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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Funktionsweise Stromquelle


Autor: Stephan S. (outsider)
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Hallo,

ich habe hier einen Schaltplan einer einstellbaren Stromquelle. Diese 
habe ich testweise aufgebaut, habe aber ein Problem damit. Immer wenn 
der Lastwiderstand so klein wird dass die Spannung an der Last unter 
etwa 5V fällt, funktioniert die Stromregelung nicht mehr. Woran könnte 
das liegen?

Ich verstehe die Schaltung nur zur Hälfte, kann mir das mal jemand 
erklären? Der rechte Teil ist klar. Das ist ein Differenzverstärker der 
den Strom über die 5 Ohm Shunt misst. Die Spannung wird mit Faktor 10 
verstärkt und geht über 10k an den invertierenden Eingang des linken OP.

Unten ist ein Stufenschalter mit dem man den Strom einstellen kann.

LM4121ADJ erzeugt zwischen dem REF Pin (der eigentlich korrekterweise 
ADJ heißen müsste) etwa konstante 1,22 V die über alle darunter 
liegenden Widerstände (je nach Schalterstellung) abfallen. Nur was 
passiert an Vout? Ich messe da immer die gleiche Spannung wie am Ausgang 
des rechten OP, was auch logisch klingt weil beim nicht rückgekoppelten 
linken OP die Eingänge beide ja etwa gleiches Potential haben müssen.

Die Frage ist jetzt: Was macht hier überhaupt Vout und woher kommt das 
mit der 5V Schwelle? Wie funktoniert die Regelung überhaupt?

Autor: MaWin (Gast)
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Der LM4121 ist eine einstellbare Spannungsquelle.
VOUT ist nicht immer konstant, sondern einstellbar mit dem Schalter.

Allerdings auf grenzdebil mieserable Art, denn wenn der Schalter 
unterbricht, gibt e kurz volle Spannung (und damit vollen Strom) am 
Ausgang. So was entwerfen nur Deppen. Egal.

Die Spannung gibt den Spannungsabfall vor, der am Strommesswiderstand 
durch den Differenzverstärker durch den durchfliessenden Strom entstehen 
soll. Das ist die übliche Art einer Stromquelle. Spannung an Shunt 
messen und so lange zu klein den Leistungstransistor immer weiter 
aufdrehen bis es reicht.

Dein 5V Problem könnte mit der maximalen Stromlieferfähigkeit des LM2904 
zusammenhängen, den der Darlington nicht ausreichend verstärkt, so dass 
der LM2904 gegen seine Überlastungssicherung läuft. Oder die Schaltung 
fängt zu schwingen an, weil die zusätzliche Verstärkung nicht 
kompensiert wurde. Das ist also mindestens der zweite schwere 
Designfehler in der Schaltung. Es fehlt ein kleiner Kondensator, der die 
Regelung verlangsamt, damit sie nciht zu schwingen anfängt.
(http://dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.8 suche LM10 und 
schau auf den C der dort zwischen Pin 2 und 6 eingezeichnet ist)

Die genaue Grösse des Kondensators bestimmt man durch ausprobieren in 
dem man das Regelverhalten der Stromquelle prüft, und zwischen schnellem 
ausregeln ohne Überwinger und Schwingneigung einen Kompromiss findet.

Warum gehen von R20 2 Drähte weg?

Autor: Stephan S. (outsider)
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So langsam verstehe ich. Als ADJ Version ist der LM4121 sozusagen so 
etwas wie ein Linearregler wie der LM317, nur nicht so leistungsfähig, 
dafür präziser.

Beim angesprochenen LM10 ist der Kondensator zwischen invertierendem 
Eingang und Ausgang des OP. Das heißt ich müsste das bei meinem linken 
so anschließen und rausfinden bei welchem er stabil ist, aber trotzdem 
schnell genug regelt?

Die Situation dass beim Umschalten der Schalter kurzzeitig geöffnet ist 
führt dazu dass der ADJ Widerstand unendlich hoch wird und damit die 
Spannung und Strom in die Begrenzung gehen wenn ich das richtig 
verstanden habe. Nicht schön, das stimmt. Aber in meinem Fall stört das 
nicht, selbst wenn der Verbraucher angeschlossen ist.

Die Drähte die bei R20 weggehen, gehen zu einem hochohmigen 
Anzeigeinstrument. R20 dient als Shunt für ein Amperemeter (was in 
wirklichkeit ein umskaliertes Voltmeter ist).

Autor: MaWin (Gast)
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> Das heißt ich müsste das bei meinem linken
> so anschließen und rausfinden bei welchem er stabil ist

Es gibt in deiner Schaltung mehrere mögliche Stellen, an denen man den 
einen Kondensator anbringen könnte, ich bevorzuge immer over-all, also 
von Basis Darlington nach Differenzverstärkereingang, aber welche Stelle 
optimal ist, gibt meine Glaskugel nicht her.

Autor: Michael (Gast)
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>aber welche Stelle
>optimal ist, gibt meine Glaskugel nicht her

Dafür ist oben ja die Schaltung, damit du deine Glaskugel nicht so sehr 
belasten musst. Nihct das die noch durchbrennt ^^

Autor: Stephan S. (outsider)
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Danke für die Hinweise, die Schaltung schwingt tatsächlich! Je nach 
Strom mit einer Art Dreieck mit mehr oder weniger Offset. Vermutlich 
kommen da Bauteile an ihre Aussteuergrenzen. Der Dreieck hat etwa 50 kHz 
Frequenz, diesem ist nochmal eine Frequenz von etwa 3 MHz überlagert. 
Ich werd mich dann mal an Dämpfungsversuche machen.

