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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Nichtinventierender Regler -> Sättigung verhindern


Autor: T. C. (tripplex)
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Hallo,

Wie kann man einen Operationsverstärker so beschalten das
dieser nicht in der Negative Begrenzung fährt und die Ausgangsstufe
nicht Sättigt?

Da der Stromregler-Begrenzungsregler bei Inaktivität als ein
Komparator arbeitet schlägt dieser mit seinen Ausgang bis an
das Negative Betriebsspannungende wodurch dieser wenn er Anfangen
soll zu arbeitet erst eine Zeit braucht bis dieser aus der Sättigung
kommt. Ich habe im Datenblatt des OPA131 keine Zeitangaben
gefunden wie lange diese Zeit beträgt, genauso wie große 
Internetrecherchen
unter Begriffe wie "prevent saturation of a op amp" "clamped ampliefier"
oder "sättigung opamp verhindern" haben nichts großartiges ergeben -
und wenn ich was gefunden habe handelte es sich um Applikationen
im reinen Komparator Betrieb.

Hat jemand von euch eine Idee wie man das realisieren könnte?

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Das ist ein PI Regler. Natuerlich geht der in den Anschlag wenn er 
integriert.

Autor: T. C. (tripplex)
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Es muss doch möglich sein durch eine äußere Beschaltung diesen Negativen
Anschlag zu verhindern und die Ausgangstufe des Operationsverstärkers
in einen vernüftigen Arbeitspunkt stehenbleibt.

Es gibt auch Operationsverstärker die Anschlüsse haben wo man
die maximale Ausgangspannung innerhalb der Betriebsspannung
einstellen kann ( OPA698 ) - sowas suche ich quasi nur als externe 
beschaltung.
Diese Begrenzung brauch ich nur für den Negativen Spannungsbereich.

Autor: Thomas S. (tsalzer)
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Ja, macht man durch äußere Beschaltung,z-B. durch antiserielle (in 
Deinem Fall nur eine) Z-Dioden, die die Ausgangsspannung begrenzen.

Wenn das "Nicht Rail to Rail" - Typen sind, mußt Du dich halt noch 
weiter beschränken.

guude
ts

Nachtrag: Über der ganzen Rückkopplung natürlich.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Was ist ein vernuenftiger Arbeitspunkt? Das Teil spult eine 
Differentialgleichung ab. Und wenn eben nichts gescheites geschieht geht 
der Ausgang eben an die Wand. Die Erholzeit kommt von der 
Differenzspannung, die dann zwischen + & - Eingang ansteht. Man kann 
diese limitieren durch 2 parallel Dioden. zwischen + & - Eingang.

Autor: spacedog (Gast)
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"anti windup" heisst das zauberwort.

Autor: Thomas S. (tsalzer)
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@ Nebliger Pfad (Firma: vorgestern) (hacky)

> Man kann
>diese limitieren durch 2 parallel Dioden. zwischen + & - Eingang.

Ein Integrierer wird immer, wenn er nicht Teil einer closed Loop ist 
(und dann auch unter Umständen) in irgendeine Grenzlage laufen, es sei 
denn man dreht die Richtung rechtzeitig um.

Da das nicht immer geht, muß man vorsorgen, und die Ausgangsspannung 
begrenzen. Wie man das macht habe ich oben beschrieben.


guude
ts

p.s. und parallele Dioden wäre auch sinnlos.

Autor: yalu (Gast)
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Thomas S. schrieb:
> Ja, macht man durch äußere Beschaltung,z-B. durch antiserielle (in
> Deinem Fall nur eine) Z-Dioden, die die Ausgangsspannung begrenzen.

Wobei zu beachten ist, dass damit die Begrenzung nicht absolut, sondern
relativ zur Spannung am nicht invertierenden Eingang (in diesem Fall ist
das der Istwert) arbeitet. Das ist kein Problem, wenn der Istwert im
inaktiven Zustand 0 ist. Sonst muss man eine Z-Diode mit entsprechend
geringerer Sperrspannung nehmen, was aber leider den Ausgangsspannungs-
bereich des Reglers weiter einschränkt.

Autor: MaWin (Gast)
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> Wie kann man einen Operationsverstärker so beschalten das
> dieser nicht in der Negative Begrenzung fährt und die Ausgangsstufe
> nicht Sättigt?

In dem eine Z-Diode vom Ausgang so auf einen Eingang rückkoppelt, dass 
vor Erreichen der Sättigung eben der Eingang in Gegenrichtung weggezogen 
wird.

Man kann auch einen Transistor mit der Basis an eine per Spannungsteiler 
gewonnenen 'Referenz'spannung leben, den Emitter an den OpAmp Ausgang, 
so dass er vor Erreichen der Sättigung zu leiten anfängt und Strom in 
den passenden Eingang lässt (bei nicht mehr als 6V).

