Hallo,
ich bin seit einiger Zeit am Bau eines Labornezteils dran. Das ganze
soll digital steuerbar werden, wobei das ganze Digitalzeug schon fertig
gestellt ist.
Die analoge Regelung, also der wohl wichtigste Teil eines Netzteils, ist
für mich Neuland. Es ist die erste Eigenentwicklung mit OPs und die
erste Nutzung von LTSPice für mich. Die Schaltung habe ich so "designt",
wie es für mich einleuchtend erschien, nachdem ich mir einige Beispiele
ansgeschaut habe, darunter auch die viel diskutierten
Netzteilschaltungen von ELV, die mir sehr verständlich erscheinen.
Ich habe die Regelung mal auf Lochraster aufgebaut. Im Prinzip
funktioniert sie, aber ich bin unschlüssig, ob ein anderer Ansatz nicht
sinnvoller wäre. Die Schaltung zeigt in der Tat eine Schwingneigung,
z.B. je nach Last, Ausgangsspannung, Kabellänge oder auch Länge der
Kabel zur Last oder Leitungsabstand.
Nach einigem Probieren ist der Spannungsregler stabil, aber ich traue
dem Frieden nicht. Den Stromregler habe ich erstmal rausgenommen.
Kurze Erläuterung der Schaltung:
- Q1: Konstantstromquelle für den Transistor. Über die Dioden in
Flussrichtung wird die Spannung an der Basis begrenzt.
- V_SET und I_SET: 0-4.096V für die Sollwerte
- Strom- und Spannugsregler bestehen jeweils aus einem
Differenzverstärker und einem Integrierer. Am Ausgang des
Differenzverstärkers werden 0-4.096V ausgegeben, über die dann auch die
Istwerte erfasst werden können.
- R34 dient der Symetrierung, wenn mehrere Transistoren parallel
eingesetzt werden.
- R19 ist der Shunt.
Die Frage wird auftauchen, warum ich nicht, wie beim ELV-Netzteil, den
Schunt zur Symetrierung verwende. Beim ELV-Netzteil wird der Ausgang mit
einem konstanten Strom vorbelastet. Bei meiner Schaltung ist das
testweise mit R8 umgesetzt. Dieser Stromkreis läuft über +8V und GND.
GND muss zwischem dem Symetrierungswiederstand R34 und dem Schunt R19
liegen, da sonst dieser Strom durch den Shunt fließen würde.
Was nicht im Schaltplan zu sehen ist: Die Versorgungspannung des 4x OPs
ist natürlich mit 100nF unf 10µF gegen GND versehen.
Ich bin gespannt über Eure Kommentare. Seid nicht zu streng, ich bin
Anfänger :)
Viele Grüße,
Christian
Christian schrieb:> LTSPice
Frage:
wo bekommt man dieses "LTSPice" her, kostet das was oder kann man sich
da vorbeimogeln.
Normalerweise -sehe- ich ob eine Schaltung funzt und was rauskommt, aber
es könnte ja sein dass das verfeinert/erweitert werden könnte.
Kurt
Hier nochmal als Bild. Gibt es einen einfacheren Weg für den Export, als
de Schaltplan als wmf-Datei zu exportieren, in einem Grafikprogramm zu
rendern und als png zu speichern? ;)
R19 als Shunt ist unnötig - Du hast schon R34
Warum sind R18 und R20 nicht ein Widerstand?
Wozu die Stromquelle um Q1? Um einen Strom an einer halbwegs konstanten
Spannung zu erhalten reicht ein Widerstand. Die 8V dürften halbwegs
stabil sein und die Spannung an der Basis ist es auch.
Wozu dient R11? Widerstände in Reihe zu einer Stromquelle haben keinen
Nutzen. Ebenso wie R5 und R15. (Mit denen du den Strom einschränkst, der
den Transistoren genommen werden kann.)
Und es geht auch mit weniger OPs:
http://www.mikrocontroller.net/attachment/74567/NT.gif
Gruß
Jobst
Hallo Jobst M.,
vielen Dank für die Anmerkungen!
