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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Konstantstromsenke mit TLV431 - Regelschwingen


Autor: Bushracer (Gast)
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Hallo liebe Elektronikfachleute,

mich beschäftigt momentan folgendes Problem:
Ich benötige eine Konstantstromsenke (KSS) für ca. 800mA.
Die Schaltung soll relativ genau arbeiten und über einen großen 
Temperaturbereich funktionieren. Ich habe deshalb auf einen 
temperaturkompensierten TLV431 als Referenz zurückgegriffen und die 
abgebildete Schaltung aufgebaut.

Hier eine etwas genauere Erklärung:
- Die KSS wird aktiviert über den Transistor T8. Dieser zieht die Basis 
von T4 auf Masse und das Potential an R35 und R46 steigt damit auf VCC 
(ca. +20V).
- Die Zenerdiode DZ5 dient lediglich dazu den TLV431 zu schützen, denn 
dieser verträgt lediglich 7V Differenzspannung zwischen Anode und 
Katode.
- Der Kondensator C10=100nF soll das Einschalten der KSS etwas 
verlangsamen und auch die Regelung stabiler machen.
- Mit dem Transistor T11 kann man den Strom der KSS nahezu verdoppeln, 
indem die Spannung am REF-Anschluss des TLV431 halbiert wird. An den 
Sense-Widerständen müssen demnach ca. 2,50V abfallen bis der TLV431 
reagiert, anstatt 1,25V (--> I steigt auf ca. 1,60A).

Laut Simulation in LTSpice funktioniert die Schaltung ohne Probleme. --> 
In der Praxis ist dies aber leider nicht der Fall!
Ich habe die Schaltung gelayoutet und eine Prototypenplatine anfertigen 
lassen. Nach der Bestückung habe ich einige Tests durchgeführt, leider 
mit katastrophalem Ergebnis.

Problem:
Es kommt zu heftigen Schwingungen des Ausgangsstroms! Der Ausgangsstrom 
sollte eigentlich ca. 800mA betragen, jedoch schwingt dieser in der 
Realität zwischen ca. 300mA und 1,3A mit einer Frequenz von ca. 50MHz!!!
Es liegt mit Sicherheit kein Bestückungsfehler vor, ... denn ich habe 
alles mehrfach kontrolliert und auch mehrfach aufgebaut. --> Es zeigt 
sich immer das gleiche Verhalten.

Fragen:
- Was haltet Ihr im Allgemeinen von dieser Schaltungsidee für eine 
derartige KSS. Ist in der Praxis mit Problemen zu rechnen?
- Könnt Ihr mir erklären wieso es zu diesem Regelschwingen kommt und was 
man am sinnvollsten dagegen machen kann? --> Eine logische Erklärung mit 
einer strukturierten Vorgehensweise zur Problemlösung wäre für mich 
wirklich !sehr sehr! interessant.
Beispiel: TLV431 schneller machen (wie?), MOSFET verlangsamen (wie?), 
weil (Begründung) ...

Mögliche Lösungsansätze:
Heute habe ich bereits mehrere kleine Modifikationen und Optimierungen 
an der Schaltung durchgeführt und es ist mir dabei auch gelungen die KSS 
zu stabilisieren (keine Schwingungen mehr).
Diese !zwei! gefundenen Lösungsansätze sind mehr oder weniger durch 
herumprobieren entstanden und daher sehr fragwürdig. Ich kann das 
Verhalten nicht nachvollziehen und habe daher auch kein Vertrauen dazu.
--> Es ist wirklich extrem wichtig, dass diese Schaltung in der Praxis 
zuverlässig und störungsfrei funktioniert (ohne Regelschwingen) und dies 
auch unter Berücksichtigung der möglichen Bauelementtoleranzen, 
Temperatureinflüsse, ...
Ansatz 1: Das Weglassen von C10 bzw. die Reduzierung von C10 auf unter 
20nF beendet das Regelschwingen.
Ansatz 2: R37 auf 0Ohm reduzieren in Kombination mit einem 100nF 
Kondensator zwischen Gate und Source des MOSFET (einzeln bewirken diese 
Maßnahmen nichts, nur in dieser Kombination). --> Leider wird durch die 
Reduzierung von R37 auf 0OHM die oben beschriebene Funktionalität der 
Stromverdopplung über T11 unmöglich (wäre sehr schade)!

