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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannungsreglerschaltung regelt nicht gescheit


Autor: Paul H. (powl)
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Hi,

ich habe hier eine relativ simple Schaltung. Später soll daraus mal ein
Spannungsregler entstehen.

Vref ist momentan einfach mein Labornetzeil mit dem ich eine
Referenzspannung vorgeben kann. Der OpAmp sollte die Gatespannung am
Mosfet so nachregeln, dass die Spannung am nicht-invertierenden Eingang
genauso hoch ist wie die am invertierenden Eingang. An den Ausgängen der
Schaltung befindet sich derzeit ein 100nF Kondensator und ein kleines
Glühlämpchen als Last. Vielleicht 100mA bei 12V. Der OpAmp wird mit der
12V Eingangsspannung gespeist.

Wenn ich allerdings mit meinem Multimeter mal zwischen Ausgang und
Referenzspannung messe dann ergibt sich wenn das Glühlämpchen drinsteckt
im Bereich bis 10V eine Spannung von bis zu 1V, die Spannung am Ausgang
der Schaltung ist also größer als gewollt und das kann ja irgendwie
nicht sein. Der OpAmp müsste die Gatespannung erhöhen damit der FET
nicht mehr so stark durchschaltet und sich die Ausgangsspannung der
Referenzsspannung wieder angleicht.

Auch mit einer höheren Versorgungsspannung des OpAmps erreiche ich keine
Besserung. Ohne Last am Ausgang scheint es zu funktionieren.

Wo liegt hier der Fehler?

lg PoWl

Autor: yaq (Gast)
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Deine Überlegungen sind richtig, du hast nur + und - verstauscht ->
siehe Spannungsfolger.

Autor: A. K. (prx)
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Der MOSFET ist etwas merkwürdig gezeichnet - normalerweile legt man den 
Gate-Anschluss auf die Seite vom Source.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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yaq wrote:
> Deine Überlegungen sind richtig, du hast nur + und - verstauscht ->
> siehe Spannungsfolger.

Nein, passt schon, ist ein P-Kanal FET.

Das Problem liegt vermutlich daran, dass der LM358 kein Rail-2-Rail Typ 
ist, und daher den Mosfet nicht ganz sperren kann.

Weiterhin kann es sein, dass die Schaltung schwingt. Das müsste man mit 
einem Oszilloskop nachmessen, oder (falls kein Oszi vorhanden ist) mit 
einem Multimeter im AC Bereich, dass über einen Kondensator 
angeschlossen ist.

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Mit Sicherheit schwingt deine Schaltung. Da der Mosfet in 
Sourceschaltung betrieben wird erhoeht sich die Gesammtverstaerkung in 
deinem Regelkreis. Der LM358 ist zwar intern Frequenzkompensiert fuer 
eine Gegengekoppelte Verstaerung von 1. aber dein Mosfet fuegt weitere 
Verstaerkung hinzu. Folge daraus: Bei einer gesammten Phasendrehung von 
0 Grad (Schwingbedingung) ist deine Verstaerkung groesser eins. Abhilfe 
kannst du schaffen in dem du eine zusaetzliche Frequenzkompensation in 
deine Schaltung einfuegst. Z.B in dem du einen kleinen Kondensator von 
einigen nF zwischen Ausgang des OPs und seinem (-) Eingang schaltest und 
zwischen (-) Eingang und Referenzspannungsquelle noch einen Widerstand 
von einige KOhm. Die Werte kannst du mit ein bisschen Experimentiern 
rausfinden. Bedenke auch das die Schaltung bei einer bestimmten Last 
schwingen kann und bei einer anderen nicht. Auch bringen hier kapazitive 
Lasten am Ausgang eine weitere Phasendrehung mit in Spiel.Du must halt 
diese RC-Glied am OP so auslegen das die Schaltung unter allen Lasten am 
Ausgang stabil arbeitet.

Gruss Helmi

Autor: Paul H. (powl)
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Danke euch allen. Ich hab eben mal mit dem Oszi nachgemessen und die 
zusätzliche Frequenzgangkompensation eingebaut. Die Schwingungen sind 
jetzt verschwunden :-)

Autor: Paul H. (powl)
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Haben Bipolar-Transistoren bessere Regeleigenschaften als MosFETs? 
Immerhin muss beim Mosfet immer das Gate vom OpAmp umgeladen werden.

Autor: Michael H* (Gast)
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in deiner schaltung wäre ein bipolarer transistor dahingend besser, dass 
deine lastkapazität, die der opamp sieht, kleiner ist. dann kommt der 
opamp aus der internen kompensation nicht so schnell raus.

allerdings hast du auch mit einem bipolaren transistor eine gewaltige 
verstärkung am "gesamt-ausgang" -> du musst sowieso extern kompensieren.

Autor: Paul H. (powl)
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OK danke,

würde es Vorteile bringen wenn ich gleich einen Leistungs-OpAmp nehme?

