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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Endstufe für DAC, 100 W, 1 MHz


Autor: Markus P. (gfahrer)
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Hallo,

ich will mir einen digitalen Regelkreis bauen, mit dem ich, so blöd es 
klingen mag, einen Widerstand von etwa 10 Ohm (könnte den konstruktiv 
zwischen 1 und vielleicht 100 Ohm variieren) mit einem gewissen 
Zeitverlauf zu heizen. Zum Messen und Stellen habe ich so ein 16Bit 
Messbord von NI, das auf 1 MHz sampelt. Aus dem bekomme ich aber 
unmöglich die Leistung raus, die mir vorschwebt. Daher brauche ich noch 
ne Endstufe.

Daten:
 - 30 W Dauerbetrieb, ca. 100 W spitze
 - ca. 10 Ohm Last, rein resistiv (--> 1 Quadrant)
 - wäre schön, wenn ich die 1 MHz so heilwegs durch die Endstufe bekomme
 - Flankensteilheit: naja so vielleicht von 0 auf 100 in ner zehntel
   Sekunde? Das wären IMHO 310 V/s oder so
 - Stromversorgung vorzugsweise via Steckdose oder Schaltnetzteil
 - Potentialtrennung wäre nice to have, aber sicher nicht unbedingt
   nötig
 - Da mich nur die Leistung interessiert, ist es egal ob invertierend
   oder nicht
 - Betriebszeit keinesfalls mehr als 10 min am Stück
 - nichtlineare Kennlinien könnte ich leicht digital berücksichtigen

Meine bisherigen Überlegungen:
- Das liebste Kind wäre mir ja ein OPV an dem ich einfach meinen DAC 
anschließe und Ruhe ist. Vielleicht noch einen OPV dazwischen um den DAC 
zu entlasten. Leider habe ich bei meinen Suchstreiofzügen durchs Forum, 
bei Google, Conrad und Reichelt nix passendes gefunden. ...

- Plan B wäre ein paar parallel zu schalten

- Zur Not dachte ich vielleicht auch einfach daran mit ein paar 
Transistoren mir einen Eigenbau zurecht zu zimmern

- Wenn alle Stricke reißen, gäbs da noch die Variante Umrichter, aber 
die sind ja meines Wissens nach immer so elend langsam ...

So nun die Fragen:
Habt ihr Ideen, Erfahrung, Bezugsquellen, Bauteilvorschläge o.ä., die 
mir bei diesem Projekt behilflich sein könnten?
Fällt euch auch ne Lösung mit Schutzkleinspannung ein? Wollte nämlich da 
nicht so üppig viel Arbeitssicherheit und so machen ...
Muss ich bei sowas an EMV denken? Würden Coax (schreiben die sich so?) 
reichen, oder sind die nicht für solche Leistungen gemacht?

Grüße,
Markus

Autor: Klaus R. (klaus2)
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...was hast du denn als steuergröße? digitales oder analoges signal? 
analog: 1-10V zB direkt per MOSFETs umsetzen. digitales per tiefpass 
(steuersignal ist dann eine PWM) in analog umsetzen, per impedanzwandler 
auf MOSFET übertragen. alles selbstbau.

Klaus.

Autor: Michael U. (amiga)
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Hallo,

verstehe ich hier was falsch?

Du willst einen Widerstand mit 10...100W mit 1MHz heizen???

Wie weit willst Du so nebenbei mit Deinem Mittelwellensender kommen?
Von den Oberwellen mal ganz zu schweigen.

Wozu soll das gut sein?

PS: gerade nocmal gelesen: Du sprichst von einem DAC, da kommt also ein 
analoges Signal raus (Spannung oder Strom), wo ist da dann am Ausgang 
1MHz?

Gruß aus Berlin
Michael

Autor: Klaus R. (klaus2)
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nenene, er SAMPELT mit 1MHz - kann dementsprechend auch mit 1MHz 
steuern, aber sagt nicht, ob er das auch will :)

Klaus.

Autor: Markus P. (gfahrer)
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Als Steuergröße habe ich ein voraus berechnetes digitales Signal. Das 
setze ich mittels des DAC in ein analoges Spannungssignal um und will 
das dann "nur" noch verstärken, dass es die geforderte Leistung hat. 
Ausgang wäre also max 10 V, aber halt nicht belastbar.
Bei den Mosfets hätte ich dann aber das proble, dass ich IMHO ziemlich 
viel leistung in dem Transistor verheize, oder?