Ich bitte euch um ausführliche und kompetente Antworten (bitte keine 
vagen Vermutungen äußern). Vielen Dank im Voraus

Mit freundlichen Grüßen
Bushracer

Autor: Jens G. (jensig)
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Also wenn Du es wirklich nur so aufgebaut hast, wie im Bild, dann sind 
Schwingungen fast unvermeidlich. Es fehlen nämlich die Abblock-C's in 
der Betriebsspannung.

Zweitens wundert mich überhaupt, daß die Schaltung so einigermaßen Strom 
liefern kann. Denn Source ist ja durch die Sensewiderstände auf 2,5V 
eingestellt, dann kommen noch so 2,5-4V Ugs dazu (Pi*Daumen - je nach 
Mosfetexemplar und Typ)Du brauchst also eigentlich zw. 5 und 6,5V 
Gatespannung (gegenüber Masse), was mit der Z-Diode nicht mehr so recht 
gewähleistet ist.
Und sollte es wirklich stimmen, daß der TLV431 nur 7V verträgt? 
Zumindest der TL431, von dem ich hier das DB habe, verträgt 36V.

Autor: Ingo (Gast)
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Ich glaube, das Ansatz 1 in die Richtige Richtung weist, Die Referenz U5 
hat eine recht hohe Spannungsverstärkung, um diese zu zügeln 
(Frequenzkombination) ist es eigentlich üblich, eine Reihenschaltung 
eines Widerstandes in der Größenordnung von R37 und eines Kondensators 
im einstelligen nF-Bereich von der Kathode der Referenz (oberes Ende) 
zum Fühlereingang zu schalten. Dadurch wirkt die Referenz integrierend 
(wie sicher mit C10 beabsichtigt -> PI-Regler), ohne jedoch gegen diesen 
Kondensator "kämpfen" zu müssen. Der beabsichtigte "Sanftanlauf" wird 
dadurch übrigens auch erreicht.
Viel Erfolg!

Autor: Anja (Gast)
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Jens G. schrieb:
> - Der Kondensator C10=100nF soll das Einschalten der KSS etwas
> verlangsamen und auch die Regelung stabiler machen

Der ist wahrscheinlich die Ursache du mußt den Regler (TLV431) langsamer 
machen nicht die Regelstrecke.

Gruß Anja

Autor: Jens G. (jensig)
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@ Anja

>Jens G. schrieb:
>> - Der Kondensator C10=100nF soll das Einschalten der KSS etwas
>> verlangsamen und auch die Regelung stabiler machen

ich bin unschuldig - das war ich nicht ... ;-)

Autor: Jens G. (jensig)
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Gerade das DB des TLV431 angeschaut. Der verträgt ja wirklich nur ein 
paar Volt.
Im DB von TI gibt's aber auch schöne Diagramme, STABILITY BOUNDARY 
CONDITION genannt. Da kannste genau entnehmen, daß C=100nF und k=1 (also 
Vka=Vref) geradezu die ungünstigste Kombination ergibt. Den C also ganz 
weglassen (zumindest unter 10n), oder aber ganz groß machen (>1µ). Ganz 
weglassen sollte ok sein, solange der Mosfet keine zu große 
Gatekapazitäten mit etlichen nF aufweist.

Autor: MaWin (Gast)
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Suche "TL431 compensation" nach einer für dich guten Erklärung

http://powerelectronics.com/mag/Kollman%20and%20Be...

http://www.edn.com/contents/images/6255051.pdf

http://www.powersystemsdesign.com/design_tips_june07.pdf

Du siehst dort Kondensatoren zwischen ADJ und A am TL431 und 
Phasendiagramme.

