Hallo Leute,
ich simuliere gerade etwas mit LTSpice durch die gegend, um ein kleines
Labornetzteil für sehr empfindliche Schaltungen zu entwerfen.
Ich möchte die üblichen LM317-Schaltungen umgehen, da die recht große
Ausgangskondensatoren benötigen, um stabil zu sein.
Mir macht in der Schaltung der Übergang zwischen CV nach CC (und zurück)
Probleme, deswegen möchte ich erstmal wissen, wie ich die
Regeleigenschaften zu bewerten habe...
Zur Zeit belaste ich meine Simulation mit 50mA Rechteck-Strom und
erkenne daran die Regeleigenschaften..
für einen 47nF Augangskondensator erkenne ich::
CV:
- 50mA Laständerung verursacht z.B. 5mV Spannungseinbruch/Überschuss
- die Überschwinger dauern max. 200us
CC:
- die gleichen 50mA schlagen komplett auf den Ausgang durch, werden
jedoch nach 30us ausgeregelt. Strombegrenzung schlägt schneller an, als
Stromlieferung. (Schaltungsschutz)
Die Schaltung ist stabil für >1nF - >1mF kapzitiver Last.
Kann man damit was anfangen? Hat jemand grobe Daten, was die üblichen
Labornetzteile so können?
Das ganze ist einfach ein Problem, ab wann man zufireden sein sollte:
ich weiß es selbst nicht und weiß daher nicht wie weit ich mich
totoptimieren soll..
Falls jemand da tiefere Einblicke hat... feuer frei! :-)
Auf deine spärlichen Angaben kann man nicht viel erwidern.
Der Übergang von CV zu CC-Regelung ist doch meist nicht so wichtig, weil
man entweder Spannungsregelung oder Stromregelung braucht. Die jeweils
andere Regelart dient doch dann nur der Schadensbegrenzung. Die üblichen
Schaltungen haben da auch oft Probleme, weil der jeweils inaktive Regler
an den anderen Anschlag gefahren ist und erst mal aus der Sättigung
heraus und dann noch einen gewissen Spannungshub machen muss.
Normale Labornetzteile regeln steile Lastsprünge in etwa 100µs aus und
machen dabei Spannungsabweichungen bis in den V-Bereich. Bei der
Stromregelung ist es entsprechend.
> Die Schaltung ist stabil für >1nF - >1mF kapzitiver Last.
Was verstehst du darunter? Schwingt die Schaltung gerade noch nicht von
selbst (Phasenreserve noch 1°) oder ist das Einschwingen über den ganzen
Bereich schön aperiodisch.
Vielleicht möchtest du über die konkrete Schaltung reden?
ArnoR schrieb:> Vielleicht möchtest du über die konkrete Schaltung reden?
Und vielleicht sogar über die Anforderungen, die du konkret an die
Schaltung stellst. 5mV bei 50mA Laständerung sind nur selten kritisch.
Sonst solltest du mal drüber nachdenken, in deiner Anwendung, den
Lastteil nicht direkt an eine Spannung zu hängen, die du als Referenz
verwendest.
Mit "stabil" ist gemeint, dass sich die regelgröße so gut wie
aperiodisch an den sollwert annähert.
Ich kann leider zu den Anforderungen auch nichts sagen, da sie quasi
selbsterstellend sind: ich möchte einfach mal etrwas entwickeln, wo
nicht jeder sagt "aaach der scheiß schonwieder... noch ein netzteil.."
Und von dem, was ArnoR gesagt hat, scheint meine schaltung schon eine
gute Performance zu haben.
Ich habe mal eine SpannungsWaveform angehängt. Darin wird über eine
Sekunde die Ausgangsspannung von 0V auf 5V gefahren, während die Last
diese 50mA-Sprünge macht. Der Ausgangskondensator nach dem Pass-Element
ist diesmal nur 4.7nF.
> was sind gute Regeleigenschaften?
Das hängt von der Anwendung ab.
Wenn du Laserdioden direkt anschliessen können willst, sind schon
Nanosekunden zu viel Strom tödlich für die Diode.
Wenn ein Motor dranhängt, kann auch 1 Sekunde nicht zu viel sein, dafür
will man stabil von induktiver Last sein.
