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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Stromquellen und Stromsenken mit OPAMP's


Autor: Marco Beffa (Gast)
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Hallo!

Ich hätte da mal ne Frage zu folgenden Schaltungen:

http://pdfserv.maxim-ic.com/en/an/AN3869.pdf

Es geht um präzisions Stromsenken und Quellen bei geringen Leistungen.

Wie funktionieren denn diese Schaltungen? Besonders jene, bei denen die 
Versorgungspins zum senken benutzt werden (z.b. Schaltung C). Sowas hab 
ich nochnie gesehen.

Kann man für diese Schaltungen jeden Opamp nehmen?

Kann ein Opamp Ausgang in jedem Fall auch Strom "senken"? Oder hängt 
dies vom Opamp ab? Warum ist im Datenblatt eines Feld, Wald, Wiesen OP 
nicht angegeben, welche Ausgangsschaltung der OP hat?

Ziel ist: Eine präzisions Stromsenke für Ströme von ca. 1mA. Ich wollte 
da zuerst einen MOSFET nehmen, welcher von einem OP angesteuert wird. 
Mithilfe eines Shunts, sollte dann der Opamp die Gatespannung so regeln, 
das der gewünschte Strom fliesst.

Aber wenn das natürlich auch nur mit einem OP geht, umso besser.

Autor: Wolfgang M. (womai)
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Du koenntest vielleicht den REF200 von TI verwenden (ist allerdings nur 
0.1mA bzw. 0.2mA):

http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/ref200.html

Super-einfach zu verwenden und meiner Erfahrung nach ziemlich praezise.

Wolfgang

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Marco Beffa wrote:
> Hallo!
> ...
>
> Wie funktionieren denn diese Schaltungen?


Es ist eine einfache Grundschaltung für OP.  Letztlich sorgt man dafür 
das der OP im Kruzschlußbetrieb arbeitet. D.h. genug "Laststrom" aus den 
Pins zieht.
Das Prinzip ist schon Anfang der 80er Jahre bei den (Audio) Verstärkern 
der Firma Quad in deren Schaltplänen genutzt wordne.

> Besonders jene, bei denen die
> Versorgungspins zum senken benutzt werden (z.b. Schaltung C). Sowas hab
> ich nochnie gesehen.

Es ist bei Dir halt die Gnade der späten Geburt ;-)

>
> Kann man für diese Schaltungen jeden Opamp nehmen?
>

Fast. Er sollte halt genug Strom für den Zweck senken können und die 
entstehende Verlustleistung abführen. Prinzipiell also vereinfacht:  ja


> Kann ein Opamp Ausgang in jedem Fall auch Strom "senken"? Oder hängt
> dies vom Opamp ab?

Ja, jedoch hängt die Höhe vom OP ab. einige wenige mA gehen fast immer.

> Warum ist im Datenblatt eines Feld, Wald, Wiesen OP
> nicht angegeben, welche Ausgangsschaltung der OP hat?


Weil es in der kompletten oder verinfachten Innernschaltung für dne 
Fachmann sofort ersichtlich ist. Das Datenblatt ist meist nur eine 
Zusammenfassung anderer relvanter Daten.

>
> Ziel ist: Eine präzisions Stromsenke für Ströme von ca. 1mA. Ich wollte
> da zuerst einen MOSFET nehmen, welcher von einem OP angesteuert wird.
> Mithilfe eines Shunts, sollte dann der Opamp die Gatespannung so regeln,
> das der gewünschte Strom fliesst.

Also die hier im web hundertfach veröffentliche Standardschaltung. Wobie 
"Präzision" nähert von Dir definiert werden muß. Ist das 10000 ppm oder 
1 ppm....

>
> Aber wenn das natürlich auch nur mit einem OP geht, umso besser.

Zumindest  mit diesen OP aus Deinem Weblink mit einer Ungenauigkeit von 
ca. 25uA. Denn Du solltest Dir mal den Artikel gründlich durchlesen bis 
zum Ende im Formelteil.