> R19 als Shunt ist unnötig - Du hast schon R34
Ja. Die Idee ist, die Masseverbindung zwischen diese beiden Widerstände
zu legen, um zu verhindern, dass über den Shunt R19 durch die negative
Vorbelastung (siehe R8) ein Strom fließt. Ohne Vorbelastung komme ich
nicht auf 0 V runter (oder??).
Außerdem: Ich würde doch auch den Basisstrom über den Shunt fließen
lassen und somit messen.
> Warum sind R18 und R20 nicht ein Widerstand?
Kann natürlich auch ein Widerstand sein.
> Wozu die Stromquelle um Q1? Um einen Strom an einer halbwegs konstanten
ZHabe ich so von ELV abgeschaut. Einfacher geht's sicherlich. Wobei beim
Tip142 die Spannung an der Basis mit max. 5V angegeben ist.
> Wozu dient R11? Widerstände in Reihe zu einer Stromquelle haben keinen> Nutzen.
Auch von ELV abgeschaut. Dort soll es die Basisströme auf alle
Transistoren gleich verteilen. Ich bin mir nicht sicher, ob das eher
positiv oder negativ ist bei der Wärmeverteilung?
Im Fehlerfall könnte es auch die OPs schützen.
> Ebenso wie R5 und R15. (Mit denen du den Strom einschränkst, der> den Transistoren genommen werden kann.)
Die überbrücke ich testweise mal.
>> Und es geht auch mit weniger OPs:> http://www.mikrocontroller.net/attachment/74567/NT.gif
Es scheint, als habe ich zu kompliziert geplant...
Die Schaltung teste ich mal. Ich muss dazu eigentlich nur die 4.096V von
meinem DA-Wandler runter teilen. Für die Messwerterfassung brauche ich
dann doch wieder 2 weitere OPs, aber diese sitzen dann ja nicht im
Regelkreis.
Ist diese Schaltung denn ohne Rückkopplung an den OPs stabil?
Christian schrieb:> Ohne Vorbelastung komme ich> nicht auf 0 V runter (oder??).
Doch. Problemlos.
> Außerdem: Ich würde doch auch den Basisstrom über den Shunt fließen> lassen und somit messen.
Meinst Du, auf den kommt es an? Wenn Dir sowas wichtig ist, dann musst
Du natürlich mehr Aufwand betreiben. Ob es den Wert ist, wage ich aber
zu bezweifeln.
Christian schrieb:> Wobei beim Tip142 die Spannung an der Basis mit max. 5V angegeben ist.
Aber 1.) nicht vorwärts und 2.) um die vorwärts zu erreichen benötigst
Du Strom. Richtig Strom, welchen Deine 8V mit Widerstand nie liefern
können.
Christian schrieb:> Auch von ELV abgeschaut.
Solltest Du vielleicht bleiben lassen. Die Schaltungen von ELV sind
nicht sonderlich nachempfingungswürdig ...
Christian schrieb:> Dort soll es die Basisströme auf alle> Transistoren gleich verteilen.
Du hast nur einen Transistor - allerdings vermute ich mal, dass Du
mehrere einsetzen möchtest. Auch dann reichen die Emitterwiderstände.
> Im Fehlerfall könnte es auch die OPs schützen.
Ich würde lieber den Fehlerfall vermeiden, anstatt mir über Schaltungen
zur Schadensbegrenzung Gedanken zu machen. Wenn Du dort unbedingt eine
'Sicherung' haben möchtest, setz eine Diode dort hin.
Christian schrieb:> Ist diese Schaltung denn ohne Rückkopplung an den OPs stabil?
Weitestgehend. Ich würde dennoch einen Elko (10µF) an den Ausgang setzen
und den Endtransistoren BE-Widerstände verpassen. Natürlich wird durch
Kondensatoren in einer direkten Gegenkopplung die Stabilität weiter
erhöht.
Christian schrieb:> Wieso eigentlich der BD245C und nicht z.B. TIP142? Gibt es> vor/Nachteile?
Der TIP schwingt im Parallelbetrieb. Von vielen wird dies auf die
Konstruktion geschoben.
