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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Strombegrenzung für 2x35V-Netzteil


Autor: Martin B. (brehministrator)
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Hallo allseits,

ich bin gerade dabei, eine Strombegrenzung für ein (bereits 
existierendes und ebenfalls selbst gebautes) 2x 35V-Schaltnetzteil zu 
entwerfen. Dabei bin ich auf ein Problem gestoßen. Die Begrenzung soll 
bei 10 A einsetzen, aber der genaue Wert sollte ja nix zur Sache tun.

Das Netzteil liefert relativ zu Masse einmal "Plus" 35V und einmal 
"Minus" 35V. Im Idealfall wird die Masseleitung kaum belastet und der 
Strom fließt fast nur über die beiden 35V-Adern. Die Strommessung muss 
also in den 35V-Leitungen erfolgen (und zwar für beide separat). Es wäre 
ja naheliegend, in beide Leitungen einfach einen Shunt einzubauen und 
den Spannungsabfall dann mit einem OPV auf hinreichend große Werte zu 
übersetzen (um dann damit an die PWM-Schaltung heranzugehen).

Nur leider führen diese "Starkstrom"-Leitungen ja jeweils 35V Potential. 
Dem OPV hingegen kann ich nur eine Versorgungsspannung anbieten, die 
symmetrisch um Masse herum liegt (+/- 12V). Und ich kann ja dem OPV 
nicht auf seine beiden Eingänge Signale geben, die zwar zueinander eine 
sehr kleine Potentialdifferenz haben, aber beide voll außerhalb der 
OPV-Versorgungsspannung liegen...

Hat jemand eine Idee? Vielleicht bräuchte ich so was wie eine 
Gleichspannungs-Potentialtrennung... Aber für einen Optokoppler ist der 
Spannungsabfall an den Shunts ja viel zu klein.

Viele Grüße
Martin

Autor: MaWin (Gast)
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2 OpAmp ?
OpAmp mit "beyond th rail" Messmöglichkeit wie LT1490 oder INA117 ?
Spannungsteiler und die geteilten Werte vergleichen ?

Allgemein Stromregelung in Schaltnetzteilen in den Datenblättern von 
TL103, TSM103, NCP4300:
www.21icsearch.com/download.shtml?id=D1BB971500660FA9

Autor: Martin B. (brehministrator)
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Danke für die schnelle Antwort.

Die Möglichkeit mit dem Spannungsteiler war mir auch schon eingefallen, 
nur wenn ich zwei Signale um die 35V, die sich zueinander nur um ein 
paar Millivolt unterscheiden, per Spannungsteiler runterbreche, wäre 
selbst 1% Toleranz in den Widerständen schon viel zu viel. Deshalb hatte 
ich das nur als Notlösung gesehen.

Alle SMPS-Schaltpläne, die ich habe, machen ihr Current Sensing im 
Massezweig. So ja auch im Datenblatt vom NCP4300A, das du mir empfohlen 
hast. Und das kann ich ja leider gerade nicht tun.

"beyond the rail"-OpAmps kenne ich bisher gar nicht. Können die von dir 
genannten Typen wirklich Eingangssignale verkraften (und sinnvoll 
verarbeiten), die über der positiven Betriebsspannung liegen? Laut dem 
Schaltplan im Datenblatt des LT1490 liegen ja die Eingangstransistoren 
letztlich trotzdem zwischen V+ und V-.

Gruß
Martin

Autor: MaWin (Gast)
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> Können die von dir
> genannten Typen wirklich Eingangssignale verkraften (und sinnvoll
> verarbeiten), die über der positiven Betriebsspannung liegen

Sicher. Siehe Datenblatt.

> wäre selbst 1% Toleranz in den Widerständen schon viel zu viel

?!? Bringt 1% mehr Ungenauigkeit, was sonst ?

Autor: Martin B. (brehministrator)
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Wegen den 1%: Angenommen ich nehme einen 1:10-Spannungsteiler mit 
1%-Widerständen. Dann habe ich am Ausgang 3,5V mit +- 35mV 
Ungenauigkeit. Soweit Ok. Nur war ja die Spannungsdifferenz am Shunt, 
die ich eigentlich messen will, ursprünglich schon nur 100mV. Das wird 
also nach dem Spannungsteiler 10mV. Und 10mV Nutzsignal bei 35mV 
Ungenauigkeit ist natürlich Mist.

Und nochmal zu den "beyond the rail"-OpAmps: Die sehen ja soweit gut 
aus. Nun kommt das nächste Problem. Normalerweise stellt man ja bei 
einem OpAmp den Verstärkungsfaktor ein, indem man den Ausgang auf den 
negativen Eingang rückkoppelt. Wenn jetzt aber beide Eingänge vom 
Potential viel höher liegen, als der Ausgang je werden kann, ginge das 
ja schon wieder nicht mehr.

