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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannungsstabilisierung: +/- 40-45V auf +/- 30-40V Schaltung okay?


Autor: Matthias Larisch (matze88)
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Hallo zusammen!

Ich habe gerade mehr oder weniger auf die Schnelle eine 
Spannungsstabilisierung zusammengeklickt, welche eine Spannung eines 2x 
30V Ringkerns auf max. ~37V begrenzen soll. Das ganze symmetrisch.

Zweck:
Audioverstärker mit 2x LM3886, welcher leider bis maximal +/- 40V 
spezifiziert ist. Mein Ringkern spuckt im Leerlauf nach Gleichrichtung 
etwa +/- 43V aus, hinzu sollten noch Toleranzen eingeplant werden.

Eigentlich geht es darum, dass der Ringkern mal sinnvoll verbaut werden 
soll und mir so ein kleiner Audioverstärker gerade recht kommt.

Ziel der Stabilisierungsschaltung ist es, einen lowdrop Betrieb zu 
ermöglichen, da die Trafospannung mit bezahlbaren Pufferelkos unter Last 
deutlich unter 40V einbrechen wird. Die Stabilisierung soll mit Absicht 
ÜBER die zu erwartete Volllasteingangsspannung eingestellt werden; So 
ergeben sich nur im Teilllastbereich Verluste an dieser Stelle. Bei 
Volllast sollten die Fets meist voll durchgeschaltet sein. Der 
Ausgangsstrom soll maximal etwa 5A pro Zweig betragen; Jedoch muss hier 
natürlich hauptsächlich die Verlustleistung betrachtet werden.

Die angehängte Schaltung funktioniert wie folgt:
Eingang ist 1/4 +/- 40-45V in vom Trafo (gleichgerichtet, leicht 
gesiebt); 2/3 sind Masse. Ausgangsklemme ist genauso belegt. Das ganze 
Design ist symmetrisch, d.h. alle Bauteile gibt es sowohl im negativen 
als auch im positiven Zweig.

D1 und D2 (Edit: Natürlich auch diese als BCX84C) heben bzw. senken das 
Massepotenzial für die Versorgung der beiden NE5534, welche die Gates 
des positiven bzw. negativen Zweiges zum Sperren jeweils knapp an die 
Grenze aussteuern können müssen -> ~40 V verkraftet der OP, durch die 
Z-Dioden sollten das etwas über 55V sein und somit ausreichen. Auf eine 
Widerstandsbelastung der Z-Dioden kann verzichtet werden, da der OP so 
um die 6-8 mA Ruhestrom zieht. C1/C2 fangen Spitzen ab und dürften das 
schnelle Umladen der Gates ermöglichen.

R1/R2 (R3/R4) bilden mit D3 (D4) eine Referenzspannung, um die 
Ausgangsspannung zu regeln. Diese wird mit C3/C4 gepuffert. Die 
Widerstände sind aufgrund der Belastung doppelt ausgelegt, so sollten 2x 
1206 Widerstände ausreichen. (Eventuell sind 2x 3,9k noch zuviel; 
zugunsten der Stabilität sollten hier 3,3k eingesetzt werden) (EDIT: ich 
werd wohl eher 6,2 V Z-Dioden nehmen, die haben laut Datenblatt 
Fairchild BCX84C deutlich bessere Eignung)

R5/R7/R9 (R10/R8/R6) sind zum Einstellen bzw. rückkoppeln der 
gewünschten Ausgangsspannung. Der Stellbereich liegt so ungefähr im 
Bereich zwischen 15 und 50 V. Durch C5 (C6) entsteht ein Tiefpassfilter, 
welches hochfrequente Schwingungen unterdrücken sollte. Im Audiobereich 
liegen die zu erwartenden großen Lastschwankungen im Bereich < 500 Hz, 
in dem Bereich knapp dadrüber liegt die f3 dieses Filters (je nach 
Potistellung variiert sie natürlich etwas).

Der N- und P-Fet sind als Beispiel gewählt, günstig zu beschaffen und 
völlig ausreichend. Die zu erwartende Verlustleistung liegt im Bereich 
unter 10W pro Fet, weswegen die Kühlung der TO220'er noch recht einfach 
sein sollte.

Ich erbitte Anmerkungen :) Ansonsten wird die Schaltung morgen layoutet 
und bis zum Ende der Woche aufgebaut.

Vielen Dank schonmal,

Matthias

Autor: Anja (Gast)
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Matthias Larisch schrieb:
> Ich erbitte Anmerkungen :) Ansonsten wird die Schaltung morgen layoutet
> und bis zum Ende der Woche aufgebaut.