Gruß
Jobst
Ob man fertige Darlingtons wie TIP 142 oder die separate Kombination mit
2 Transitoren nimmt, macht nicht viel Unterschied. Diskret hat man ggf.
die Möglichkeit über den Basis-Emitterwiderstand für etwas mehr
Ruhestrom in der 1. Stufe zu sorgen. Bei der Parallelschaltung (für
mehr Leistung) hat der Aufbau aus Einzeltransistoren den Vorteil, dass
man nur bei der letzten Stufe mehrere Parallel braucht und sich der
Strom damit etwas besser verteilt. Die Emitterwiderstände müssen nur
einen B-E Spannung kompensieren, beim Darlington wären es 2.
Die Schaltung aus dem GIF Bild ist eventuell nicht stabil, je nach OP
wären noch Kondensatoren an den OPs nötig, als Gegenkopplung.
Ulrich schrieb:> Ob man fertige Darlingtons wie TIP 142 oder die separate Kombination mit> 2 Transitoren nimmt, macht nicht viel Unterschied.
Bei einem nicht. Stimmt.
Ulrich schrieb:> man nur bei der letzten Stufe mehrere Parallel braucht und sich der> Strom damit etwas besser verteilt. Die Emitterwiderstände müssen nur> einen B-E Spannung kompensieren, beim Darlington wären es 2.
Eben.
Ulrich schrieb:> Die Schaltung aus dem GIF Bild ist eventuell nicht stabil, je nach OP> wären noch Kondensatoren an den OPs nötig, als Gegenkopplung.
Ich würde es inzwischen auch machen. Allerdings hat die Schaltung auf
dem Bild so verblüffend gut gespielt.
Gruß
Jobst
Wieso nutzt ELV denn eine Konstantstromquelle, um den Ausgang
vorzubelasten, wenn man auch so auf 0V runter kommt?
Um den Basisstrom vom Shunt fern zu halten, wäre vielleicht der Umstieg
auf Mosfets eine Überlegung wert.
Christian schrieb:> Wieso nutzt ELV denn eine Konstantstromquelle, um den Ausgang> vorzubelasten, wenn man auch so auf 0V runter kommt?
Keine Ahnung. Frag ELV.
Aber an der Basis des Leistungstransistors hast Du immer etwa 1,5V und
als Spannungsquelle hier 8V. Ein Widerstand dazwischen ist bereits eine
Stromquelle, da die Spannung an ihm konstant ist.
> Um den Basisstrom vom Shunt fern zu halten, wäre vielleicht der Umstieg> auf Mosfets eine Überlegung wert.
Klar. Dann kannst Du aber die komplette Ansteuerung auch tauschen, weil
diese für eine Stromansteuerung ist. Die scheinst Du nämlich komplett
noch nicht verstanden zu haben:
1
(+8V)
2
|
3
| <-- +8V
4
|
5
R
6
|
7
v I ~= (8V - 1,5V) / R
8
|
9
|
10
+--------------------------------,-------------, <--- ca. +1,5V
11
| | |
12
v It v Iu v Ii
13
| | |
14
zum LED LED
15
Transistor | |
16
(2 BE-Strecken gegen Masse) OPV OPV
I = It + Iu + Ii
Wenn der Transistor also weniger Strom bekommen soll, klaut einer der
OPs durch die LEDs Strom.
Gruß
Jobst
Die Konstantstromquelle um Q1 ist nicht wirklich nötig, denn da liegen
immer rund 6-6,5 V an - da würde es auch ein Widerstand tun. Sinnvoll
wäre sie, wenn man damit gleich eine Überwachung der Hilfsspannung
kombiniert, also den Strom nur einschalten wenn die nominell 8 V
wenigstens 6 V haben. Damit ließen sich Transienten beim Ein- bzw.
Ausschalten vermeiden.
Eine Vorbelastung des Ausgangs über eine Konstantstromquelle hilft bei
der Regelung bei sehr kleinen Spannungen (etwa unter 0,1-1 V). Ein
Widerstand als Grundlast gibt da nur sehr wenig Strom und bei so wenig
Strom wird der Ausgangstransistor dann ggf. zu langsam und stört die
Regelung (wird langsamer und ggf. sogar instabil).