Vielen Dank und Gruß
Martin

Autor: Martin B. (brehministrator)
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Nur nochmal ein Schaltplan, um das Problem plausibel zu machen.

Autor: mhh (Gast)
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-------- R1 -------------- +35V
    |           |
    R           R
    |           |
    |           |
    |-----------)-------
    |           |         OPV HauMichTotIrgendwas
    |           |-------
    |           |
    R           R
    |           |
-------------------------- GND

Das Selbe für -35V noch mal.

Autor: Martin B. (brehministrator)
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@Gast:
Diese Idee hatte ich ja auch schon. Aber das geht leider nicht, wie drei 
Beiträge weiter oben von mir schon dargelegt. Die Toleranzen der 
Widerstände machen die Abweichung der Spannung deutlich größer als das 
Nutzsignal am Spannungsteiler. Ich bräuchte dazu 0,01% (!!)-Widerstände, 
und die kann ich mir nicht leisten :-)

Edit: Man könnte mit einem Spindeltrimmer das ganze so justieren, dass 
bei I=0 die Spannungen gleich sind. Aber dann muss man wieder was 
justieren... Nur als Notlösung.

Ich hab grad bissel rumgelesen und bin auf den ISL24021 
(http://www.intersil.com/data/fn/fn6637.pdf) gestoßen. Das ist ein 
Beyond-The-Rail-OpAmp mit "unity gain". Kurze Frage: Heißt das, dass die 
Ausgangsspannung immer genau der Differenz der Eingänge entspricht, auch 
wenn man keinen Rückkopplungswiderstand zwischen Ausgang und negativem 
Eingang hat (den man ja sonst braucht, um auf einen definierten 
Verstärkungsfaktor von z.B. 1 zu kommen)?

Wenn ja: Kennt jemand noch einen anderen OpAmp mit den beiden genannten 
Eigenschaften? Er braucht nicht so große Ströme abzugeben und sollte 
möglichst nicht so teuer und kein SMD sein.

Vielen Dank
Martin

Autor: mhh (Gast)
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Martin B. schrieb:
> Die Toleranzen der
> Widerstände machen die Abweichung der Spannung deutlich größer als das
> Nutzsignal am Spannungsteiler.

Dann nimmst Du statt der zwei Widerstände je einen Spindeltrimmer, da 
bleibt das Teilungsverhältnis mit der Temperaturänderung ziemlich 
stabil.

Martin B. schrieb:
> Die Toleranzen der
> Widerstände machen die Abweichung der Spannung deutlich größer als das
> Nutzsignal am Spannungsteiler.

Mit Trimmern nicht mehr relevant.

Autor: Martin B. (brehministrator)
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mhh schrieb:
> Dann nimmst Du statt der zwei Widerstände je einen Spindeltrimmer, da
> bleibt das Teilungsverhältnis mit der Temperaturänderung ziemlich
> stabil.

Ok, so kann man das natürlich machen. Dann müsste man nur einmal einen 
Abgleich durchführen. Danke für den Vorschlag.

Lieber wär mir jedoch trotzdem noch die Variante mit dem 
"Beyond-The-Rail"-OpAmp. Hat jemand eine Idee, wie ich mit einem solchen 
ein genau definiertes Verstärkungsverhältnis hinkriege, wenn nicht wie 
üblich einer der Eingänge auf Masse liegt?

Autor: Martin B. (brehministrator)
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Hallo,

ich habe jetzt die Variante mit den Spindeltrimmer-Spannungsteilern mal 
in meinen Schaltplan eingezeichnet.

Kann mal bitte der ein oder andere drüber gucken, ob das so 
funktioniert?

Beide Ausgänge haben jetzt Strom- und Spannungsbegrenzung. Die Bauteile 
haben noch keine Werte, da trage ich noch passende ein. Der erste OpAmp 
in jedem Zweig ist ein Differenzierglied, der zweite ein 
nicht-invertierender Verstärker, dessen Verstärkungsfaktor über den 
Trimmer eingestellt werden kann. Dies soll so geschehen, dass genau bei 
Überstrom die LED im Optokoppler erstmals leuchtet.

Was die Optokoppler letztlich machen, sieht man hier nicht. Sinngemäß 
sind die vier Opto-Transistoren parallel geschaltet, und wenn diese 
Einheit leitfähig wird, werden die PWM-Pulse schmaler.