Mach lieber mal einen Probeaufbau: Ich sehe gerade daß die Schaltung 
kräftig schwingt.

Gruß Anja

Autor: MaWin (Gast)
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> Schaltung okay?

Nein.

Abgesehen davon, daß du die vertauschten OpAmp IC1 und IC2 nicht mit 
+40V/+15V (also GND geliftet auf 15V) betreiben kannst wenn du mit 
seinen Eingang 7.5V (oder 6.2V) messen willst,
fehlt auch komplett die Kompensation der zusätzlichen Verstärkung durch 
den MOSFET und der zusätzlichen bremsenden Last durch die 33uF, die 
Schaltung wird also schwingen.
zudem sehen die MOSFET mehr als 20V Ugs und es täte eine einzige 
Referenzspannung (sogar wenn die OpAmps nur "ihre" Spanunngsseite sehen) 
für beide.

Autor: Matthias Larisch (matze88)
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Ach mist, ich sehe gerade, dass ich mit der Ugs ein Problem bekomme, 
wenn der OP weiter aufsteuern will als die Eingangsspannung zulässt. Ich 
müsste also Ugs auf 20V limitieren:
a) Die Z-Diode am OP auf 25V erhöhen, sodass dieser maximal (45-25)=20 V 
aussteuern kann. "Theoretisch" liegt die Eingangsspannung aber eh unter 
40 V, sodass dann nur knapp über 10V bleiben... irgendwie unflexibel, 
dafür sehr einfach.

b) Gatewiderstände vorsehen und dahinter noch ne Zener mit 18V als 
Gateschutz. Sind 2 zusätzliche Bauteile, aber eine mittelschöne Lösung

c) Zener ohne Gatewiderstand -> lassen wir das mal

d) ???

a) ist im funktionierenden Bereich denke ich optimal - den kann man 
allerdings durch umdimensionierung der Eingangsspannung schnell 
verlassen.

b) ist immer okay, aber nie perfekt :) (Gatevorwiderstände verlangsamen 
Umladevorgänge, außerdem statischer Stromfluss für Ue <= Ua_soll durch 
Z-Diode)

Autor: Matthias Larisch (matze88)
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MaWin schrieb:
>> Schaltung okay?
>
> Nein.
>
> Abgesehen davon, daß du die vertauschten OpAmp IC1 und IC2 nicht mit
> +40V/+15V (also GND geliftet auf 15V) betreiben kannst wenn du mit
> seinen Eingang 7.5V (oder 6.2V) messen willst,

Oha, das ist mir garnicht aufgefallen... Dann würde ich wohl die 
Referenz wie auch den Ausgangsspannungsteiler auf die jeweilige 
"OP-Masse" beziehen und damit dieses Problem umgehen. Stellt dadurch 
erhöhte Anforderungen an diese bzw. bin ich mir da jetzt garnicht mehr 
sicher, ob das so einfach zu machen ist... Vertauscht sind sie meiner 
Meinung nach nicht, Target hat nur die Beschriftung relativ weit weg 
gepackt. Oben ist IC1, unten IC2

> fehlt auch komplett die Kompensation der zusätzlichen Verstärkung durch
> den MOSFET und der zusätzlichen bremsenden Last durch die 33uF, die
> Schaltung wird also schwingen.

An dieser Stelle muss ich sagen, dass ich mich damit nicht auskenne. 
Hier werde ich mich dann nochmal etwas schlau lesen ;)

> zudem sehen die MOSFET mehr als 20V Ugs und es täte eine einzige
> Referenzspannung (sogar wenn die OpAmps nur "ihre" Spanunngsseite sehen)
> für beide.

Ugs siehe 1 Post weiter oben;
Eine Referenzspannung für beide: Da bräuchte ich jetzt einen Tip. Ich 
habe gerade keine Idee, wie man das erreichen kann, da eben wie du sagst 
jeder in einem ganz anderen Versorgungsbereich arbeitet.

2 beschriebene Probleme hätte ich wohl mit einem OP, welcher +/- 50V 
verträgt, gelöst. Aber Google hat mir da bis auf ein paar Ergebnissen zu 
Exoten nicht weitergeholfen.

Ich warte mal gespannt auf weitere Antworten, habe allerdings gerade das 
Gefühl, dass die Schaltung etwas über meinen Fähigkeiten liegt. (Dabei 
sollte sie "nur mal so nebenbei" gemacht werden)

Ich danke euch beiden für die Rückmeldung! Ist schonmal eine große 
Hilfe.

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