Kommt halt darauf an was Deine Schaltung wirklich können soll. Da 
versagen unsere Kristallkugeln.

hth,
Andrew

Autor: M. Beffa (m_beffa)
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Hallo Andrew:

> Es ist eine einfache Grundschaltung für OP.  Letztlich sorgt man dafür
> das der OP im Kruzschlußbetrieb arbeitet. D.h. genug "Laststrom" aus den
> Pins zieht.
> Das Prinzip ist schon Anfang der 80er Jahre bei den (Audio) Verstärkern
> der Firma Quad in deren Schaltplänen genutzt wordne.
>

OK. Könntest du mir das noch ein wenig genauer erklären? Welche 
Grundschaltung ist vorhanden? Simulieren in multisim kann ich die 
Geschichte nicht.. ?

Ich versuche mal Variante C zu erklären:

Eine höhere Spannung am invertierenden Eingang führt zu einer Erhöhung 
der Spannung am OP Ausgang. Das führt zu einer Erhöhung der Spannung an 
der positiven Versorgung. Der OP beginnt Strom zu ziehen, welcher ja 
durch den Shunt an der negativen Versorung fliessen muss. Es erhöt sich 
also somit die Spannung am nichtinvertierenden Eingang. Das geschieht 
solange biss die Spannungen an den Eingängen gleich sind.

Habe ich das so richtig verstanden?


>>
>> Kann man für diese Schaltungen jeden Opamp nehmen?
>>
>
> Fast. Er sollte halt genug Strom für den Zweck senken können und die
> entstehende Verlustleistung abführen. Prinzipiell also vereinfacht:  ja
>
>
>> Kann ein Opamp Ausgang in jedem Fall auch Strom "senken"? Oder hängt
>> dies vom Opamp ab?
>
> Ja, jedoch hängt die Höhe vom OP ab. einige wenige mA gehen fast immer.

Mit welchem Parameter im DB wird denn spezifiziert dass ein OP sowas 
kann?


> Weil es in der kompletten oder verinfachten Innernschaltung für dne
> Fachmann sofort ersichtlich ist. Das Datenblatt ist meist nur eine
> Zusammenfassung anderer relvanter Daten.

Stimmt. Leider ist in einigen Datenblättern nichtmal die vereinfachte 
Innenschaltung zu finden.

>> Ziel ist: Eine präzisions Stromsenke für Ströme von ca. 1mA. Ich wollte
>> da zuerst einen MOSFET nehmen, welcher von einem OP angesteuert wird.
>> Mithilfe eines Shunts, sollte dann der Opamp die Gatespannung so regeln,
>> das der gewünschte Strom fliesst.
>
> Also die hier im web hundertfach veröffentliche Standardschaltung. Wobie
> "Präzision" nähert von Dir definiert werden muß. Ist das 10000 ppm oder
> 1 ppm....
>
>>
>> Aber wenn das natürlich auch nur mit einem OP geht, umso besser.
>
> Zumindest  mit diesen OP aus Deinem Weblink mit einer Ungenauigkeit von
> ca. 25uA. Denn Du solltest Dir mal den Artikel gründlich durchlesen bis
> zum Ende im Formelteil.

Jep, das habe ich. Ich interessiere mich vorallem für Variante C, welche 
diesen Fehler nicht hat.

Ich will eine Schaltung entwickeln, welche eine Eingangsspannung, die 
zwischen 0V und 5 schwankt (DC Offset 2.5V), in eine Stromänderung 
umsetzt. DC AP des Stromes soll 0.15mA sein. Der Strom soll zwischen 0 
und 0.3mA ändern. Dieser Strom soll von einer bestehenden Leitung 
gezogen werden.