Autor: T. C. (tripplex)
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Die Eingangswerte gehen von 0 - 4096mV , die Versorgung des
OP's ist +-12V.

@Yalu:
Da das mit der Z-Diode relativ zur Spannung ist heißt das dass
die Begrenzungspannung also schwangt.
Wenn ich einen Sollwert von 5V habe und eine 5V Z-Diode hätte,
würde der Eingang auf 0V begrenzt werden da die Z-Diode
bei 5V anfängt zu leiten und den Sollwert runterzieht, und somit
die Ausgangspannung steigt bis die Z-Diode wieder speert und somit
der Ausgang wieder in der Knie ist - und wieder anfängt zu leiten.
Bei einen Sollwert von 0V hätte ich demnach also eine Begrenzung
bei -5V.

Hab ich das vom Prinzip her richtig verstanden und ist das Schaltbild so 
richtig?


@MaWin:
Warum darf man das bei nicht mehr als 6V verwenden?

Für die Transistorschaltung hab ich auch ein Schaltbild angehangen.
Ist das so richtig?
Ich habe das so verstanden das ich eine Referenzspannung nehme
zum Beispiel -5V. Da der PNP Transistor bei -5.6V anfängt zu leiten,
wird sich wie bei der Z-Dioden begrenzung ein fester Spannungwert
von ungefähr -5.6V einpendeln da der PNP Transistor von
den Ausgang Strom in den Eingang koppelt.

Das Prinzip wäre ja das gleiche, wenn ich das mit der Z-Diode verstanden
habe, sollte ich die Transistorbegrenzung auch verstanden haben.


Wenn ich mit beiden falsch liege wäre ich ganz Dankbar wenn mich da 
jemand
aufklären könnte. Vielen lieben Dank =)


Edit:
Mir fällt grad auf das ich nach Yalus Erklärung die Eingänge vertauscht
habe - wo habe ich meinen Denkfehler?

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Pascal L. schrieb:
> @MaWin:
>
> Warum darf man das bei nicht mehr als 6V verwenden?


Wegen der max. zulässigen Sperrspannung der BE Diode der meisten 
Transistoren.

Autor: T. C. (tripplex)
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Achso, das heißt das der Transistor also Invers Betrieben wird
und der PNP Transistor auch falsch ist.

Autor: yalu (Gast)
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Pascal L. schrieb:
> Hab ich das vom Prinzip her richtig verstanden und ist das Schaltbild so
> richtig?

Sowohl als auch.

> Für die Transistorschaltung hab ich auch ein Schaltbild angehangen.
> Ist das so richtig?

Ersetze den PNP durch einen NPN, dann stimmt's.

> Das Prinzip wäre ja das gleiche, wenn ich das mit der Z-Diode
> verstanden habe, sollte ich die Transistorbegrenzung auch verstanden
> haben.

Die Funktionsweise der beiden Schaltungen ist ähnlich. Der Unterschied
besteht hauptsächlich darin, dass die Transistorschaltung gegen einen
absoluten Wert (Spannung am Teiler minus 0,6V) begrenzt, was für dich
einen Vorteil darstellt.

Durch den Innenwiderstand des Spannungsteilers (R6||R6) setzt die
Begrenzung bei der Transistorschaltung weicher ein als bei der
Z-Dioden-Schaltung. Du kannst selber entscheiden, ob das ein Bug oder
ein Feature ist. Wenn es dich stört, kannst du den Innenwiderstand
verkleinern, indem du einen der beiden Widerstände durch eine Z-Diode
ersetzt.

Und wie Andrew und schon MaWin schrieben, sollte Ueb des Transistors 6V
nicht überschreiten. D.h. die maximale Ausgangsspannung des Reglers darf
maximal 6V größer sein als die minimale. Brauchst du mehr, kannst
zwischen Emitter und OpAmp-Ausgang noch eine 1N4148 schalten, um die
Spannungsfestigkeit zu erhöhen.

> Achso, das heißt das der Transistor also Invers Betrieben wird und der
> PNP Transistor auch falsch ist.

Inversbetrieb ist übrigens etwas anderes: Da wird die BC-Diode leitend,
und der Strom fließt von E nach C (beim NPN). Beides ist hier nicht der
Fall.

Autor: T. C. (tripplex)
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Vielen Dank für eure Hilfe habt mir echt geholfen mein Projekt
ein wenig weiter zu bringen =)

Ich habe gerade einen Testaufbau mit einen LM358
mit V+ =12V V- =0V mit einen BC547 und einer LL4148 gemacht.
Die Spannung am Ausgang wird auf SpannungBasis-Ube(BC547)-Uf(LL4148)
begrenzt. Da der Innenwiderstand an meinen Testpoti ziemlich groß
ist verschiebt sich der Arbeitspunkt des Transistors ein wenig.