Und viele Leute bauen Schaltungen nach dem Prinzip "viel bringt viel"
und beginnen erst mal mit einem 10000uF Elko, das sieht man ja schon an
den Verrückten hier im Forum, die allen integrierten Spannungsreglern
erst mal 100 bis 1000uF am Ausgang spendieren. Wenn so was von einem
Labornetzteil versorgt wird, will man nicht, das es schwingt.
Normale Labornetzteil versichen die Überschwinger klein zu halten,
erlauben bis 1ms zum ausregeln.
Schliesst man daran Schaltungen wie Messverstärker an, die leider auf
Rauschen auf der Versorgungsspannung auf Grund der falschen Schaltung
(die hier auch oft vorgeschlagen wird) empfindlich reagieren, kann das
Rauschen der Versorgungsspannung verstärkt auf das Signal durchschlagen,
da will man also möglichst rauschfreie (buried Zener) Labornetzteile -
und rauschen bekommt man durch Filtern mit grossen Elkos und Spulen weg,
zu Lasten der Ausregelgeschwindigkeit.
Es hängt also von der Anwendung ab. Ein UNIVERSELLSTES Labornetzteil
gibt es nicht.
Ok ok.. so ist mein Ansatz die Ausgangskapazität prinzipiell zu
minimieren erstmal korrekt.
Rauschen ist in der Tat ein wichtiger Aspekt, den ich gern kurz zum
Thema machen würde. Die jetzige Schaltung basiert insgesamt auf 4 OPVs.
So wie ich das sehe geht es meist um das Rauschen zwischen 10Hz.100kHz.
Ich habe von TI und Anderen Regler gefunden, die bis zu 5uVrms haben.
Diese werden allerdings durch extrem schlechte Regelverhalten erkauft.
Meine OPVs benötigen in meiner Schaltung keine großartigen Eigenschaften
(Slew < 1.3V/us, aber R2R IO). Es ist mir also möglich auch hier
rauscharme OPVs zu nutzen.
Ich kann die die Schaltung doch so viele Rauschquellen einbauen, wie ich
möchte, solange die regelschleife und die Referenzspannung rauscharm
ist, wird doch z.B. das Stromrauschen der Ausgangstransistoren usw
ausgeregelt, oder?
Die Beschriebenen Eigenschaften sind schon recht gut. Der Lastanstieg
ist aber auch recht langsam simuliert. Die Frage ist etwas ob das in der
Realen Schaltung auch noch so ist. Bei kleiner Leistung kann die
Regelung auch recht schnell und gut werden, weil man einen relativ hohen
Ruhestrom noch akzeptieren kann.
Einen kleinen Wermutstropfen hat man bei der Simulation noch. Wenn der
Ausgang schnell und niederohmig wird, werden dann auch kleine
(parasitäre) Induktivitäten auf einmal wichtig. Da stört es dann ggf.
schon wenn der Shunt für den Strom noch 100 nH an Induktivität hat. Bei
größeren Strömen und entsprechend noch niederohmiger - stören dann ggf.
auch die Leiterbahnen oder Gehäuseinduktivitäten - selbst bei nur 100
kHz-1 MHz. Da muss man also ggf. auch die parasitären Effekte mit
berücksichtigen, trotz der relativ niedrigen Frequenzen.
Vom Rauschen ist im wesentlichen der Vergleichende OP (oder ggf.
Transistorverstärker), die Referenz lässt sich Filtern und ist eher ein
Problem bei niedrigen Frequenzen. Das Rauschen der Endstufe und anderer
Teile wird größtenteils ausgeregelt - zumindest in der Regelbandbreite.
Außerhalb der Regelbandbreite kann das Rauschen durch den
Ausgangskondensator (mit ESR) bestimmt werden und sehr klein werden - da
kommt es dann schon darauf an wie sich da die Endstufe verhält, weil der
OP da nicht mehr kompensieren kann.
Raucharme OPs sind i.A. kein Problem, wenn man kein R2R braucht und der
Stromverbrauch auch etwas höher sein darf. Schnell sind die rauscharmen
OPs übrigens fast alle, einfach weil es für geringes Rauschen eine
relativ hohen Strom in der Eingangsstufe braucht und damit der OP auch
schnell wird. R2R ist da schon ein deutliche Einschränkung wenn es
wirklich rauscharm werden soll.