Deine Schaltung hat dasselbe Problem weil der MOSFET mit seiner 
Gate-Kapazitt (und dem extrem ungeschickten C10, entfern den) noch 
bremst. Also muss der TLV431 langeamer gemacht werden. Aber das macht 
man nicht, im dem man ihm noch mehr Gewicht ans Bein bindet, sondern 
indem man seinen Ausgang auf seinen Eingang rückwirken lässt, "ach, so 
schnell kommt die Reaktion".

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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Bushracer schrieb:

> Beispiel: TLV431 schneller machen (wie?),

ist vermutlich nicht nötig

> MOSFET verlangsamen (wie?),

durch das einfügen eines Gate-Dämpfungswiderstandes in Serie zur 
Gateleitung

> weil (Begründung) ...

Gerade bei Analoganwendungen ist das Weglassen des Gatewiderstandes 
streng verboten und wird heftigen Schwingungen nicht unter 20 MHz 
bestraft.

Jörg

Autor: AkkiSan (Gast)
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MaWin schrieb:
>
> *SNIP*
>
> Deine Schaltung hat dasselbe Problem weil der MOSFET mit seiner
> Gate-Kapazitt (und dem extrem ungeschickten C10, entfern den) noch
> bremst. Also muss der TLV431 langeamer gemacht werden. Aber das macht
> man nicht, im dem man ihm noch mehr Gewicht ans Bein bindet, sondern
> indem man seinen Ausgang auf seinen Eingang rückwirken lässt, "ach, so
> schnell kommt die Reaktion".

Genau so ist es. Viel besser kann man es umgangssprachlich nicht
formulieren!
Ebenso bei C10, den Nagel auf den Kopf getroffen ;)

Hier ist die klassische Bandbegrenzung angesagt...

Autor: Bushracer (Gast)
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Hallo Jens,

erstmal vielen Dank für deine Antwort!

Zur Eingangskapazität:
Die Gesamtschaltung besteht aus erheblich mehr Bauelementen (Mess- und 
Steuerkreis habe ich nicht dargestellt). Ich habe versucht nur die 
relevanten Teile darzustellen und dabei leider die Eingangskapazitäten 
vergessen.
Da ich aus Lebensdauergründen, sowie aufgrund der niedrigen Bauhöhe und 
hoher auftretender Umgebungstemperaturen keine Elkos verwenden möchte 
habe ich auch hier ausschließlich Keramikkondensatoren verwendet.
Allerdinsg war ich recht spaarsam und habe ledgilich 2 X 2,2uF / X7R 
Keramik-Kondensatoren vorgesehen.
Während meiner Tests zeigte sich keinerlei Unterschied zwischen der 
Schatung mit und ohne Eingangs-Stützkondensatoren. In der Praxis wollte 
ich eigentlich auf die Bestückung von nur einem der beiden 2,2uF 
Kondensatoren hinaus.
--> Ich gehe mal davon aus, dass du die Höhe der Kapazitätswerte für 
viel zu niedrig hällst. Wieviel uF bzw. mF würdest du empfehlen? Sind 
die Kondensatoren zwingen nötig um die Schaltung zu stabilisieren? Falls 
nicht: Welche Nachteile könnten sonst entstehen, wenn ich die 
Eingangskapazitäten weglasse bzw. sehr klein wähle?

Zu DZ und TLV431:
Habe nochmal nachgelesen: Leider stimmt es: Der TLV431 verträgt nur 7V 
zwischen Katode und Anode (sehr schade). Aber vielen Dank für den 
Hinweis mit der Zenerdiode.
Der MOSFET ist ein Logik-Level-MOSFET und arbeitet daher bereits bei 
sehr niedrigen Gate-Source-Spannungen. Ich habe die Spannung zwischen 
Gate und GND gemessen. --> Sie stieg im Betrieb (800mA Normalbetrieb) 
nicht über ca. 4,5V. Für den Normalbetrieb stört die Zenerdiode deshalb 
nicht. Bei einer Verdopplung der Stromstärke über T11 wird es jedoch 
knapp!
--> Ich werde die Zenerdiode gegen eine 6V8 austauschen! Danke für den 
Hinweis :-).