Zu dem Mittelwellensender:
So wars nicht gemeint. Er soll keinen Sinus mit 1 MHz generiern, sondern
eine stückweise zusammengesetzte Polynomfunktion, Treppen, Sprünge, 
Geraden, exponentialfkt. und ähnliches. Vielleicht wenn ich Muße habe 
auch bandbreitenbegrenzte Rauschsignale. Nichts destotrotz sehe ich auch 
das Problem der Abstrahlung, das stimmt schon. Ich hab nur keine Ahnung 
wie schlimm es tatsächlich ist ... :(

Der Zweck:
Es handelt sich um eine Messschaltung, die Wärmeleitfähigkeiten messen 
soll. Daher gilt: Hohe Verlustleistung --> hohe Temperaturunterschiede 
-> Großer Wärmestrom. Dafür gibt es (ich weiß schon) auch andere Mittel 
und Wege, aber es liegen hier ein paar Besonderheiten vor, die hier zum 
Tragen kommen. Um es kurz zu machen. Andere Konzepte zur Messung helfen 
mir erstmal nicht weiter.

Autor: Markus P. (gfahrer)
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Klaus R. wrote:
> nenene, er SAMPELT mit 1MHz - kann dementsprechend auch mit 1MHz
> steuern, aber sagt nicht, ob er das auch will :)
>
> Klaus.

Stimmt. Aber 100kHz wäre hübsch und hatte ich mir auch vorgstellt. 
Schließlich versuche ich Zeitkonstanten im zig µs Bereich zu messen ...

Autor: Karl (Gast)
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Mal was ganz neues: PWM per Analogausgang ;D

> - wäre schön, wenn ich die 1 MHz so heilwegs durch die Endstufe bekomme
> - Flankensteilheit: naja so vielleicht von 0 auf 100 in ner zehntel
>   Sekunde? Das wären IMHO 310 V/s oder so
> - Stromversorgung vorzugsweise via Steckdose oder Schaltnetzteil
> - Potentialtrennung wäre nice to have, aber sicher nicht unbedingt
>   nötig

oO, auch wenn es nicht direkt zur Lösung beiträgt: Vorsicht am Netz.

Schon mal die dominante Zeitkonstante deiner Strecke ermittelt? Wenn das 
thermischer Natur ist, tippe ich mal auf irgendwas in der Größenordnung 
0,1 s bis 100 s. Dazu braucht es keine lineare Verstärkung des 1 MSPS 
DAC signals, dazu reicht PWM mit einigen 10 oder 100 Hz locker aus. 
Schaltungsaufwand? 1 MOSFET, evtl ein Treiber, muss aber wahrscheinlich 
bei niedrigen Schaltfrequenzen nicht sein.

Autor: Markus P. (gfahrer)
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Karl wrote:

> oO, auch wenn es nicht direkt zur Lösung beiträgt: Vorsicht am Netz.
>
> Schon mal die dominante Zeitkonstante deiner Strecke ermittelt? Wenn das
> thermischer Natur ist, tippe ich mal auf irgendwas in der Größenordnung
> 0,1 s bis 100 s. Dazu braucht es keine lineare Verstärkung des 1 MSPS
> DAC signals, dazu reicht PWM mit einigen 10 oder 100 Hz locker aus.
> Schaltungsaufwand? 1 MOSFET, evtl ein Treiber, muss aber wahrscheinlich
> bei niedrigen Schaltfrequenzen nicht sein.

Danke Für den Tip mit dem Netz. Ich dachte da an einen Filter und da ich 
ja rein resisiv bin (oder sein wollte) habe ich das für ausreichend 
gehalten.

Zeitkonstanten habe ich zwar noch nicht gemessen (konkretes Objekt liegt 
noch nicht vor), aber simuliert und es gibt auch Erfahrung mit ähnlichen 
Proben und anderen Methoden. Traurige Gewissheit ist, dass auf jeden 
Fall im sub-ms Bereich liegen. (Ziel ist es die noch weiter zu senken) 
und daher wollte ich mal ein bisschen vorbauen, nicht dass ich dann wenn 
wir die erfolgreich gesenkt haben eine neue Schaltung brauchen.

