Simuliert im Circuit Maker 2000 funktioniert die Schaltung. IRL passiert folgendes: Unabhängig vom vorgegebenen Sollwert (auch 0V) geht der Ausgang des OPs sofort in die positive Sättigung und schaltet damit den FET voll durch. Ziehe ich die Basis des NPN-Transistors hart auf Masse, messe ich bei 10V Betriebsspannung am Ausgang des OPs 9,8V, am nicht-invertierenden Eingang (bei 0V Sollwertvorgabe) ca. 50 mV und am invertierenden Eingang um die 130 mV. Ich habe keine Ahnung, warum das Teil sich so verhält. Der TL084 ist ein vierfach-OP von TI, der explizit für Single-Supply-Anwendungen vorgesehen ist. Einen Bauteildefekt schließe ich auch aus, da zwei andere TL084 dasselbe Verhalten zeigen. Hat jemand von Euch eine Idee, was ich da falsch mache? Besten Dank schon mal! Gruß, Rüdiger
Wenn der OP keine negative Spannung (also z.B. +/- 15V) hat hann er am Ausgang auch keine 0V bringen. Der OP besteht intern ja aus jeder Menge Transistoren und daher fallen immer ein paar mV ab. Habe ich selbst schonmal erfahren müssen. Außerdem würde ich keinen FET zum Stromregeln verwenden sondern einen einen NPN-Leistungs- transistor. FETs eignen sich eigentlich nur zum Schalten oder bei PWM-Anwendungen. Versuche es daher mal mit einer neg. Versorgungsspannung und einem anderen Transistor. In der Simulation funktioniert viel wenn der Tag lang ist, vor allem wenn die Simulation von idealen Bauteilen ausgeht, die es in der realität nicht gibt ;-)
Der TL084 kann zwar in der Nähe der positive Spannung noch fuktionieren, aber nicht an der negativen Spannung. Dafür eignet sich eher der pinkompatible LM324, der bis etwa 0,7V an die untere Spannung herankommt. Wenn man noch einen Pull-down-Widerstand an seinen Ausgang schaltet, kann er hochohmig praktisch bis 0 Volt herunter liefern. Aber eine negative Betriebsspannung ist auf jeden Fall sicherer, nimm doch so einen ICL7660 (bis 6V) oder die pinkompatiblen für höhere Spannung ICL7662 oder LT1054 mit zwei Elkos, das sind drei Bauteile zusätzlich. Der OP braucht ja nicht viel Strom.
Dem kann ich nur zustimmen. Wenn du dir das Datenblatt der TL084 ansiehst, wirst du feststellen (unter "Maximum peak output voltage swing"), dass der minimale Ausgangsspannung bei +-15V Versorgung laut datenblatt nur garantierte +-10V bei 10k Last erreicht. Der LM324 ist für solche Anwendungen besser. Er erreicht laut Datenblatt 20mV Ausgangsspannung. Man muss aber beachten, dass er diese niedrige Spannung nur halten kann, wenn der Ausgangsstrom rund 30µA nicht übersteigt. darüber steigt die Ausgangsspannung drastrisch auch ein paar 100mV an. Dass FETs nur zum Schalten und damit z.B. für PWM Anwendungen gut sind, stimmt nicht. Setzt man FETs in solchen Stromquellen ein, hat man sogar einen Vorteil gegenüber der gleichen Schaltung mit Bipolartransistoren, denn bei diesen beeinträchtigt der Basisstrom das "Messergebnis" des OPVs, da dann IB*(B+1) durch den Messwiderstand fließen aber nur IB*B durch den Kollektor. Darüber hinaus kann man sogar normale AB Audio-Endstufen mit FETs aufbauen (wenn man einige Dinge beachtet). Richtig ist jedoch, dass viele MOSFETs für Schaltanwendungen entwickelt werden, was aber nicht heißt, dass sie nicht im linearen Bereich betrieben werden können. Wiesi
In einer ähnlichen Schaltung verwende ich als OP den CA3140, schenke mir aber den bipolaren Treibertransistor (welche Funktion soll der haben?) und steuere einen BUZ11 direkt an.
In einer ähnlichen ELV-Schaltung wird ein TLC277 verwendet, der (ich habe eben nachgesehen) auch bei Single-Supply bis 0V am Ausgang liefern kann. Ich hatte unter Single-Supply die Eigenschaft Rail-To-Rail verstanden. Ihr habt mich erst drauf gebracht, mal ein wenig genauer den TI-Selection-Guide und die FAQ der dse zu lesen. Bevor ich jetzt mit anderen R-R-OPs anfange, wird es wohl wirklich das einfachste sein, einen ICL7660 "nachzurüsten". Vielen Dank, Ihr habt mir sehr geholfen!! Gruß, Rüdiger
@Ruediger Britzen: Ich würde mein Konzept ganz neu überdenken ... 1. Wie schon gesagt ist der TL084 NICHT für eine Speisung mit nur einer Versorgungsspannung geeignet.Der LM358 (2-Fach) oder der LM324 (4-fach) ist dafür wesentlich besser geeignet. 2. Ist der bipolare Transistor überflüssig. 3. Die Spannung an der Source deines FET's hat den gleichen Wert wie deine Spannung am Nichtinvertierenden Eingang des OP-Amps.Das kann mit deiner Speisung für deinen FET mit 1.2 Volt NIE funktionieren !! Deshalb würde ich die Spannung von 12 Volt verwenden. 4.Jetzt regelst Du den Stom auf maximum (5V am Eingang): I=U/R --> 5V / 0.05 Ohm = 100 A. Willst Du das wirklich so machen ? Am 0.05 Ohm Widestand hast Du eine Verlustleistung von: P=I*I*R --> 100 A 100 A 0.05 Ohm = 500 W ! P=U*I --> 5V * 100 A = 500 W ! Viele Grüsse Ruedi
Ja der Messwiderstand muß hohe Verlustleistung können, das ist normal. Allerdings sind 500Watt etwas viel, soll die Schaltung wirklich soviel liefern? Zum Thema Spannungs-Stromwandler gibts eine Applikation von www.national.com im Datenblatt zum Leistungs-OP LM675, die der Schaltung hier sehr ähnlich sieht. (Farnell hat den LM675 soweit ich weiß im Programm.)