DerAlbi schrieb:> für einen 47nF Augangskondensator erkenne ich::
übertreibe es nicht. Ein mittelprächtiger Elko am Ausgang eines
Labornetzteiles ist keine schlechte Wahl, hält er doch einiges an
Transienten aus dem versorgten Laboraufbau zurück, so daß selbiges nicht
so sehr auf dei netzteilinterne Regelung durchschlagen kann.
ich sag's mal so: lieber ein zahmes und etwas lahmes braves Arbeitspferd
als ein zickiges Netzteil mit an die Grenze getriebenen Parametern. Du
weißt nämlich NIE, was du in 6 Wochen damit mal versorgen willst.
Und nochwas: Ein Laboraufbau sollte entweder später mal von einem
ordinären Netzteil im Gerät versorgt werden oder der Laboraufbau sollte
in sich bereits eine gewisse Sicherheit gegen Überstrom etc. haben. Also
ist ein Labornetzteil, das erstmal ein Spannunggslieferant ist, die per
Elko ein bissel glattgemacht ist, und das nur ne Art
Überstrom-Begrenzung hat (also keine ganz steile Kennlinie), wohl im
Allgemeinen die beste Lösung für den Basteltisch.
W.S.
DerAlbi schrieb:> Es ist mir also möglich auch hier rauscharme OPVs zu nutzen.
Nun ja.
Rauschen besteht aus 2 Anteilen:
Diejenigen, die zu schnell sind für deine Regelung, und die daher mit
einem Ausgangskondensator ausgebügelt werden müssen.
Und dem Anteil, der so niederfrequent ist, daß bei ihm der RegelOpAmp
reagiert und per Leistungstransistor die Regelabweichung kompensiert.
Es gibt eine Frequenz des Übergangs, und wenn man den
Ausgangskondensator als gegeben betrachtet, kann man das Rauschen mit
einer schnelleren Regelung reduzieren, ist jedoch die Regelschleife als
gegeben anzunehmen, kann man das Rauschen an diesen Frequenzübergang
durch einen grösseren Ausgangskondenstaor begrenzen (soweit der nicht
schon so gross wird, daß er bei höherfrequenten Rauschen nicht mehr
wirkt, weil seine ESL ihn hindert).
Es ist also ein Kompromiss, und will man schnell regeln, sollte man beim
OpAmp die SlewRate betrachten: Sie ist nicht unabhängig vom
Eingangssignal, sondern wird nur bei deutlicher Eingangsabweichung
erericht. Bei kleineren Abweichungen regelt der OpAmp intern deutlich
langsamer, und die SlewRate ist deutlich geringer. Will man also
Rauschen im Mikrovolt-Bereich reduzieren, ist es klug, den OpAmp
möglichst viel vom Ausgangssignal zu geben, also nicht Spannungsteiler
und Vergleich mit einer kleinen Referenzspannung, sondern direkt an den
Ausgang und Vergleich mit einer bereits hochskalierten Referenzspannung
die dem Sollwert der Ausgangsspannung entspricht und die man filtern
kann weil sie quasi-statisch ist. Damit bekommt man maximale Mikrovolt
für maximal schnelle Reaktion des OpAmps bereits auf kleine Änderungen,
eben Rauschen, des Ausgangssignals, und kann im Umkehrschluss den
Ausgangselko klein halten. Auch für geringe Regelabweichung ist diese
Prinzipschaltung nützlich. Beispiel Offsetspannung: 3mV wirkt so direkt
als Regelabweichung, hat man aber einen 10:1 Spannungsteiler wären das
schon 30mV Regelabweichung, und hat man noch einen hochohmigen
Spannungsteiler kommt dessen Widerstandsrauschen noch hinzu.
Ok, danke sehr. Das sind sehr nützliche Betrachtungen. Ich werde mich
wieder melden, wenn ich meinen Schaltplan soweit habe, dass man ihn vllt
auch mal zeigen kann. Sonst geht hier nur ein Shitstorm los...
W.S. schrieb:> ... Ein mittelprächtiger Elko am Ausgang eines Labornetzteiles ist keine> schlechte Wahl, ...