Im Test mit Eingang-=12V und Eingang+=0V begrenzte der LM358 während
beim Tausch der Spannungen an den Ausgängen der LM358 fast komplett bis
an das Positive Betriebsspannungende Aussteuerte.
Das lag aber an den Innenwiderstand des Potis da dieser unter der 
kleinen
Belastung sich die Spannung erhöhte und somit noch begrenz hat weil sich
die "Limit"-Spannung an der Basis veränderte.
Somit hab ich nun auch verstanden was yalu mit der weichen und harten
begrenzung meinte.
Aufjedenfall funktioniert diese Begrenzung.

Was mein Problem ist das die Begrenzung die Quelle Belastet und somit
Spannung über 10k Widerstand am Eingang abfällt obwohl die Begrenzung 
gar
nicht aktiv ist was nicht so schön ist. Sind zwar nur 40µA aber über 10k
macht das einiges an Spannung.

Hat da jemand eine Idee?

Autor: yalu (Gast)
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Hallo Pascal,

Damit ich dich richtig verstehe und nicht aneinander vorbeireden, habe
ich noch ein paar Fragen:

> Da der Innenwiderstand an meinen Testpoti ziemlich groß ist verschiebt
> sich der Arbeitspunkt des Transistors ein wenig.

Was ist das Testpoti? Stellst du damit den Sollwert ein? Oder den
Istwert? Oder beides (aber dann müssten es ja zwei Potis sein)?

Ich nehme an, dass du an den Regler für die ersten Tests das zu regelnde
System (was immer das ist) nicht angeschlossen hast. Hast du den
Regelkreis über einen Dummy (irgendwelche Widerstände o.ä.) geschlossen,
oder gibst du zunächst bei offenem Regelkreis Ist- und Sollwert manuell
vor, um nur die Begrenzung zu testen (was IMHO am sinnvollsten wäre)?

Haben R6 und R103 tatsächlich 123Ω? Wie groß ist C101? 100F? ;-)

Bei welchem Spannungswert soll begrenzt werden, und wie hoch sind die
Versorgungsspannungen des OpAmps?

> Was mein Problem ist das die Begrenzung die Quelle Belastet und somit
> Spannung über 10k Widerstand am Eingang abfällt obwohl die Begrenzung
> gar nicht aktiv ist was nicht so schön ist. Sind zwar nur 40µA aber
> über 10k macht das einiges an Spannung.

Was meinst du mit "Quelle"? Die Spannungsquelle an der Basis des
Transistors, die Spannungsquelle am Sollwerteingang oder etwas anderes?

Autor: T. C. (tripplex)
Datum:
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Hey,

die Werte für den PI-Regler gibt es noch nicht weil ich diese
erst ermessen werde wenn das Gesamtsystem steht.
Die Zahlen die da dran stehen sind nur zufällig dran.
Deswegen ist auch nicht die Benennung aller Teile fertig
weil ich nur die Teile benannt habe von denen ich die größe
Wert,Art.. kenne ( der OPA131 werde ich wirklich nehmen)
Und die Spannungen der OP's werden +-12V sein und die Soll-Ist
Werte werden in einen Raum von 0 - 4.096V liegen - das habe
ich aber schon weiter oben geschrieben =)

Mein sogenannter "Test" war nur ein Test um die Begrenzung 
auszuprobieren
quasi nur um zu gucken ob so eine Spannungsbegrenzung wie ich sie mir
vorgestellt habe funktionieren kann.
Deswegen auch andere Spannungen und andere Operationsverstärker etc.
Wenn ich es nachvollzogen hab wie das Funktioniert kann ich es
auf etwas anderes, meinen eigentlichen Anwendungszweck übertragen.

---

Im Ersten Bild war mein Versuch ob di Begrenzung Funktioniert:
Dazu einfach eine Applikation als Komparator wo der Ausgang gegen 0V 
laufen
sollte. Die Spannung wurde aber Begrenzt genauso wie ich das wollte.
Das würde also Bedeuten wenn ich diese Zusatzbeschaltung in meiner
Regelung einsetzen würde, würde die Ausgangstufe nicht Sättigung und 
kann
niemals gegen das Negative Versorgungspannungende herankommen.
Wenn ich am Trimmer drehe bewegt sich auch die Begrenzungsspannung -
funktioniert also Prima.

Im Zweiten Bild ein "Nachbau" wie sie die Eingänge verhalten wenn die
Begrenzung nicht aktiv ist - und genau das ist mein Problem.
Obwohl die Begrenzung nicht einsetzt und der Ausgang gegen das obere
Betriebsspannungende ( was aber in der Finalen Regelung nicht passieren 
wird ) knallt fließt aber ein kleiner Speerstrom [Meine Vermutung ] über 
den Transistor und der Diode ab. Somit fällt auch ein wenig Spannung
an den Widerstand R1 ab.
Im gegenzug würde das Bedeuten das meine Regelung in der 
Finalenschaltung
den Sollwert verfälschen würde da dieser Speerstrom einen Spannungabfall 
verursachen würde.