Dies habe ich mit der beschriebenen Schaltung bereits erreicht, nur dass 
ich zum Ansteuern des MOSFET Spannungen von 5-8V am Gate benötige. Die 
Drainspannung ist bei 12V. Warum muss dann die Gatespannung so hoch 
sein? (laut multisim). Ist es ein Problem, dass die Source nicht direkt 
an Masse hängt, sondern ein Shunt von 16k dazwischen ist? Denn mein OP 
ist nur mit 5V gespiesen, dies sollte doch ausreichen um den FET für die 
gennanten Ströme durchzusteuern, oder übersehe ich da was?

Gr

Autor: M. Beffa (m_beffa)
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Keiner einen Rat für mich?

Autor: yalu (Gast)
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Ein paar Teilantworten, die mir gerade so eingefallen sind:

> Simulieren in multisim kann ich die Geschichte nicht.. ?

Ich habe kein Multisim. Wenn aber das Modell des OPV den Strom durch die
Versorgungspins berücksichtigt, sollte die Schaltung schon simuliert
werden können. Du solltest allerdings das Modell eines realen OPV
verwenden. Ein idealer OPV zieht evtl. keinen Strom oder hat vielleicht
nicht einmal Versorgungsspannungsanschlüsse.

> Eine höhere Spannung am invertierenden Eingang führt zu einer Erhöhung
> ...
> solange biss die Spannungen an den Eingängen gleich sind.
>
> Habe ich das so richtig verstanden?

Ja, so kann man das erklären.

> Mit welchem Parameter im DB wird denn spezifiziert dass ein OP sowas
> kann?

Das einzige, was aus der Sicht des OPV anders ist als im Normalbetrieb,
ist die veränderliche Versorgungsspannung wegen des Spannungssbfalls am
Shunt und an der Last. Dass er auch bei veränderlicher Spannung noch
funktioniert, müssen wir stillschweigend voraussetzen. Solange die
Frequenz der Spannungsänderung nicht zu hoch ist, gibt es auch keinen
Grund, warum das ein Problem sein sollte.

Dann müssen natürlich alle restlichen Grenzwerte im Datenblatt
berücksichtigt werden, die in dieser Schaltung aber teilweise in neuem
Licht erscheinen. Dazu gehören

- Ein- und Ausgangsspannungsbereiche: Da die Versurgungsspannung
  veränderlich ist, sind es die genannten Werte ebenfalls. Wird bspw. in
  Schaltung C bei gleichbleibender Eingangsspannung der Lastwiderstand
  erhöht, sinkt die positive Versorgungsspannung des OPV möglicherweise
  unter die Eingangsspannung. Spätestens dann ist bei den meisten OPVs
  die obere Grenze der Eingangsspannung überschritten.

- Versorgungsspannungsbereich: Es muss für alle möglichen Lastparameter
  und Eingangsspannungen sichergestellt sein, dass der zulässige
  Versorgungsspannungsbereich nicht verlassen wird.

> Dies habe ich mit der beschriebenen Schaltung bereits erreicht, nur
> dass ich zum Ansteuern des MOSFET Spannungen von 5-8V am Gate
> benötige. Die Drainspannung ist bei 12V. Warum muss dann die
> Gatespannung so hoch sein? (laut multisim).

Bei 0,3mA bebträgt die Spannung (auf GND bezogen) an der Source des
MOSFETs 16kOhm * 0,3mA = 4,8V. Dazu kommt die Gate-Source-Spannung, die
benötigt wird, um den gewünschten Drain-Strom von 0,3mA fließen zu
lassen. Sie hängt vom Typ des MOSFETs ab und liegt bei vielen so
zwischen 1V und 4V. Die von dir beobachteten 5V bis 8V sind also
plausibel. Ist das zuviel, nimmst du einen MOSFET mit geringerer
Threshold-Spannung und/oder ersetzt den 16k-Shunt durch einen kleineren
Widerstand und teilst die Eingangsspannung mittels Spannungsteiler durch
den entsprechenden Faktor, um die Transkonduktanz 0,3mA/5V der
Gesamtschaltung zu erhalten.

Autor: Marco Beffa (Gast)
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Hi!

Besten Dank für deine Erklärungen, hat mich weiter gebracht!

Gr

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