Spätestens, wenn man das Netzteil als Stromquelle benutzt und eine Last
dranhängt, die keinen Überstrom verträgt, auch nicht kurzzeitig, wird
einem klar, dass auch ein "mittelprächtiger" Kondensator direkt am
Ausgang ausgesprochen schädlich sein kein.
Einfachstes Beispiel: Messung des Ausgangsstroms mit Multimeter, dass
mit z.B. 200mA abgesichert. Sobald die Ladung des Kondensators reicht,
um die Sicherung zu himmeln, ist es egal, wie die Strombegrenzung des
Netzteils eingestellt ist.
So groß, das man damit eine Schmelzsicherung auslöst muss der Elko ja
nicht sein. Aber für die Funktion Konstantstrom stört der Elko am
Ausgang schon - so etwas empfindliches wie Laserdioden wird man aber
auch kaum direkt am Labornetzteil Testen - schon gar nicht ohne
Widerstand.
Es ist nur etwas ungünstig wenn die Schaltung die Ausgangskapazität
braucht um Stabil zu sein - eine Induktive Last kann nämlich die
Kapazität wirkungslos machen. Das einzige was einen da noch schützt ist,
dass Induktivitäten eine begrenzte Güte haben (Mit Supraleitern muss man
eher nicht rechnen).
Wie versprochen, melde ich mich zurück! Ich habe weiter simuliert und
bin jetzt auf ein sehr zufriedenstellendes Ergebnis gekommen!
Man bedenke, dass alle Regeleigenschaften der Schaltung in der
angehängten LTSpice-Datei durch OPVs mit nur 0.4V/us Slewrate erreicht
sind.
Eckdaten:
Spannungsquelle Innenwiderstand = 6mOhm
Stromquelle Innenwiderstand = 1.9MOhm
Stabil ohne Ausgangskondensator (C >= 1nF getestet)
Bei Uout=5V und plötzlichem Kurzschluss ist die noch freigesetzte
Energie 65uJ (entspricht 5.2uF am Ausgang @ 5V) Wäre die Reglung
schneller, wärs weniger.
AC-Augangswiderstand: 0.47 Ohm. Damit schwingen angeschlossene
Schwingkreise immer ab!
Schau euch das mal an.. kritik und übrliches mc.net-geflame ist gern
willkommen.
Was mich speziell noch interessiert sind die verwendeten Stromspiegel:
sind die Emitterwiderstände zur symmetrisierung der Bauteiltoleranzen
ausreichend, oder benötigt man auch noch Basiswiderstände?
Desweiteren ist es so, dass die OPVs eigentlich keinen R2R-Output haben
müssen. Wenn man da mal schnellere typen einsetzt... ist es
interessant, obs a) noch stabil ist und b) schneller wird. (die
tiefpässe entsprechend angeglichen vorausgesetzt.) Bei der Vielzahl an
OPVs ist die Auswahl innerhalb LTspice recht schwierig - Tips?
Die jetzige Simulation fährt eine Rampe an der Ausgangsspannung. Dabei
wechselt die Last ständig (+/- 100mA). Dabei wird CV, CV/CC unc CC-Modus
durchfahren.
Schießt los.
Die Lösung mit 2 getrennten MOSFETs als Pass Element für Strom und
Spannungsbegrenzung ist schon mal ungewöhnlich. Ohne Schutz gegen zu
hohe Gatespannung kann das ggf. auch nach hinten losgehen.
Die Sogennannte Feedback Stromkompensation ist irgendwie schleierhaft,
und in der realen Umsetzung problematisch. M3 und M4 müssten dafür schon
gut zusammenpassen. Auch wäre real mit einer deutlichen Temperaturdrift
zu rechnen. Auch ist der Sinn nicht klar - die MOSFETs haben praktisch
keinen Steuerstrom.
Die Ausgangsstufe ganz ohne Ruhestrom zu betreiben ist auch
Problematisch - das verhalten bei sehr kleinen Strömen wird im Modell
ggf. nicht richtig wiedergegeben. Auch ändern sich damit je nach Strom
die Schleifenparameter stark. Zu kleinen Strömen könnte die Regelung
schlechter oder Instabil werden.