Viele Grüße
Bushracer

Autor: Bushracer (Gast)
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Hallo Ingo,

danke für deine Antwort!

Ich habe den Punkt "Frequenzkompensation" bei Wikipedia mal nachgelesen. 
Dort steht:

"Kompensation:
Die übliche Maßnahme ist ein kleiner Kondensator von wenigen PicoFarad 
zwischen Kollektor und Basis eines Transistors in Emitterschaltung, der 
wegen des Miller-Effektes die Verstärkung mit steigender Frequenz 
reduziert."

Du schreibst "im einstelligen Nanofarad-Bereich". Bei Wikipedia steht 
"wenige PicoFarad". Kannst du mir einen konkreten Wert empfehlen, den 
ich bei meinen nächsten Tests verwenden sollte?

Viele Grüße
Bushracer

Autor: Bushracer (Gast)
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Wirklich ein sehr interessantes Diagramm!
Mit den C=100nF habe ich ja wirklich total in die ... gegriffen ;-).
Werde den Kondensator also weglassen.

Autor: Bushracer (Gast)
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Hallo MaWin und AkkiSan,

danke für eure Beiträge!
Was Ihr schreibt hört sich sehr interessant an: Stichwort Bandbegrenzung 
und Rückwirkung von Ausgang auf Eingang, ...

Leider verstehe ich es nicht (liegt an mir :-(). Was meint Ihr konkret? 
Welche konkreten Maßnahmen leiten sich daraus ab?

Stimmt Ihr mit den anderen überein? Also mit den folgenden Maßnahmen, 
oder kommen noch weitere Maßnahmen hinzu?
- C10 weglassen --> klar, habe ich begriffen!
- R37 auf 10kOhm lassen
- Einen Kondensator zwischen Ref und Kathode einfügen (wenige nF)

------------------------------------------------------------

Was haltet Ihr von Jörgs Vorschlag mit dem Gatewiderstand um den MOSFET 
zu verlangsamen? Ist das zielführend oder verschlimmert es die Situation 
nur weiter? Wird die Regelung durch diese Verlangsamung / Dämpfung 
stabiler?

Viele Grüße
Bushracer

Autor: MaWin (Gast)
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> Leider verstehe ich es nicht (liegt an mir :-(). Was meint Ihr konkret?

Daß du die verlinken Beiträge liest, da wird auf 3 verschiedene Arten 
erklärt, was vor sich geht.

Ich hab nicht die Lust, das extra für dich hier zum vierten Mal 
hinzuschreiben, bloss weil dir das Lesen zu viel Mühe ist.

Autor: AkkiSan (Gast)
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Bushracer schrieb:
> Was haltet Ihr von Jörgs Vorschlag mit dem Gatewiderstand um den MOSFET
> zu verlangsamen? Ist das zielführend oder verschlimmert es die Situation
> nur weiter? Wird die Regelung durch diese Verlangsamung / Dämpfung
> stabiler?

Langwierig - das Ganze rein textbasiert hier hineinzunageln ;)
Suche einfach mal nach

  "driving capacitive loads"

da wirst Du eine Fülle von Informationen finden.
Denn genau das ist Dein Problem:
Eine Phasendrehung zwischen Aus- (K) und Eingang (Ref).

Autor: Ingo (Gast)
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Ich würde mit 1 nF beginnen, das bringe etwa das gleiche Zeitverhalten 
was du mit C10=100 nF beabsichtigt hast. Der Widerstand, wie gesagt in 
Größenordung des Teilerwiderstandes vor dem Eingang, dann hast Du einen 
PI-Regler, oder nur den Kondensator, dann wirkt der TL431 wie ein 
Integrator. Der TL431 wird gern in kommerziellen Schaltnetzteilen auf 
der Sekundärseite als Spannungsfühler eingesetzt, und treibt dann einen 
Optokoppler. Die Frequenzkompensation wird dann auch immer so gemacht 
(R/C oder nur C 1..10 nF)
Grüsse

Autor: Kai Klaas (Gast)
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Ich habe das Ganze jetzt auch mal simuliert. Allerdings mit einem IRFZ44 
und einem TL431. Ich habe keinerlei Schwingneigung festgestellt, bis ich 
den Shunt-Widerständen eine Induktivität gegeben habe!!