@Ruedi Hallo, Namensvetter, nun: zu 1.) Wie ich schon schrieb, werde ich dem TL084 eine negative Spannung mittels ICL7660 verpassen, so dass sich das Problem damit erübrigt. zu 2.) Da bin ich mir nicht so sicher. Wenn ich das Gate umladen möchte, ist das doch über den 10k Widerstand am Ausgang des OPs etwas träge. Das schafft die Stromquelle aus dem Bipolar-Transistor in Kombination mit dem 100 Ohm-Widerstand deutlich schneller, ohne den OP zu belasten. zu 3.) Hm, warum sollte das nicht funktionieren? Über den Widerstand fallen maximal 0.5 V (bei 10 A) ab. Diese Spannung wird auf den nicht-invertierenden Eingang zurückgekoppelt. Die restliche Spannung (zwischen 0.8 und 15V) fällt dann über der Drain-Source-Strecke ab. Ich kann da auch keine beliebige Spannung anlegen, da das ganze einen Stromregler für ein Entladegerät darstellt, und die 1,2V nunmal die Akku-Spannung repräsentieren. zu 4.) Der größte Sollwert am Eingang des OPs ist 0.5 V. Damit erhalte ich dann einen Strom, den mir der OP (hoffentlich) auf 10A (= 0.5V/(0.05 Ohm)) regelt. Der Shunt ist bei Kühlkörpermontage auf bis zu 10W Verlustleistung ausgelegt. Gruß, Rüdiger
@Weisi: Naja, meine FETs konnten das lineare nicht leiden und haben sich ins Nirvana verabschiedet. Ich bin außerdem auch von den Konstantern (zw. 50 und 150A) ausgegangen, die ab und an zur Reparatur auf dem Tisch liegen und da sind immer Bipolare Transen verbaut. Lasse aber gerne meinen horizont erweitern und ist somit angekommen. ;-) Gruß Danny
Das Problem kann nur an der fehlenden negativen Versorgungsspannung liegen. Das Datenblatt (National) weist als minimale Eingangsspannung ca 2V über dem negativen Anschluss aus. Die Ausgangsspannung muss bedingt durch die Schwellenspannung des FET plus Basis-Emitterspannung des BJT im Bereich von mindestens 2-4V liegen. Arno
Das ist die Schaltung mit LM675, sie hat den Vorteil, daß der Verbraucher auf Masse liegt. Die Steuerspannung muß allerdings nach minus gehen. Der Messwiderstand soll hier 10 Watt können. Ich habe damit einen YIG-Oszillator angesteuert, der braucht eine lineare Stromänderung zur Frequenzeinstellung. Die Steuerspannung habe ich am nichtinvertierenden Eingang über einen R angelegt, dann gehts mit positiver Spannung.
Sorry, habe den Punkt bei 0.5 V übersehen .... So sollte es mit einem geeigneten OP-Amp auch mit nur einer Speisung gehen ...
Das ganze ist so vermutlich auch instabil, da du durch parasitäre Elemente im Feedbackpfad eine Verzögerung drinnhast. Also solltest Du evt. noch einen kleinen Kondensator zwischen den Ausgang des OPs und den negativen eingang schalten (ausprobieren, wenige 100 pF).
@Christoph: Der LM675 schafft leider nur 3A. Da ich Ströme bis 10A benötige, kann ich diesen Baustein leider nicht verwenden. @Sebel: Danke für den Tip, das hat mir wahrscheinlich weitere zwei Tage erspart... :-) Ich werde jetzt mal die Reichelt-Bestellung fertig machen und mich dann wieder melden. Ich wünsche einen guten Rutsch! Gruß, Rüdiger
Also: Erstens: Einen anderen OPV wählen, wurde schon öfters gesagt. Der OPV muss mit dem Ausgang nicht nur bis auf 0 Volt runtergehen, sondern die Eingänge müssen bei 0 Volt auch noch funktionieren. Das ist nicht bei allen OPVs so! Zweitens: R1, Q1 und R2 ersatzlos wegstreichen und den Mosfet direkt mit R3 an den Ausgang des OPV ranhängen. Das Problem an diesem Emitterfolger ist, dass das ein weiterer Pol in die Regelstrecke ist und somit die 180° Phasendrehung früher erreicht wird. Und zur Stromverstärkung brauchst Du den Folger nicht, weil der Fet mit einer Spannung gesteuert wird. Drittens: Bandbreite einschränken. Entweder nimmst Du einen ausreichend kompensierten OPV, oder R3 entsprechend dimensionieren dass er mit dem entsprechend Fet einen ausreichenden Tiefpass erzeugt, oder einen Tiefpass in die Rückkopplung, oder die Verstärkung des OPV begrenzen, oder, oder, oder. Auf jeden Fall muss die Schleifenverstärkung bei der 180° Phasenverschiebung bei unter 1 liegen, sonst schwingt Dir die ganze Sache natürlich wie die Sau. Den positiven Eingang über einen RC-Tiefpass direkt am OPV zu führen schadet auch nichts, um eingefangene Störungen zu bedämpfen.
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