Kleines Labornetzteil

[Vanye R. (vanye_rijan)]

Moin zusammen,

Ich entwickel gerade ein kleines Labornetzteil und wollte das mal
zur Diskussion stellen.

Ziel ist 5V Eingang von einer USB-Powerbank. Also tragbar. :-D

Ausgang sollen sein 0.5V bis 12V bei maximal 250mA. 0V sind nicht
notwendig und ich wollte mir den Aufwand einer dann negativen
Versorgung sparen.
Spannung soll spaeter dann ueber einen Mikrocontroller eingestellt
werden, deshalb die 0-2.5V Steuerspannungen.

Im grossen und ganzen funktioniert das zumindest in der Simulation
schon mal. Was mir noch nicht ganz gefaellt ist das Uebergangsverhalten
von Spannung in Strombetrieb und umgekehrt. Da kommt es schon gerne
mal zu einer kleinen Spannungsueberhoehung. Faellt aber nicht auf
wenn der Strom aus dem Schaltregler kommt, trotzdem ist der Regler
da wohl noch etwas unsauber. Wenn da also jemand eine Idee hat...

Es kann sein das ihr beim simulieren auf einen anderen solver (Gear)
umstellen muesst. (Timestep to small)

Weitere Verbesserungen/Anregungen werden wohlwollend geprueft. .-)

Vanye

[Andrew T. (marsufant)]

Die Problematik der Spannungsüberhöhung ist doch ebenfalls bei LT 
analog.com sehr schön beschrieben und gelöst.

Dortiger Beitrag "benchtop Power supply"

D.h du benötigst noch deutlich mehr Aufwand bei den Bauteilen am 
Netzteil Ausgang.

[Michael B. (laberkopp)]

Vanye R. schrieb:
> Weitere Verbesserungen/Anregungen werden wohlwollend geprueft. .-)

Der 2SCR533 erscheint mir trotz Vorregelung und 12V/0.25A deutlich zu 
klein, selbst wenn im Besten Fall bei 0.25A nur 2.5V über ihm anliegen.

Meinst du, dass du U2 wirklich brauchst, macht doch die Stromregelung 
langsamer. Isteuer 1:10 runterteilen.

V+ für die 5mA Konstantstromquelle sollte immer 15V betragen, nicht 
vorgeregelte, schliesslich führt die Konstantstromquellenschaltung zu 
erheblichen Verlusten.

Viele Leute lieben eine LED die Konstantstrombetrieb anzeigt.

R3 als Grundlast kann man ja vergessen gegenüber R2. Ich wurde mehr 
Grundlast vorsehen, schliesslich hängt davon auch die 
Runterregelgeschwindigkeit ohne Last ab. Runter kommt dein Netzteil nur 
wesentlich langsamer als rauf, vor allem wenn nur ein Elko angeschlossen 
wird, was die Regelschleifenauslegung erschwert.

[Arno R. (arnor)]

Vanye R. schrieb:
> Was mir noch nicht ganz gefaellt ist das Uebergangsverhalten
> von Spannung in Strombetrieb und umgekehrt. Da kommt es schon gerne
> mal zu einer kleinen Spannungsueberhoehung.

Das liegt wohl an deiner Schaltungsart mit der Veroderung der Regler. 
Wenn z.B. der Stromregler aktiv ist, geht der Spannungsregler an den 
positiven Anschlag und braucht bei sprungartiger Rückkehr zur 
Spannungsregelung dann eben seine Zeit um wieder auf den richtigen Wert 
einzuregeln. Man kann das vermeiden indem man den Spannungsregler durch 
den Stromregler eingangsseitig abregelt.

Vanye R. schrieb:
> Im grossen und ganzen funktioniert das zumindest in der Simulation
> schon mal.

10nF als kapazitive Last an einem Labornetzteil sind aber auch 
lächerlich wenig und für der Regler keine Herausforderung. Schließ mal 
1000µF an den Ausgang und schau dir dann das Verhalten an. Ich habs 
nicht gemacht, da ich LTSpice nicht benutze.

[Vanye R. (vanye_rijan)]

> analog.com sehr schön beschrieben und gelöst.

Finde ich nicht. Hast du mal einen genauen Link?

> Der 2SCR533 erscheint mir trotz Vorregelung

Das ist derzeit noch ein Schwachpunkt. Ich hab einfach den ersten
Transistor aus der Libary genommen der halbwegs brauchbar aussah.
Muss nochmal nach was geeigneterem mit Modell ausschau halten.
Idealerweise natuerlich einen den ich sowieso gerade da habe. :)

> Meinst du, dass du U2 wirklich brauchst,

Ich muss nicht mit Operationsverstaerkern sparen. Ich hab von den Teilen
einen mittleren Berg den ich in meinem Leben nicht mehr aufbrauchen 
werde.
Wir entwickeln ja hier nicht fuer ein chinesisches Fliessband oder Aldi.