Autor: yalu (Gast)
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Hallo Pascal,

Im zweiten Bild ist ein Fehler: Du hast einfach nur die Eingänge des
OpAmp vertauscht, dadurch ist aus der Gegenkopplung über den Transistor
eine Mitkopplung geworden. Ich nehme aber an, dass das im realen Aufbau
trotzdem richtig war.

> Obwohl die Begrenzung nicht einsetzt und der Ausgang gegen das obere
> Betriebsspannungende ( was aber in der Finalen Regelung nicht passieren
> wird ) knallt fließt aber ein kleiner Speerstrom [Meine Vermutung ] über
> den Transistor und der Diode ab.

[ot]
Ist der "Speerstrom" eigentlich ein Tippfehler, neue Rechtschreibung
oder ein Virus in diesem Forum, in dem ich diese Schreibweise in den
letzten Wochen auffällig oft gelesen habe. Früher hieß das "Sperrstrom",
aber vielleicht bin ich der Zeit etwas hinterher ;-)
[/ot]

Macht aber nix. Auf jeden Fall liegen die Sperrströme des Transistors
und der Diode bei Zimmertemperatur und bei diesen Spannungen höchstens
im zweistelligen nA-Bereich. Hast du mal überprüft, ob der Strom nicht
vielleicht nicht in den OpAmp-Eingang fließt? Der Eingangsstrom ist
normalerweise zwar auch viel niedriger, aber die Spannung liegt hier
außerhalb des offiziellen Eingangsspannungsbereichs, der bei VCC-1,7V
endet.

Irgendwie habe ich inzwischen sowieso kleinere Zweifel an dem ganzen
Konzept. Z.B. die Basisspannungsquelle: Hat sie einen deutlichen Innen-
widerstand, geht sie durch die Belastung durch den Basisstrom in die
Knie. Macht man die Quelle hingegen niederohmig, fließt u.U. ein zu
hoher Strom von der Quelle über Basis-Emitter und die Diode in den
OpAmp-Ausgang.

Ich habe aber gerade keinen Kopf, mir das im Detail zu überlegen und
gehe jetzt erst einmal in die Heia :)

Autor: T. C. (tripplex)
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Hallo,


OT
Ja ich habe letztemal Sperrstrom auch falsch geschrieben
da hat mich Falk berichtigt :D
Ich hab auch allgemein eine kleine Schreibschwäche wobei sich
das hier doch sehr in Grenzen hält ( versuch mich zu bemühen )
aber meine Deutsch-Englisch-Arbeiten sehen stellenweise
grottig aus.
/OT

Das ist ein guter Punkt was du gesagt hast mit dem Common Mode
Input Voltage. Im Datenblatt findet sich zu diesen Punkt
kein Sinnvolles Diagram und somit kann das sogar durchaus der fall sein.
(Habe auch nur die Spannung an den Widerstand gemessen und Strom 
ausgerechnet)





An den - Eingang ist ein 7805 mit einen 30k Widerstand und an den + 
Eingang
ist ein 100k Poti.
Der Transistor zieht die 5V über den 30k Widerstand so lange herunter
bis die 5V an den +Eingang überschritten werden und der Transistor 
anfängt
zu speeren. Der Speerstrom bzw dessen Spannungsabfall liegt gradmal
bei 0.5mV in meiner Schaltung sind die Quell-Anpassungswiderstände
nur 10k groß und der Spannungsabfall wird keine Rolle mehr Spielen.

Das wird auch der Grund sein das im LM358 kein vernüftiges Input Common 
Voltage vs. Input Current Diagram zu finden ist.
Da der LM358 ein Biopolar-OP ist wird der Strom halt am Eingang stark
zunehmen da die Eingangstufe Sättigt und einiges mehr an Strom brauch 
als
im nicht Sättigungszustand. Rein von der Überlegung könnte ich mir 
vorstellen das dies bei einen Fet-Amp nicht der Fall ist.

---
Im jetzigen Test hatte ich einen 7805 an der Basis des Transistors und 
ich konnte keine Problem Feststellen.
Weil wenn zu viel Strom fließt fließt gleichzeitig auch mehr 
Emitterstrom
welcher den -Eingangsspannung über den 30k runterzieht. Wenn diese dann
zu niedrig ist speert der Transistor und der Ausgang pendelt wieder hoch 
-
bis der Transistor wieder anfängt zu leiten.
Wobei der Gemessene Basisstrom von 10mA bei den kleinen BC547 ziemlich 
heftig.

Also sollte ich vorsorgen und den Transistor einen Basisvorwiderstand
spendieren.

---

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