Vielen Dank und Gruß
Martin

Autor: ulrich (Gast)
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Es gibt extra ICs für die Highside Strommessung. Da ist dann auch ein OP 
drin, der bis ganz an die Versorgung ran messen kann. Umgesetzt wird das 
dann in einen Strom, den man relativ leicht in eine Spannung relativ zu 
GND umsetzen kann, oder gleich per Optokoppler überträgt.
Man kan sich die Schaltung auch selber aufbauen mit eine passenden OP 
und einen Transistor. Etwas Problematisch wird höchstens wenn die 
Spannung sehr kleine wird (z.B. unter 5 V).

Für die negative Seite kenne ich keine solchen ICs, da ist es aber 
realtiv leicht einen OP für Single Supply zu finden und das einzeln 
aufzubauen.

Bei der Schaltung könnte man ggf. auch die Stromstärke induktiv 
abgreifen, direkt hinter dem Trafo, oder an den Drosseln hinter den 
Dioden.

Wobei mir da eigentlich je eine extra Diode fehlt, als "Freilaufdiode".

Autor: Martin B. (brehministrator)
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Hallo Ulrich,

vielen Dank für den Hinweis. Beim Googeln nach "Highside Current 
Sensing" gibt es viele fertige ICs (hätte ich auch selbst drauf kommen 
können ^^). Bisher sind die leider alle SMD (wär zur Not auch kein 
Problem), und gingen auch nicht für den negativen Zweig.

Deinen Tipp, die Schaltung stattdessen diskret aufzubauen, habe ich ja 
in meinem oben genannten Schaltplan quasi befolgt. Die Lösung wäre ganz 
gut: billig, nur ein IC und kein SMD. Würde sie denn funktionieren? Oder 
habe ich einen Denkfehler gemacht?

Wo fehlen deiner Ansicht nach die "Freilaufdioden"? An den Drosseln nach 
dem Trafo? Oder am Trafo selbst? Am Trafo würden die ziemlich schnell 
gegrillt, da es hier ja um ein Netzteil mit knapp 1000 Watt geht... Und 
bei 100kHz Schaltfrequenz ist es auch nicht ganz trivial, induktiv den 
Strom an der Drossel zu messen.

Gruß
Martin

Autor: Martin B. (brehministrator)
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Hallo,

ich glaube ich hab mein Problem nach ewigem Rumgesuche jetzt selbst 
gelöst. Ich habe den tollen OpAmp LT1990 gefunden. Der verkraftet an 
seinen Eingängen Potentiale von +-200V relativ zur Versorgungsspannung 
und hat eine fest auf 1 oder 10 eingestellte Verstärkung. Damit kann ich 
nun sowohl im positiven als auch im negativen Zweig die Spannung am 
Shunt verstärken.

Bei Interesse: http://cds.linear.com/docs/Datasheet/1990fb.pdf

Trotzdem würde mich noch interessieren, ob jemand in diesem Teil noch 
grobe Design-Fehler sieht. Vor allem, wo die vorhin erwähnten 
"Freilaufdioden" fehlen könnten.

Viele Grüße
Martin

Autor: ulrich (Gast)
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Es sollte besser gehen, wenn da noch zusätzliche Dioden wären, von dem 
Punkt zwischen den Dioden und den Drossen zur Ausgangsmassen (Pin 5 des 
Traofs). Bei vielen Schaltplänen sind die Dioden drin.

Es hängt von der Kurvenform am Trafo und dem Wert der Drosseln ab, ob 
die extra Dioden was helfen. Bei einem Resoanten Trafo wird es wohl 
nicht viel helfen, bei einem Rechteckbetrieb, können die Dioden schon 
etwas helfen. Der Strom druch die Drossel will ja weiterfließen jetz 
geht das über die Dioden ggf. auch dann noch wenn die Spannung am Trafo 
schon das falsche Vorzeichen hat.

An den Ausganag sollten auch noch Kondensatoren/Elkos. Wenn so einer den 
Verbraucher abzieht, gibt es wegen L1 bzw L2 einen Überspannungspuls.

Autor: kennie (Gast)
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Ich hab genau das gleiche Problem: Hab ein Doppelnetzteil gebaut und nun 
soll eine Strombegrenzung her. Außerdem eine dem Strom proportionale 
Spannung um sie auf einer digitalen Anzeige auszugeben.

Am Ende dieses Threads gibts eine Schaltung die ich probeweise aufgebaut 
habe und die gut funktioniert:

Beitrag "ASC715 Hallsensor"

Sie kann exakt genauso auch die Spannung im negativen Zweig messen; 
diese muss dann nur noch invertiert werden.

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