Autor: yalu (Gast)
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@Stephan S.:
> Das heißt ich müsste das bei meinem linken so anschließen und
> rausfinden bei welchem er stabil ist, aber trotzdem schnell genug
> regelt?

Ja, versuch's mal mit 1nF vom Ausgang zum invertierenden Eingang.

Keine zusätzliche Frequenzkompensation ist erforderlich, wenn die
Schleifenverstärkung höchstens so groß wie die Differenzverstärkung des
linken Operationsverstärkers ist, dafür ist er nämlich bereits intern
kompensiert. Der Subtrahierverstärker rechts bewirkt aber, dass die
Schleifenverstärkung im worst Case (Ausgang kurzgeschlossen) um den
Faktor 10 über der Differenzverstärkung liegt, was unweigerlich zum
Schwingen führen muss.

Die Schaltung im Anhang hat dieses Problem nicht. Obwohl sie bei glei-
chem Shunt (5Ω) die gleiche Skalierung wie deine Schaltung hat (der
Ausgangsstrom beträgt ebenfalls Uref/50Ω), liegt hier die maximale
Schleifenverstärkung sogar noch etwa 10% unter der Differenzverstärkung.
Man braucht also keine externe Kompensation und kann damit die volle
Bandbreite des Operationsverstärkers nutzen. Obendrein spart man auch
noch einen Operationsverstärker ein. Der seltsame 100,05kΩ-Widerstand
ist der theoretisch richtige Wert. Natürlich kannst du dafür auch
einfach 100kΩ nehmen.

Autor: MaWin (Gast)
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> Der seltsame 100,05kΩ-Widerstand
> ist der theoretisch richtige Wert. Natürlich kannst du dafür auch
> einfach 100kΩ nehmen.

Na ja, die CMRR wird dadurch schlechter, und die ist nicht ganz 
unwischtig bei high side Differenzmessung.


Ich würde eher sagen: Die 100.05k signalisieren, daß die Schaltung sehr 
exakte Widerstände erfordert, besser als 1%.

Autor: Stephan S. (outsider)
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Danke für die neue Schaltung. Wenns klappt würde ich aber im Moment 
lieber die aktuelle Schaltung weiternutzen um nicht eine neue aufbauen 
zu müssen. Falls es garnicht hinhaut werde ich aber doch zu ihr 
wechseln.

Mit 1nF vom invertierenden Eingang zum Ausgang des OP hab ich die 50 kHz 
wegbekommen. Jetzt habe ich nur noch die 3 MHz mit einer Welligkeit von 
etwa 4%. Ist das überhaupt wegzubekommen oder muss ich damit leben?

Und mal grundsätzlich: das was ich hier mache bringt eigentlich nicht 
wirklich was. Ich verstehe kaum wovon ihr redet, von daher wärs mal 
nötig mich vernünftig in die Materie einzuarbeiten. Hat jemand einen 
konkreten Hinweis, evtl. ein Tutorial oder App.-Note wo die Parameter 
eines OP, was sie bedeuten und wie sie sich auswirken beschrieben wird? 
Vermutlich ist das nicht nur eine OP Geschichte sondern allgemein 
Analogdesign.

Autor: MaWin (Gast)
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> Ist das überhaupt wegzubekommen

Natürlich. Der andere OpAmp?

> Ich verstehe kaum wovon ihr redet

Schleifen(verstärungs)kompensation ist eigentlich nicht schwer zu 
verstehen.

Wenn du ein Auto hast, das nur 100km/h vorwärts und 50km/h rückwärts 
fahren kann, kannst du nicht einparken. Du schiesst immer über's Ziel 
hinaus.

Ein OpAmp ist immer schnell, so lange es eine Differenz an den Eingängen 
gibt. Kann der Rest nicht schnell genug folgen, kommt es zum 
Überscheinger, und er muss wieder rückwärts, mit demselben Problem. Es 
scheingt. Daher macht man ihn langsamer, um das Problem zu beheben, aber 
gerade so langsam wie nötig (sonst verschenkt man Performance).

http://dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.30.1
nennt Op Amps for Everyone

Genau zum THema suche mit Google "stability opamps" und finde z.B.:
http://focus.ti.com/lit/an/sloa020a/sloa020a.pdf

Autor: yalu (Gast)
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MaWin schrieb:
>> Der seltsame 100,05kΩ-Widerstand ist der theoretisch richtige Wert.
>> Natürlich kannst du dafür auch einfach 100kΩ nehmen.
>
> Na ja, die CMRR wird dadurch schlechter, und die ist nicht ganz
> unwischtig bei high side Differenzmessung.

Mag sein, aber der Unterschied dürfte in den meisten Anwendungsfällen
vernachlässigbar sein. Zudem besteht das gleiche Problem auch in der
ursprünglichen Schaltung, wenn die Widerstände des Subtrahierers nicht
exakt aufeinander abgestimmt sind.

> Ich würde eher sagen: Die 100.05k signalisieren, daß die Schaltung
> sehr exakte Widerstände erfordert, besser als 1%.

Dann würden sie das auch in der ursprünglichen Schaltung signalisieren.
Wenn man diese nämlich nachrechnet, stellt man fest, dass R18 nicht
100kΩ, sondern 100,05kΩ sein sollte, da sonst das Abfließen eines
kleinen Teils des Ausgangsstroms über R5 nicht kompensiert wird.

Wie man sieht, haben die beiden Schaltungen vieles gemeinsam. Der Unter-
schied besteht im Wesntlichen darin, dass durch eine andere Anordnung
gleicher Bauteile die Verstärkung im Gegenkopplungszweig von 10 auf 0,91
reduziert wird, was das Schwingen verhindert, ohne die Bandbreite zu
reduzieren.

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