Normal braucht man für die eigentliche Regelung nur 2 OPs - einer für
den Strom und einer für die Spannung. Eine kompliziertere Schaltung
führt in der Regel nur zu mehr Problemen und man gewinnt eigentlich
nichts.
Für die Aufbereitung der Sollwerte, also etwa zur Filterung der Referenz
oder der Übertragung auf einen anderen Bezugspunkt kann man ggf. noch
weitere OPs nutzen. Gerade wenn man diese Werte per µC vorgeben will
kann das nötig sein. Auch für die Aufbereitung der Ist-werte für eine
Anzeige kann man mehr nutzen und das macht ggf. auch Sinn um eine
vorhandene Versorgung für die Anzeige zu nutzen.
Als etwas fortgeschrittene Eigenschaft des Reglers findet man ggf. noch
so etwas wie ein Anti-Windup, um etwa beim Übergang von der
Stromregelung zur Spannungsregelung Überschwinger zu reduzieren. Damit
wird verhindert das sich ein Kondensator im Regler zu sehr auflädt in
der Zeit in der der Spannungsregler von der Strombegrenzung "überstimmt"
wird.
Auch hierfür könnte es ggf. lohnen noch den einen oder anderen OP zu
nutzen, es geht aber ggf. auch ohne. Erst einmal muss die Regelung aber
auch ohne diesen Zusatz funktionieren.
Okay ich schreibe mal, was mit der Schaltung gerade ist.
Derzeit arbeiten die Lehrlinge an einem Layout (immer wenn Zeit ist).
Die Schaltung baut auf der im GIF auf.
Die Schaltung arbeitet mit einem ATmega48 zur Steuerung. Die SW dafür
ist fertig (V1). Das Schaltbild hier einzustellen wird kein Problem
sein, da die Schaltung von mir stammt. Bei der SW und Layout werde ich
die mitwirkenden Lehrlinge fragen (Wobei auch bei der SW große Teile von
mir sind).
Funktionierende Features (V1):
- Strom und Spannung einstellbar über Drehgeber mit fein/grob
Umschaltung.
- Soll- und Istwertanzeige im 2x40 Display (davon haben wir so viele)
- Strombegrenzung oder Stromabschaltung umschaltbar.
- Ausgang lässt sich 'stumm' schalten.
- Temperaturfühler (I²C)
Geplante Features:
- Lüftersteuerung, Temperaturabschaltung (Konfigurierbar)
- Weiterer Temperatursensor am Trafo.
- Galv. getrennte RS232-Schnittstelle zur Fernbedienung oder
Messdatenerfassung. (Hardware vorhanden, Baudratenquarz verbaut)
- Abspeicherbare Presets.
- Ausgabe von Leistung [W] und Last [Ω].
- Konstantleistungsbetrieb. (Wofür auch immer)
Bei der Umschaltung der Spannung oder des Stroms steht die Spannnung
20ms später stabil an. Das Filter 4. Ordnung schwingt nicht über, ist
aber recht schnell - die PWM hat nur ~300Hz.
Die Stromabschaltung läuft seperat und liegt im µs Bereich. (Also
wesentlich schneller als eine flinke Sicherung)
Alexander S. schrieb:> Könntest Du diesen Schaltplan mit dem MC33174 auch skizzieren?
Nö. Das Ding ist über den Haufen geworfen worden. Das GIF ist der
Nachfolger.
Gruß
Jobst
Die Netzteilschaltung ganz ohne Kondensatoren zur Einstellung der
Bandbreite ist schon mutig. Da sollte man testen bei welchen Teilen (OP
Serie etc.) / Lasten die nicht schwingt. Das Prinzip ist aber das
klassische wie früher HP oder wohl auch das ELV Netzteil.
Nur 0,1 Ohm als Emitterwiderstand beim BD245 könnte knapp werden, normal
sollte es etwas mehr sein.
Das klingt sehr interessant, ich bin auf den Schaltplan gespannt.