> V+ für die 5mA Konstantstromquelle sollte immer 15V betragen,

Das versteh ich nicht. Ich hab nicht immer 15V weil die Idee ja gerade
darin besteht mit einer moeglichst kleinen Spannung zu arbeiten damit
der Wirkungsgrad steigt.

> Viele Leute lieben eine LED die Konstantstrombetrieb anzeigt.

Das ist das schoene an Schaltungen aus dem Internet. Man kann sie
sich nach belieben erweitern. :) Ist ja auch erstmal eine Machbarkeits
studie und nicht der endgueltige Schaltplan! Spaeter kommt da sowieso
ein schicker Controller hin, ich denke mal mit so einem kleinen Oled.

> R3 als Grundlast kann man ja vergessen gegenüber R2.

Auch alles noch nicht endgueltig. Hab damit nur rumgespielt um mal
so allgemein den Wirkungsgrad zu sehen und wie das beim umschalten
mit verschiedenen Lasten hinhaut.

> Ich wurde mehr Grundlast vorsehen, schliesslich hängt davon auch
> die Runterregelgeschwindigkeit ohne Last ab.

Ja, aber auch der Leerlaufstrom aus der Powerbank. Na, mal sehen...

> Runter kommt dein Netzteil nur wesentlich langsamer als rauf,
> vor allem wenn nur ein Elko angeschlossen
> wird, was die Regelschleifenauslegung erschwert.

Das ist noch die ungetestete Leiche im Keller. Was passiert eigentlich
wenn da extern ein >100uF Kondensator dran kommt. DAzu muesste ich wohl
die Simulationszeit deutlich rauf stellen und das dauert. Werder
ich wohl gleich mal anschauen.

BTW: Falls ihr das simuliert, ihr habt hinterher ein sehr fettes 
Datenfile
im Direktory. Ueberhaubt empfiehlt sich gelegentlich mal etwas 
Datenhygiene im LT-Spice Verzeichnis. .-)

Vanye

[Vanye R. (vanye_rijan)]

> Man kann das vermeiden indem man den Spannungsregler durch
> den Stromregler eingangsseitig abregelt.

Damit hatte ich zeitweise auch schon rumgespielt. Sah auch nicht
so doll aus.

Aber ich denke sowieso das ich so langsam an dem Punkt bin wo
ich es mal aufbauen muss weil ich mich frage wie nahe an
der Praxis die Simulation noch ist.

Vanye

[Vanye R. (vanye_rijan)]

Hab mal 100uF dran gehangen.

Ich sag mal so, grundsaetzlich funktioniert es. Allerdings ist der
Stromregler wohl noch etwas grenzwertig bezueglich Stabilitaet.

Aber das nervt. 10ms brauchen dann so 10min in der Simulation.


Vanye

[Andrew T. (marsufant)]

Vanye R. schrieb:
>> analog.com sehr schön beschrieben und gelöst.
>
> Finde ich nicht. Hast du mal einen genauen Link?

Hast Du wohl nicht gesucht, da google es sofort liefert:

https://www.analog.com/en/technical-articles/high-performance-portable-dc-bench-power-supply.html

[Thomas B. (thombde)]

Michael B. schrieb:
> Viele Leute lieben eine LED die Konstantstrombetrieb anzeigt.

Das könnte man ja einfach am Ausgang des OP´s für die Stromregelung 
abgreifen.
Aber wie machen das die Geräte mit der Taste für die Vorwahl der 
Strombegrenzung?
Die schließen doch nicht einfach den Ausgang kurz.
Oder doch?
Dann müsste es ja merklich Wärmentwicklung am Kühlkörper geben.
Ist aber nicht.
Mein altes PPS_3502 von Voltcraft hat das auch.
Hat jemand Schaltpläne oder einen Link für mich?

Danke.

[Michael B. (laberkopp)]

Thomas B. schrieb:
> Aber wie machen das die Geräte mit der Taste für die Vorwahl der
> Strombegrenzung?

Schalten das Anzeigemessinstrument zwischen ISteuer und Vcurr im ?

[Vanye R. (vanye_rijan)]

Seufz, da hat man einmal eine brilliante Idee und bekommt gleich
vom Schicksal ein paar in die Fresse. :-D

Hab die Schaltung heute, erstmal noch ohne den Schaltregler, aufgebaut
und getestet. Laeuft soweit auch ganz brauchbar. Aber dann....

Was glaubt ihr was passiert wenn man einen Kurzschluss am Ausgang
macht? Nun dann liegt der - Eingang vom Stromverstaerker auf
Masse und dann kann der nicht mehr regeln und dann bekommt
man leider vollen Aussgangsstrom.