Grüße Markus

Autor: Karl (Gast)
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Na wenn das so ist, könnte ein einigermaßen schneller OP mit einem 
Transistor als Leistungstreiber dahinter schon die richtige Wahl sein. 
Obwohl der dann im Linearbetrieb läuft, könnte man es trotzdem mit nem 
FET versuchen, weil das hfe bei BJTs und diesen Strömen nicht mehr so 
toll ist. Das GBP des OPs um mindestens eine Größenordnung größer als 
dein fmax als Anfang. Außerdem kann man sowas sehr gut simulieren, also 
sollte man es auch tun ;) Die geforderte slewrate machen manche OPs in 
ner µs, das sollte kein Problem sein. Kühlkörper nicht vergessen, die 
Transe wird heiß werden.
Natürlich könnte man es auch noch per PWM machen, aber bei einigen MHz 
wird das auch wieder nicht ganz einfach.

Das mit dem Netz war eigentlich nur als Spaß gemeint, wegen deiner 
unvorsichtigen Äußerungen zur Netztrennung und so. Aber wo wir schon 
dabei sind: Du ziehst den Strom doch nicht mit 50 Hz in Phase zum Netz, 
folglich ist die Last auch nicht rein resistiv. Soll das eine dauerhafte 
Anwendung werden? Falls nicht: Dickes Labornetzteil nehmen, das ist 
wenigstens sicher.

Autor: Ohh (Gast)
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100W in 1 bis 100 Ohm bedeutet : 10V/10A bis 100V/1A, also ein recht 
rabiater Switcher.

Autor: Markus (Gast)
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@ Karl:

Habe ich dich mit der obigen Schaltskizze richtig verstanden? (Mal 
abgesehen davon, dass du FET vorgeschlagen hast, ich hatte da kein 
Baustein in der Bibliothek) leider bin ich mit den genannten Abkürzungen 
nicht so vertraut, ist mein erster "praktisches" Projekt.

BJT = Bipolar junction transistor? (also so einer wie in der Schaltung)
GBP = Gain ... Product? Schon mal gehört aber k.A. wozu ich das brauche. 
Ist das die Kennziffer die mir die Belastbarkeit abgibt? Warum sollte 
ich das denn so wählen?

Wenn mich meine ET Kenntisse nicht ganz im Stich lassen habe ich aber 
bei so einer Schaltung insbesonder bei 30% Maximalwert einen ganz 
ordentlichen Verlust am Transistor (siehe Graphik nachfolgender Post). 
Kann ich das irgendwie noch senken oder hilft dann nur an der 
Speisespannung zu drehen?

Viele Dank soweit,
Markus

Autor: Markus (Gast)
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So noch die Leistungen für 'ne Speisespannung von 10 V...

Autor: Markus P. (gfahrer)
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> PS: gerade nocmal gelesen: Du sprichst von einem DAC, da kommt also ein
> analoges Signal raus (Spannung oder Strom), wo ist da dann am Ausgang
> 1MHz?

Spannung. Die Frequenz gibt lediglich an wie schnell ich neue 
Spannungswerte einstellen kann. Um die Oberwellenproblematik heilwegs in 
den Griff zu bekommen würde ich aber schon so 10 Datenpunkte pro Periode 
veranschlagen ...

Autor: Karl (Gast)
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Fast ;) Die Rückkopplung muss natürlich nach dem Transistor 
abgegriffen werden, so hast du ja nur einen etwas besser belastbaren 
Spannungsfolger gebaut. Desweiteren muss in die Rückkopplung noch ein 
Spannungsteiler, damit der ganze Bereich von 0..30 V ausgenützt werden 
kann. Die Spannung am Widerstand ist dann invertiert, aber das sollte 
dich nicht so sonderlich stören, da du digital noch dazwischenfunken 
kannst.

BJT - ja
GBW - gain bandwidth product, gibt im Prinzip einen Hinweis auf die 
Geschwindigkeit des OPs. Hintergrund: OPs sind relativ komplexe 
Verstärkerschaltungen, neigen wie alle Verstärker irgendwie zum 
schwingen und werden i.A. intern stabilisiert. Dazu wird, einfach 
ausgedrückt, das Verhalten eines Tiefpasses 1. Ordnung mit sehr hoher 
Anfangsverstärkung nachgebildet (max 90° Phasenverschiebung = stabil). 
D.h. diese hohe Verstärkung ist nur bei sehr kleinen Frequenzen 
vorhanden (z.B. 1 Hz) und verringert sich mit zunehmender Frequenz. 
Damit bei 1 MHz noch was geregelt werden kann, muss noch Verstärkung 
vorhanden sein, deshalb muss das GBP größer sein als die höchste 
erwünschte Frequenz.