Ich habe 3 TIP142 parallel mit 470 Ohm an der Basis. Damit sie gefühlt
gleich warm werden, brauche ich 0,6 Ohm am Emitter.
@Jobst: Welche Daten (Strom, Spannung,
Einstell/Rückleseauflösung/Genauigkeit) strebst Du denn an?
Mein Aufbau, sofern er nicht gerade schwingt, lässt sich von 0-30V in
1mV-Schritten einstellen, Genauigkeit liegt bei etwa +-2mV. Ziel waren
10mV, aber es ist erstaunlich, wie genau es trotz Lochraster usw. wird.
Ziel beim Strom war 1mA, das scheint auch hinzukommen. Leider schwingt
auch mein Stromregler, wenn ich über 500mA gehe.
Wenn ich doch nur das Schwingen weg bekommen könnte. Mich würde
interessieren, ob es an den parallelen TIP142 liegt, oder an den 2 OPs
in Serie.
Eine Abschaltung bei Überstrom habe ich auch aufgebaut, aber über dem
Umweg des Controllers (Interrupt->Ausgang aus). Damit bin ich Meilenweit
von µS entfernt, aber Du hast mich auf eine Idee gebracht, das analog zu
lösen und per Controller nur scharf zu schalten. Vorteil meiner
Umsetzung ist, dass man die Ansprechzeit einstellen kann oder eine
Totzeit nach dem Einschalten vorgeben kann. Das könnte bei dicken Elkos
oder anlaufenden Motoren interessant sein, die am Anfang ruhig mehr
ziehen dürfen.
Christian schrieb:> @Jobst: Welche Daten (Strom, Spannung,> Einstell/Rückleseauflösung/Genauigkeit) strebst Du denn an?
40V - 0,1V-steps ; 4A - 0,01A-steps
Genauigkeit, bei jedem so, wie er es abgleicht :-D
Istwerterfassung einfach mit dem 10-Bit ADC des ATmega. Also 40mV bzw
4mA. Angezeigt werden aber wieder nur 3 Stellen.
> Mein Aufbau, sofern er nicht gerade schwingt, lässt sich von 0-30V in> 1mV-Schritten einstellen, Genauigkeit liegt bei etwa +-2mV. Ziel waren> 10mV, aber es ist erstaunlich, wie genau es trotz Lochraster usw. wird.
Ja, 1mV Schritte wären mit der Hardware auch möglich. Aber wer will das
ständig einstellen? Und hallo!? Das ist ein Netzteil, keine mV
Spannnungsreferenz!
> Wenn ich doch nur das Schwingen weg bekommen könnte. Mich würde> interessieren, ob es an den parallelen TIP142 liegt, oder an den 2 OPs> in Serie.
Probier es doch mal mit nur einem TIP.
Sonst nimm mal C1, C2 und C3 weg und überbrücke R18 und R20. So wie da
die Phase hin und und her geschoben wird, kann es nur anfangen zu
schwingen.
Und sorg dafür, dass die negative Spannungsversorgung der OPs stabil und
ausreichend ist!
> Eine Abschaltung bei Überstrom habe ich auch aufgebaut, aber über dem> Umweg des Controllers (Interrupt->Ausgang aus). Damit bin ich Meilenweit> von µS entfernt,
Äh ... aber ich mache das auch über den Controller ...
Wenn Zeit ist, werde ich die Abschaltzeit morgen mal messen lassen.
Gute Nacht!
Jobst
Christian schrieb:> Das klingt sehr interessant, ich bin auf den Schaltplan gespannt.
Bei einem solchen Gerät spielt der Schaltplan die kleinste Rolle;
die verwendeten Bauelemente und der richtige Aufbau sind mindestens
genauso wichtig.
Gruss
Harald
Christian schrieb:> Außerdem: Ich würde doch auch den Basisstrom über den Shunt fließen> lassen und somit messen.
Ach ja: Mit dem zusätzlichen Shunt hast Du dann einen Spannungsabfall,
welcher bei Deiner Ausgangsspannung fehlt und so von der
gemessenen/eingestellten Spannung abweicht.