Die Diode am Ausgang von U3 könnte dazu führen, dass es nach dem
Übergang von Strombegrenzung zu Spannungsregelung einen deutlichen Puls
mit Überspannung gibt.
>Ohne Schutz gegen zu hohe Gatespannung kann das ggf. auch nach hinten >losgehen.
Die Gatespannung kann niemals höher als 0.6V über der Gatespannung des
Dummy-Regelkreises liegen. Dafür sind die ganzen Stromspiegel da: die
verhindern dass die OPVs nach oben wegdriften, solange die jeweils
andere Reglung aktiv ist. Will ein OPV ein höhes Ausgangssignal
erzeugen, wird die BE-Strecke von Q6 oder Q11 leitend. Was entsprechend
den OPVeingang so ansteuert, um dem ganzen engegenzuwirken.
>Die Sogennannte Feedback Stromkompensation ist irgendwie schleierhaft
Wenn während der CC-Regelphase die Gatespannung der
Spannungsregelschleife begrenzt wird, wird das Spannungs-Feedbacksignal
(fb) über die Stromspiegel nach oben gezogen, sodass der OPV nicht in
Sättigung gerät. Der nötige Strom (über die 3.3k+10k [R17,R21]) dafür,
wird leider über den HighSideShunt mitgemessen und muss entsprechend
wieder subtrahiert werden.
Ohne kompensation wird im Konstantstromfall der Innenwiederstand nur
etwa 11kOhm groß. So sind es 1.9MOhm. Es fließen etwa 270uA über das
Spannungs-Feedback ab.
>Die Diode am Ausgang von U3
ist ständig leitend, egal welcher Modus gerade gefahren wird. Das liegt
daran, dass dummy_vctrl_ref > dummy_vctrl_tp ist.
Es gibt einen kleinen Überschwinger, das gebe ich zu, aber das beläuft
sich auf 0.2..0.3V für <1ms oder so..
>Die Ausgangsstufe ganz ohne Ruhestrom zu betreiben ist auch Problematisch
Korrekt. Habe es so ebend in der Simulation getestet: die beiden
Ausganstransistoren schwingen miteinander, da sie sich selbst erregen.
Vergrößert man den Gatewiderstand, ist alles gut - auch im
Sub-Milliampere-Bereich. Die Regelung selbst ist aber stabil.
Während die Spannungsreglung gut funktioniert, versagt allerdings die
Stromregelung komplett. Die OPVs haben zu wenig "overdrive", um noch
etwas ausrichten zu können - sind ehlende laaaahm. Dafür müsste die
Strom-Spannungswandlung mehr als nur 10mV/mA rausgeben...
Aber eine Grundlast von einigen Milliampere finde ich spontan eine super
Idee!!
Aber wie? Einen Widerstand? Müsste man auch wieder den Strom messen und
kompensieren. Einen Transisor? Geht nicht bis 0V runter. Einen Mosfet
als KSQ und Stromspiegel? Zu Augansspannungsabhängig.
Idee? :-O
Für den Ruhestrom ist eine Konstantstromquelle schon ein guter Weg. Die
kann eine MOSFET oder einen bipolaren Transistor nutzen. Wenn es auch
bei sehr kleinen Spannungen (unter etwa 200mV) noch gut gehen soll,
führt aber wohl kaum ein Weg an einer negativen Hilfsspannung vorbei. So
lange der Strom konstant ist, muss man auch nicht so viel Kompensieren.
Die Feedback Stromkompensation wird mit der Erklärung klar - so genau
nimmt man es in der Regel mit der Stromregelung nicht, das man sich
daran stört. Etwas kritisch ist die Bereitstellung er der
Vergleichsspannung - Gate Source Spannung der MOSFETs schwankt doch
recht stark und ist auch Temperaturabhängig. Man wird da zumindest einen
Abgleich brauchen, oder etwas mehr als 0,6 V Reserve einplanen müssen.
Ob mit der Kompensation wirklich immer die erlaubte Gate-Spannung
eingehalten wird, müsste man noch sehen. Bei Transienten, etwa einem
Ausfall der Netzspannung mit einem größeren Elko am Ausgang, oder kurz
nach einem Kurzschluss wäre ich mit da nicht so sicher, vor allem beim
MOSFET für den Strom.