Unbedingt simulieren, weil durch den Transistor zusätzliche Verstärkung 
und Phasenverschiebung eingebracht wird und es deshalb zur Instabilität 
kommen kann.

Das mit der Verlustleistung siehst du ganz richtig, die ist nicht ohne. 
PWM wäre hier die Lösung. Oder eben die Versorgungsspannung (grob) 
vorstellen. Geht aber meist auch nicht Verlustlos.

Autor: Markus P. (gfahrer)
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Sorry dass ich da jetzt noch mal so dumm ranfragen muss, aber was meinst 
du denn mit nach dem Transistor.

Ich habe zunächst den neg. Eingang des OP an den E vom BJT gehängt, da 
liegt er dann ja auf Masse und dann fließt laut Simulation kein I_BE und 
der Transistor sperrt.
Und wenn ich's an den C hänge passieren komische Dinge, aber nicht das 
was passieren soll.
Dementsprechend ist mir auch noch der Spannungsteiler unklar.

Aber trotzdem schonmal vielen Dank, du hast mir sehr viel weiter 
geholfen.

Markus

Autor: Karl (Gast)
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Das wäre eine theoretische Möglichkeit. Wie es mit der Stabilität 
aussieht, steht auf einem anderen Blatt.
Vorteil: Spannung am Transistor ist geregelt.
Nachteil: Könnte zum Schwingen neigen, Aufwand recht hoch

Autor: ulrich (Gast)
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Die Schaltung wird zum Schwingen neigen. Einfacher und sicherer wäre 
eine Regelung des Stromes. Also ein (keiner) Widerstand an der 
Emitterseite und die Spannung an dem Widerstand dann auf den (-) Eingang 
zurückkoppeln.
Je nach Widerstand des Heizers müßte man eventuell den Widerstand 
und/oder die Versorgungsspannung anpassen.

Wenn das Ganze eine Relung werden soll könnte man auch eine Verstärker 
ohne Rückkopplung nehmen, denn kleine Fehler des Verstärkers kann der 
Regler mit Kompensieren.

Autor: Karl (Gast)
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Hab ich auch schon dran gedacht, den Strom zu regeln. Noch einfacher 
wäre ein Verstärker in Emitterschaltung mit anschließendem Leistungsteil 
in Kollektorschaltung. Das ist dann allerdings ungeregelt, dafür aber 
stabil.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> - Das liebste Kind wäre mir ja ein OPV an dem ich einfach meinen DAC
> anschließe und Ruhe ist. Vielleicht noch einen OPV dazwischen um den DAC
> zu entlasten. Leider habe ich bei meinen Suchstreiofzügen durchs Forum,
> bei Google, Conrad und Reichelt nix passendes gefunden. ...
hast Du schon bei Apex geschaut? Wenn es einen solchen OPV gibt, dann 
von dieser Firma:

http://apex.cirrus.com/en/products/pro/areas/PA139...

Ein solcher OPV kann allerdings 200-300 € pro Stück kosten.


Gruß,
  Michael

Autor: OMG (Gast)
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Wenn die Herren nicht den Spannungsabfall am Transistor regeln wollen, 
sondern die Spannung am Heizelement, dann baut die Schaltung doch bitte 
als Emitterfolger mit Heizelement gegen Masse und Kollektor nach Plus. 
Und ja, Gegenkopplung und Heizelement an Emitter anschliessen. Dann wird 
auch die Schwingneigung weggehen.

Autor: B e r n d W. (smiley46)
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Ungefähr so?
Der OP ist aber nur für den Schaltplan.

Autor: Skua C:\> (skua)
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LM12C Nicht ganz Billig aber Robust.