Du musst nun entscheiden, was Dir wichtiger ist ... :-)
Alexander S. schrieb:> Könntest Du diesen Schaltplan mit dem MC33174 auch skizzieren?
Da er gerade wieder aufgetaucht ist - habe ihn mal abgezeichnet und
angehängt.
Über einige Dinge wundere ich mich auch, aber das Teil ist so!
(z.B. die 22µF als Netzelko vor den Stabis)
Ach ja: Das Ding ist auf Lochraster aufgebaut, die Masse ist aber recht
konsequent:
1
OPV
2
|
3
Trafo---Stabis---Stern---Emitterwiderstände
4
|
5
Ausgang
Jobst M. schrieb:> Äh ... aber ich mache das auch über den Controller ...> Wenn Zeit ist, werde ich die Abschaltzeit morgen mal messen lassen.
Sieht nach 30µs aus ... ich bin mir aber nicht so ganz sicher ... :-/
Der Schaltplan vom großen Netzteil muß noch überarbeitet werden. Kommt
dann.
Gruß
Jobst
Jobst M. schrieb:> Ach ja: Mit dem zusätzlichen Shunt hast Du dann einen Spannungsabfall,> welcher bei Deiner Ausgangsspannung fehlt und so von der> gemessenen/eingestellten Spannung abweicht.
Nein, da ich die Spannung am Ausgang mit dem Substrahierer messe.
Nach Kalibrierung erhalte ich, wenn ich 5,000V einstelle, tatsächlich
5,000V +-2mV, da der DAC nicht linear ist.
Ein Lastwechsel von 0.1A auf 4A erzeugt 0,5-1V Over/Undershoot, danach
lande ich aber wieder bei der eingestellten Spannung. Die Abweichung
Last/keine Last ist < 1mV. Um das zu erreichen, musste ich die
OP-Eingänge nochmal mit einem Poti justieren.
> Sieht nach 30µs aus ... ich bin mir aber nicht so ganz sicher ... :-/
Ich muss das bei mir auch mal messen. Es funktioniert, aber richtig
angeschaut hab ich mir die Zeiten auch noch nicht.
Umgesetzt ist das bei mir so: Der CC-Modus lässt einen Komparator
kippen, der steuert einen Optokoppler an, der der Frontblende mitteilt,
dass der Kanal im CC-Modus ist (Frontblende und Kanal sind galv.
getrennt um einmal weitere Kanäle aufbauen zu können). Das Signal vom
Optokomppler löst an der Frontblende einen Interrupt aus. Je nach
Einstellung sendet dann die Frontblende seriell sofort oder nach
Zeitverzögerung ein Abschaltkomando. Darin können auch mehrere Kanäle
enthalten sein, die dann (hoffentlich) zeitgleich abschalten.
Gruß,
Chris
Christian schrieb:> Umgesetzt ist das bei mir so: Der CC-Modus lässt einen Komparator> kippen, der steuert einen Optokoppler an
Bei unserem Netzteil liegt der Optokoppler mit seiner LED in Reihe zur
Strom-LED. Parallel zur Basis-Emitterstrecke der Leistungsstufe liegt
ein Transistor, mit dem bei Bedarf abgeschaltet wird. Da bei uns
eigentlich gar keine galvanische Trennung notwendig ist, überlege ich
allerdings, den Optokoppler durch einen einfachen Transistor mit etwas
drum herum zu ersetzen. Es war so nur so schön einfach.
Gruß
Jobst
Ich habe es nun mal mit nur einem TIP142 probiert. Die Regelung war
damit deutlich stabiler. Vielleicht hängt das damit zusammen, dass mit
einem Transistor die Verstärkung geringer ist?
Ich konnte sogar ein D-Glied in den Regler einfügen, wodurch dieser
doppelt so schnell wurde. Nachdem ich die anderen beiden TIP142 wieder
zuschaltete, musste ich das D-Glied wieder raus nehmen, da das Netzteil
sonst wie verrückt hochfrequent schwingt.
Wenn ich die Basiswiderstände raus lasse, bekomme ich kaum noch Strom
aus dem Netzteil. Das kann ich mir nicht wirklich erklären.