R47...49 sollten also besser "induktivitätsfrei" sein und der ganze 
Aufbau darf dort keine relevanten Leitungslängen haben!! Außerdem könnte 
man vor die Basis einen kleinen Widerstand von ein paar 100R setzen. Das 
ist ja nicht unüblich bei FETs.

Ich würde C10 lassen, aber zwischen ihm und dem TLV431 noch einen 
Widerstand schalten.

Kai Klaas

Autor: Jens G. (jensig)
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@Kai Klaas
>Aufbau darf dort keine relevanten Leitungslängen haben!! Außerdem könnte
>man vor die Basis einen kleinen Widerstand von ein paar 100R setzen. Das
>ist ja nicht unüblich bei FETs.

Doch - eine Basis ist relativ unübllich bei FETs ;-)

@ Bushracer

Also Weglassen kannst Du Abblock-C's nicht, weil man ja etliche cm/dm 
Leitungslänge vom Netzteil (wo ein größerer C sicherlich drin ist) bis 
zur Schaltung hat, und damit Induktivität. Und das kann danns chon ein 
schönes schwingungsfähiges Gebilde ergeben.
Was dann noch dazu kommt: Die ganze Leitungsführung. Masse sollte 
wirklich möglichst niederohmig ausgeführt werden, und ein der Abblock-C 
direkt an der Schaltungvon + nach - gezogen werden.
Signal- und Lastmasse (ebenso auch für die + Leitung) sollten nicht 
ungebuffert gemeinsam geführt werden.
Hast Du also z.B. zw. Masseanschluß des unteren Shunt-R, und dem 
Masseanschluß des TLV431 ein Stück Leitung, und über dieses Stückchen 
fließt auch der Laststrom, dann ist das schon mal sehr schlecht. Gilt 
auch für die Plusleitung.

Autor: Kai Klaas (Gast)
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>Doch - eine Basis ist relativ unübllich bei FETs ;-)

Oops! Liegt wohl am Fieber...

Autor: Helmut S. (helmuts)
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Hier mal deine Schaltung für Ltspice.
Die schwingt mit deinem 100nF Kondensator.
Mach den raus und füge Cf ein. Siehe Schaltbild.
Hab mal mit Cf=0 100p 1n simuliert.

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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Die Diskussion um Regelschwingungen ist müßig. Schwingungen in der 
Größenordnung von 50 MHz können in so einer Schaltung nur direkt vom 
MOSFET kommen. Der Rest der Schaltung ist dafür viel zu träge. Solche 
Schwingungen werden durch Einfügen eines Gate-Dämpfungswiderstandes 
zuverlässig unterdrückt und treten ohne diesen ebenso zuverlässig auf.

Jörg

Autor: Bushracer (Gast)
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Hallo Leute,

gestern konnte ich einige Tests an der Schaltung durchführen.

Ergebnis:
--> Jörg hat absolut Recht! Bereits der Einbau eines 
Gate-Dämpfungswiderstandes von nur 1 Ohm reichte aus um die Schwingungen 
vollständig zu verhindern (ohne jegliche weitere Modifikation)!

Obwohl der Einbau eines Gate-Widerstandes während des Tests ausreichte 
habe ich die Schaltung folgendermaßen modifiziert:
- C10 entfernt
- C=10nF zwischen Ref und Kathode des TLV431 eingefügt
- Gatewiderstand von R=100Ohm eingefügt
- DZ5 mit Uz=6,8V gewählt

--> Die Schaltung funktioniert nun problemlos :-).

Auch vielen Dank an Kai und Helmut für die Arbeit die Ihr euch gemacht 
habt und an alle anderen für die guten Ratschläge!

Viele Grüße
Bushracer

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