Ich glaub ich muss wohl doch eine negative Versorgung haben.
Mal schauen, irgendein gewagtes Dioden/C Konstrukt am Schaltregler
oder sowas...
Oder zwei 1R Widerstaende? Hm...

Vanye

[Thomas B. (thombde)]

Hatte ich eben gelöscht.
Aber ich schreibe noch mal.

Bei Kurzschluss oder Ausgangsspannung bis 0V benötigt man immer eine 
Negative Hilfsspannung.
Das kennt man aber auch aus den LM317 Zeiten.
PS:
Man kommt nicht unter die Referenzspannung.

[Michael B. (laberkopp)]

Thomas B. schrieb:
> Bei Kurzschluss oder Ausgangsspannung bis 0V benötigt man immer eine
> Negative Hilfsspannung.

Ähm, nein.

Man kann zwar ohne negative Hilfsspannung ein Netzteil nicht auf exakt 
0V regeln, ein paar Millivolt bleiben immer durch Leckstrom des 
Leistungstransistor versus Grundlast, aber ein Kurzschluss am Ausgang 
zieht auf 0V und die richtige Schaltung begrenzt dann trotzdem den 
Strom.

[Vanye R. (vanye_rijan)]

> und die richtige Schaltung begrenzt dann trotzdem den
> Strom.

Ja, man koennte sich da jetzt vielleicht was einfallen lassen,
aber es gibt noch eine andere Kleinigkeit.

In der Simulation kommt man bis auf 0.5V runter, in der Praxis
sind es 1.2V. Jetzt glaub ich nicht das ich jemals etwas
weniger wie 2.5V brauchen werde, aber es sieht einfach unschoen
aus. Da ist es wohl besser sich noch -1V herbeizuzaubern
und dem OP etwas Lebensraum zu geben.

Vanye

[Michael B. (laberkopp)]

Vanye R. schrieb:
> Ja, man koennte sich da jetzt vielleicht was einfallen lassen,
> aber es gibt noch eine andere Kleinigkeit

Im Stromregelbetrieb im Kurzschlussfall oder bei Spannungsregelung ?

Wenn das schon bei Spannungsegelung ein Problem ist, dann ist die 
veroderung über die Schottkydioden zusammen mit dem TLC2272 Ausgang bei 
5mA ein Problem. Open Collector OpAmp wie TAE2435 könnten die Lösung 
sein, manch verwenden auch LM393.

[Arno R. (arnor)]

Thomas B. schrieb:
> Bei Kurzschluss oder Ausgangsspannung bis 0V benötigt man immer eine
> Negative Hilfsspannung.
> Man kommt nicht unter die Referenzspannung.

Doch, man kommt unter die Referenzspannung und bis nahe 0V, so etwa 
100mV sind leicht machbar. Das Prinzip und einige Beispiele findest du 
in den Links.

Beitrag "Re: Labornetzgerät - Fragen zum Schaltplan"
Beitrag "Re: LM723 Regelbares Netzteil von 0-30V/0-3A"
Beitrag "Re: Elektronisch stabilisiertes Netzteil"

Ganz auf null geht nicht, weil über das Spannungseinstell-Netzwerk ein 
kleiner Strom von der Referenzspannung zum Ausgang fließt.

[Vanye R. (vanye_rijan)]

> Doch, man kommt unter die Referenzspannung und bis nahe 0V, so etwa
> 100mV sind leicht machbar.

Korrekt. Man kommt nahe ran. Aber ein harter Kurzschluss direkt an den
Ausgangsklemmen ist halt noch was anderes. Das wuerde ich nicht so
schoen finden. Da lass ich mir dann lieber was anderes einfallen...

Ausserdem hab ich noch eine andere Vermutung. Ich denke mal das
die OPs in der naehe der Rails auch nicht mehr so linear arbeiten.
Das ist egal wenn man Spannung/Strom mit einem Poti einstellen
will und auf einer Anzeige abliesst, aber unschoen wenn man
die Werte aus einer MCU vorgeben will und hoechstens zwei
Punkte kalibrieren will.

Vanye

[Arno R. (arnor)]

Vanye R. schrieb:
> Aber ein harter Kurzschluss direkt an den
> Ausgangsklemmen ist halt noch was anderes. Das wuerde ich nicht so
> schoen finden.

Einstellbarkeit bis nahe 0V und Kurzschlußfestigkeit sind zwei 
unabhängige Dinge.

Vanye R. schrieb:
> Ausserdem hab ich noch eine andere Vermutung. Ich denke mal das
> die OPs in der naehe der Rails auch nicht mehr so linear arbeiten.
...

Das müssen die OPV in den von mir verlinkten Schaltungen gar nicht. Die 
Eingänge des OPV liegen immer einige Volt von den Rails entfernt, egal 
welche Ausgangsspannung eingestellt ist.