Autor: Markus P. (gfahrer)
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Also ich habe noch mal die ganzen Transistorbeschaltungsvarianten 
nachgeschaut (http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/0204133.htm)
und bin zu folgendem Schluss gekommen:

@ Kollektor- = Emitterfolgeschaltungen sind für meine Zwecke ungeeignet, 
weil Eingangsspannung kleiner als die gewünschte maximale 
Ausgangsspannung ist. Das liegt daran, dass meinen DAC (umax = 10 V) 
schwächer ist als meine Speisespannung von voraussichtlich 12 V und 
außerdem da viel zu viel Strom gezogen wird. Und Selbst wenn ich da mit 
einem OPV (oder Transistorschaltung) verstärke, kann der auch nicht mehr 
als VCC = 12 haben. Dann geht da noch die Einsatzspannung weg und da 
kommt laut Simulation keinesfalls mehr als 11 V am Heizer an. Im 
Klartext heißt das ich verschenke 15 - 20% Stellreserve.

@ Emitterschaltungen, wie mein erster Entwurf sind da wesentlich 
freundlicher. Mit U_BE kann ich über einen Vorwiederstand den Strom gut 
einstellen, muss allerdings in Kauf nehmen, dass a) den 
Einsatzspannungs- bereich nicht effektiv nutzen kann und b) ich bei 
gängigen Stromverstärkungsfaktoren noch einen belastbaren 
Spannungsfolger dazwischen klemmen muss.

@ Schaltentwurf von Karl:
Wenn ichs richtig verstanden hab', dann holst du dir mit dem 
Spannungsteiler ja ein Potential im "inneren" des Transistors, and das 
du sonst nicht so ohne weiteres ran kommst. Ist das mit dem 2:1 
irgendeine gefühlte Hausnummer oder steckt da eine mir noch unbekannte 
physikalische Bedeutung dahinter? Und vor allem, was wäre denn da die 
Spannung die geregelt ist? Mir schwebte (wenn überhaupt) ein Digitaler 
Regelkreis vor, da ich ja die Spannung am Heizer ohnhin messen muss und 
die am DAC ja a priori kenne und ggf. nachregeln kann.

@ Schaltungsentwurf von Bernd:
Ich weiß zwar nicht welcher der beiden Widerstände mein Heizer und 
welcher ein Hilswiderstand ist, aber nach meinem Dafürhalten fließen 
alle Lastströme über beide, was einen Wirkungsgrad von bestenfalls 50% 
eher wohl aber 25 % nahe kommt. Vielleciht Könnte ja OMG noch mal näher 
skizzieren was er tatsächlich gemeint hat und worin genau der Vorteil 
besteht.

@ Kaufteil:
Die OPV die sie dort vertreiben sind für mein Anwendungen viel zu 
hochgezüchtet (stört mich nicht) aber auch wesentlich zu teuer (stört 
mich ganz gewaltig :D ).

Noch ein paar Worte zu meinem Vorhaben:

Ich habe mir überlegt, dass ich als Netzteil am besten ein PC-Netzteil 
benutze. Das hat ordentlich Power, ne integrierte Kühlung, Kippschalter, 
EMV-Maßnahmen, netzveräglich und den ganzen Kram und macht mir 12V DC. 
Und last but not least, es ist gut erschwinglich. Spricht da irgendwas 
dagegen?

Ansonsten vielen Dank für das Rege Interesse und die vielen guten Tips,
Markus

Autor: Karl (Gast)
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Der Spannungsteiler sorgt nur für eine VErstärkung von 3, weil ich von 
10 Ohm und 100 W ausgegangen bin. Die Spannung an q wird geregelt. Bei 
digitaler Regelung verschenkst Du halt einiges an Geschwindigkeit, ich 
geh wieder einmal von einem Faktor 10 aus.

OMG meint, Heizelement und Transistor vertauschen -> Kollektorschaltung. 
Ist aber wegen der Stabilität nicht die schlechteste Idee. Mit einem 
rail-to-rail OP hast auch fast nur die BE Strecke an Spannungsverlust. 
Bei ca. 10 A wird aber das hfe des Transistors wieder interessant.

Bei Bernd stimmen evtl. die Werte nicht. Seine Schaltung könnte man als 
Stromregelung interpretieren. Der untere Widerstand ist der Shunt und 
kann angepasst werden. Dann muss man den OP sorgfältig auswählen und 
ggf. abgleichen.

Vorsicht bei PC Netzteilen, da sind die einzelnen Schienen AFAIK nicht 
getrennt geregelt.

Autor: Ich (Gast)
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Muß es durch irgendwas bedingt ein Widerstand sein, den Du als 
Heizelement nimmst? Oder kann das auch ein Transistor sein. Der ist 
billiger als ein 100 Watt Widerstand. Also im Endeffekt eine regelbare 
elektronische Last.

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