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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Funkschau Labornetzteil simulieren


Autor: Egon Spengler (Gast)
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Hi,

ich versuche gerade das Funkschau 12/73 Labornetzteil zu verstehen 
(Artikel ist hier: 
http://www.mikrocontroller.net/attachment/51151/La...) 
und zu simulieren. Meine Schaltung ist im Anhang. Ich habe mich an Bild 
2 auf der ersten Seite orientiert. Leider haperts irgendwie gewaltig. 
Erstmal liefert der Spannungsteiler R1/R2 eine unsinnige Spannung. 
Dadurch kommt auch nix am Ausgang raus. Eigentlich ist ja auch klar 
warum: V3 hat gar keinen Bezugspunkt zum Rest der Schaltung ... der 
Strom zwischen V3 und dem Rest der Schaltung muesste ueber Q1 fliessen. 
Im Schaltplan aus der Funkschau ist das aber auch so.

Hab ich da irgendwas falsch verstanden? Die Schaltung muesste doch vom 
Prinzip her stimmen. Oder geht das nur in LTspice nicht weil irgendwas 
nicht simuliert wird? Kann mir jemand auf die Spruenge helfen?

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Ich sage da mal:

1.) inv. und non-inv Eingänge des OPVv sind vertauscht für U regelung,


2.) der Spannungsteiler 9k/1k ist falsch (Du würdest so 120V 
Ausgangsspannung erreichen müssen, was bei 50V Rohspannung nicht machbar 
ist).
tip: 9k/9k für den Anfang nehmen.

> ich habe mich an Bild
> 2 auf der ersten Seite orientiert.

ich auch .-)

Autor: Egon Spengler (Gast)
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Hey Andrew (if that is your real name), thanks for the hint.

Verdammte Scheisse. In Bild 2 ist der nichtinvertierende Eingang an Vout 
und der invertierende am Spannungsteiler, was komplett Falsch ist.

Ausserdem hat der Depp, der die +/- Zeichen in Bild 4 reingekritzelt hat 
das auch nicht geblickt. Wenn man mal im Datenblatt des 741 nachschaut, 
dann sieht man, dass Pin 5 der NICHTINVERTIERENDE und Pin 4 der 
INVERTIERENDE Eingang ist.

OK. Jetzt kommt auch was raus. Ein schoener Saegezahn. Ein 
Nichtinvertierender Verstaerker als Regelverstaerker ist eine 
beschissene Topologie, das wird nie stabil. Grummel ...

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Egon Spengler schrieb:
> OK. Jetzt kommt auch was raus. Ein schoener Saegezahn. Ein
> Nichtinvertierender Verstaerker als Regelverstaerker ist eine
> beschissene Topologie, das wird nie stabil. Grummel ...

Da ich ca. 80 solcher Netzteile selber gebaut und als Stabil gesehen 
habe:

ES WIRD


Deine Simulation enthält ja auch nicht die fehlenden Bauteile auf den 
Folgeseiten des FS-Beitrages.

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Da die Ausgangstransistoren (auch wenn es auf den ersten Blick nicht so
aussieht) in Emitterschaltung betrieben werden, ist die Schleifenver-
stärkung der Regelung ohne besondere Vorkehrungen höher als durch die
interne Frequenzkompensation des Opamps vorgesehen und zudem lastabhän-
gig. Deswegen schwingt deine vereinfachte Schaltung.

Wichtig für die Stabilität des Netzgeräts sind C6, C8 und R27. Sie
müssen passend zu den Eigenschaften des Opamps dimensioniert werden. Das
ist nicht ganz einfach, da die Staibiltät der Regelung  z.T. auch von
der angeschlossenen Last abhängt.

Wenn du also mit überschaubarem Aufwand ein Netzgerät bauen möchtest,
das frei von bösen Überaschungen ist, ist es wahrscheinlich am besten,
du übernimmst die Funkschau-Schaltung ohne Änderungen, also insbesondere
auch mit den gleichen Opamps. Ich habe mit diesem Netzgerät allerdings
keine Erfahrung ud kann deswegen nicht sagen, ob sein Regelverhalten in
allen Lebenslagen (Änderungen der Versorgungsspannung, Lastsprünge,
kapazitive und induktive Lasten usw.) in Ordnung ist. Zumindest Andrew
scheint ja begeistert von dem Teil zu sein :)

Oder du entscheidest dich doch lieber für eine Schaltung mit Spannungs-
folger am Ausgang, die prinzipbedingt wesentlich gutmütiger ist.

Die angesprochenen Probleme sind übrigens im Wesentlichen die gleichen
wie beim intergrierten LDO-Spannungsregler, dessen Ausgangstransistor
ebenfalls in Emitterschaltung betrieben wird. Im Gegensatz dazu ist beim
normalen Längsregler der Ausgangstransistor als Spannungfolger geschal-
tet und und bringt dadurch keine zusätzliche Verstärkung mit sich.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Yalu X. schrieb:
> Im Gegensatz dazu ist beim
> normalen Längsregler der Ausgangstransistor als Spannungfolger geschal-
> tet und und bringt dadurch keine zusätzliche Verstärkung mit sich.