Wie geht man vor wenn auf sich ändernde Eingangssignale schnell reagiert 
werden muss? z.B. wenn man ein hochfrequentes Rechteck-Signal von einem 
Funktionsgenerator um den Faktor 1-10 verstärken möchte. Eine 
zusätzliche Frequenzgangkompensation würde hier die Kurvenform ja 
vernichten.

Wie richte ich mein Netzteil darauf aus, dass es schnell auf 
Laständerungen reagiert?

Gibts irgendwo eventuell sogar ein Buch oder Internetseiten, die sich 
mit dem Thema ausführlich beschäftigen?

Noch eine Frage: Wie ist eine Strombegrenzung per Shuntmessung dann zu 
realisieren? Ich dachte mir, einen Mess-Shunt in die Masseleitung. Dann 
per OpAmp schauen ob die Shuntspannung gerade ein gewisses Maß 
überschreitet und wenn ja, versuchen die Spannung am invertierenden 
Eingang zu senken.

lg PoWl

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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>Wie geht man vor wenn auf sich ändernde Eingangssignale schnell reagiert
>werden muss? z.B. wenn man ein hochfrequentes Rechteck-Signal von einem
>Funktionsgenerator um den Faktor 1-10 verstärken möchte. Eine
>zusätzliche Frequenzgangkompensation würde hier die Kurvenform ja
>vernichten.

Dazu nimmt man andere Schaltungen. Stichwort: Breitbandverstaerker.
Dabei werden die einzelnen Stufe nicht mit einer ueber alles 
Gegenkopplung stabilisiert sondern jede Stufe fuer sich. Auch werden 
dort auch Massnahmen getroffen (mittels kleine C oder Induktivitaeten) 
um die Bandbreite zu erhoehen. Um einen guten Verstaerker zu 
konstruieren muss schon einiges an Arbeit da rein stecken.

>Wie richte ich mein Netzteil darauf aus, dass es schnell auf
>Laständerungen reagiert?

In dem man die Frequenz des Komensationsgliedes moeglichst hoch ansetzt.

>Gibts irgendwo eventuell sogar ein Buch oder Internetseiten, die sich
>mit dem Thema ausführlich beschäftigen?

Sicher  gibt es Buecher zu Regelungstechnik. Aber die sind sehr mit 
Mathematik belastet.

>Noch eine Frage: Wie ist eine Strombegrenzung per Shuntmessung dann zu
>realisieren? Ich dachte mir, einen Mess-Shunt in die Masseleitung. Dann
>per OpAmp schauen ob die Shuntspannung gerade ein gewisses Maß
>überschreitet und wenn ja, versuchen die Spannung am invertierenden
>Eingang zu senken.

Die Stromregelung geht in etwa wie die Spannungsregelung. Das mit dem 
Mess-Shunt ist schon mal in Ordnung. Du kannst aber entweder die 
Spannung regeln oder den Strom. Das heist bei einer bestimmten 
konstellation schaltet das Netzteil selber von der U-Regelung zur 
I-Regelung um.

Z.B.  du willst 10V am Ausgang und der maximale Strom soll 1A betragen.
So lange du unter 1A bleibts hat der U-Regler das sagen ab 1A uebernimmt 
dann der I-Regler .

Gruss Helmi

Autor: Jens G. (jensig)
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Theoretisch könnte mann alles breitbandig auslegen, also z.B. einen 
schnellen OPV, mit stromstarkem Ausgang (wegen der schnellen 
Gateumladung). Und dann macht man eine bestimmende Zeitkonstante mit 
rein, die sozusagen die obere Grenzfrequenz bestimmen soll. Dazu könnte 
man auch das Gate des Mosfets mißbrauchen, dem man einen R vorschaltet 
(RC-Tiefpaß). Das Problem ist eigentlich immer, daß in einer solchen 
Schaltung immer mehrere solcher Tiefpässe drin sind (jeder einzelen 
Transistor im OPV ist ein solcher), die aneinandergekettet die Phase 
bereits bei relativ geringem Verstärkungsverlust in der nähe der 
einzelnen Grenzfrequenzen (somit v immer noch größer 1) auf 180° 
bringen. Deswegen versuchen, einen bestimmtenden Tiefpaß einbauen, der 
die Phase ab einer bestimmten Frequenz zunemhmend auf 90° erst dreht, 
dann dort trotzdem mit zunehmender Frequenz verbleibt, aber die 
Verstärkung weiter sinkt. Erst bei höheren Frequenzen setzen langsam die 
anderen Tiefpässe ein, wo man dann so langsam aber die Kreis-Verstärkung 
von 1 unterschritten haben sollte, wo dann eine weitere 
Phasenverschiebung egal sein sollte.
Da wir es hier aber mit einem Netzteil zu tun haben, wo kapazitive 
Lasten dran sein können, wird das ganz natürlich wieder etwas 
komplizierter.

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