Wenn D1 immer leitet, frage ich mich wofür die Diode dann gut sein soll,
die Reduziert dann doch nur die maximal erreichbare Spannung.
Ulrich schrieb:> Wenn D1 immer leitet, frage ich mich wofür die Diode dann gut sein soll
Recht haste. Die ist ein Überbleibsel davon, als R39 in der
Dummy-Spannung-Erzeugung noch nicht drin war.
>Ob mit der Kompensation wirklich immer die erlaubte Gate-Spannung >eingehalten
wird, müsste man noch sehen.
Nunja.. ich sage mal: ein standard Leistungsmosfet kann 20V Ugs ab. So
hoch ist nichtmal die Betriebsspannung. Wie das mit dem PowerOn/Off
aussieht ist in der tat noch zu klären hmmmmmh. iiiiih.. danke für den
hinweis.
>Etwas kritisch ist die Bereitstellung er der Vergleichsspannung - Gate >Source
Spannung der MOSFETs schwankt doch recht stark und ist auch >Temperaturabhängig.
Wenn man alle 3 Transistoren auf einem Kühlkörper montiert.. ist das
immernoch problemeatisch? Du hast schon in sofern recht, dass ich mich
drauf verlasse, dass mit 0.6V Ugs-Spannungserhöhung der kompletten Strom
liefern kann. Das kommt dann schon auf den Mosfet drauf an. Aber die
0.6V Puffer sind auch variabel. so ists ja nicht.
Hast du die simulation mal laufen lassen?
Whoopdidooo :-O Ich habe grade mal schnelle OPVs eingebaut. Hübsch, was
nun eigentlich geht: Kurzschlussenergie bei 5V->0V ist nun nur noch 5uJ
anstatt den 65uJ. Die Reglung geht also wesentlich schneller! Es ist so
stabil wie vorher.
Der MOSFET ist ein ausgesprochen ungewöhnlicher Typ für ein
Linearnetzteil. Immerhin hilft die sehr geringe Threschhold-Spannung und
trotz der geringen Spannungsfestigkeit ist eine DC kurve im SOA
Diagramm. Nur das Kühlen wir bei der Bauform eher schwer.
Die Gate-Source Spannung kann je stark von Exemplar zu Exemplar
schwanken - ob da die komplizierte Schaltung mit dem Dummyregler noch
Sinn macht, ist fraglich. Auch die Temperaturabhängigkeit kann nur
teilweise Kompensiert werden, denn der Chip innen ist heißer als der
Kühlkörper.
Mit einem relativ schnellen MOSFET als Pass Element ist es nicht
verwunderlich das die Regelung auch richtig schnell werden kann. Ein
Problem das man aber irgendwann bekommt, ist das auch schon minimale
Induktivitäten etwa bei R40 oder auch einfach nur die Leiterbahnen
stören. Man sollte wenigstens mal Probeweise etwa 10 nH an den
Anschlüssen der MOSFETs testen. Das ist nicht viel mehr als die
Induktivität eines TO220 Gehäuses. Im Prinzip könnte der MOSFET ggf.
auch noch bei über 100 MHz schwingen - das sicher zu verhindern ist in
der realen Schaltung nicht so einfach wie in der Simulation, einfach
weil viele parasitäre Elemente wichtig werden. Der Widerstand vor dem
Gate ist schon mal ein guter Ansatz und die MOSFETs zu bremsen.
Simuliert habe ich die Schaltung bisher nicht.
Die schwingenden Mosfets habe ich mal ausprobiert. Ich habe in die
Source-Beinchen gerade mal jeweils 100nH reingepfuscht. damit Schwingt
die Regelung, aber nicht die Mosfets ansich. Witziger weise ist die
Reglung wieder stabil, wenn man die reihenfolge der Pass-Elemente
tauscht: regemtl man zuerst den strom, dann die spannung ist wieder
alles stabil. selbst mit 2x 100nH.
Ich habe auch verschiedene Mosfettypen durchprobiert.
Ergebnis: der Mosfet muss lediglich "groß genug" sein, um die Steilheit
zu besitzen, damit die reglung mit den 0.6V spielarum erfolgen kann.
Immer mehr testfälle.. und die probleme scheinen lösbar... Ich hab schon
lust das auf eine Platine zu bringen.