Obacht: Genau so ist es aber beim FS12/73 auch geschaltet,  8-)

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Yalu X. schrieb:
> Zumindest Andrew
> scheint ja begeistert von dem Teil zu sein :)

Du vergißt dabei, das es einige hunderttausend HP- und Gossen-Konstanter 
ebenfalls sind.
Denn wenn man mal die Originalschaltpläne dieser Geräte mit dem FS12/73 
vergleicht: Das ist schon sehr "dicht" an die Industriekonzepte 
angelehnt.


Der wirklich bestehcende vorteil der FS12/3 ist IMHO die universelle 
Verwendbarkeit, die hohe Nachbausicherheit und die wirklich 
sprichwörtliche Gutmütigkeit der Schaltung.
Man muß sich schon extrem dämlich anstellen, die Schaltung nicht 
störungsfrei zum Laufen zu Bringen.

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Andrew Taylor schrieb:
>> Im Gegensatz dazu ist beim
>> normalen Längsregler der Ausgangstransistor als Spannungsfolger geschal-
>> tet und und bringt dadurch keine zusätzliche Verstärkung mit sich.
>
> Obacht: Genau so ist es aber beim FS12/73 auch geschaltet,  8-)

Nein, das sieht nur auf den ersten Blick so aus (habe ich oben schon
geschrieben, da ich mich erst ebenfalls täuschen lassen habe). Aber
dadurch, dass die Regelschaltung am positiven und nicht am negativen
Netzgerätausgang "aufgehängt" ist, ändern sich die Verhältnisse
komplett.

Der positive Ausgang stellt das gemeinsame Bezugspotential dar. Der
Emitter des Ausgangsdarlingtons liegt (über das Amperemeter verbunden)
auf diesem Bezugspotential. Geregelt wird die Spannung am negativen
Ausgang, der über die Versorgungsspannungsquelle (Trafo und Gleichrich-
ter) mit dem Kollektor des Darlingtons verbunden ist. Damit ist in
Wirklichkeit der Kollektor der Ausgang des Transistorverstärkers, die
Basis der Eingang und der Emitter der gemeinsame Berührpunkt von
Eingangs- und Ausgangskreis, was ganz klar einer Emitterschaltung
entspricht.

Die Verstärkung der Transistorschaltung ist bei Vernachlässigung des
Innenwiderstands des Amperemeters

  At = S · Rl

  S  = Steilheit des Darlingtons
  Rl = Gesamtlastwiderstand (Parallelschaltung aus externem
       Lastwiderstand und Gegenkopplungsspannunsgteiler)

Sie kann also bei entsprechend großem Rl deutlich größer als 1 werden,
was bei einer Kollektorschaltung nicht möglich ist.

Zur Schleifenverstärkung As kommt noch die Differenzverstärkung Ad des
Opamps hinzu, so dass

  As = Ad · S · Rl

Da die Steilheit der Transistoren stark streut, wäre die Schleifenver-
stärkung unkontrollierbar hoch, wenn da nicht noch das Amperemeter mit
seinem Innenwiderstand wäre, der als Emitterwiderstand eine Stromgegen-
kopplung bewirkt, so dass man in der obigen Formel das ungenaue S durch
ein genaueres 1/Ri ersetzen kann.

Dass dieser Widerstand wichtig ist, erkennt man u.a. auch daran, dass im
Schaltplan als Alternative zum Amperemeter "oder R27" angegeben ist.
Weglassen sollte man den Emitterwiderstand also keinesfalls, was eben-
falls für die Emitterschaltung spricht, da beim Spannungsfolger dieser
Widerstand keinen Sinn ergeben würde.

> Du vergißt dabei, das es einige hunderttausend HP- und Gossen-Konstanter
> ebenfalls sind.

Ich bezweifle nicht, dass die HP- und Gossen-Geräte von guter Qualität
sind. Wenn aber der Funkschau-Autor schreibt, er habe lediglich die
Grundidee von HP übernommen, ist das für mich keine Garantie, dass seine
Entwicklung ebenso gut funktioniert wie die von HP :)

> Der wirklich bestehcende vorteil der FS12/3 ist IMHO die universelle
> Verwendbarkeit, die hohe Nachbausicherheit und die wirklich
> sprichwörtliche Gutmütigkeit der Schaltung.

Das mit der Gutmütigkeit ist so eine Sache: Wenn man die Schaltung un-
verändert nachbaut, glaube ich schon, dass sie funktioniert. Sobald man
aber Bauteile ändert oder gar versucht, die Schaltung zu vereinfachen,
hält man recht schnell einen Oszillator in Händen. Egon ist es genau so
ergangen, als er versuchte, die Schaltung auf ihre wesentlichen Kompo-
nenten zu reduzieren.

Macht man entsprechende Vereinfachungen bei einem Spannunsgregler mit
Emitterfolgerausgang (einschließlich dem Weglassen jeglicher Komponenten
zur Frequenzkompensation), wird der Regler bei Laständerungen zwar hef-
tig klingeln, aber mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit keine ungedämpften
Schwingungen erzeugen, wie sie bei Egon aufgetreten sind.

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