Projekt Stromsenke

[Andreas R. (blackpuma)]

Schönen guten Abend Gemeinde,

Ich wollte mal kurz mein Projekt vorstellen. Es handelt sich dabei um 
eine Stromsenke. Im Anhang findet ihr den Schaltplan und ein Foto.

Gedacht ist das ganze so das man mehrere von den Teilen parallel 
schalten kann um mehr Strom ziehen zu können. Weiters gibt es einen 
Jumper um die interne oder eine externe Referenzspannung zu verwenden. 
Diese kann z.B. von einem uC kommen.

Im Gehäuse soll zu den Lastwiderständen noch ein Widerstand in Serie 
kommen um den Gesamtstrom mit einem uC messen zu können.


Ich habe allerdings noch 3 Fragen:

1. Welche Leistung kann ich mit den eingebauten FETs verheizen?

2. Wenn ich die Referenzspannung auf 196,6 mV einstelle dann liegt an 
den Widerständen eine Spannung von 136,2 mV und 129,6 mV an. Woran liegt 
das?

3. Wie äußert sich ein Schwingen der Stromsenke?


Kritik ist erwünscht.

DAnke
Andreas

[Johannes E. (cpt_nemo)]

Andreas Riegebauer schrieb:
> 2. Wenn ich die Referenzspannung auf 196,6 mV einstelle dann liegt an
> den Widerständen eine Spannung von 136,2 mV und 129,6 mV an. Woran liegt
> das?

Wie wurde das gemessen? Mit Multimeter oder Oszi? Falls deine Schaltung 
schwingt, sieht man das mit dem Multimeter nicht; da kann durchaus ein 
Offset entstehen. Also auf jeden Fall mit Oszi messen.

Wie niederohmig ist der Shunt-Widerstand bzw. wie groß ist der Strom bei 
200mV? Evtl. gibt es einen Spannungsabfall an der Masseverbindung, der 
sich zur Spannung am Shunt addiert. Miss mal die Spannung am 
invertierenden Eingang des 741 und vergleiche diese mit der Spannung am 
nicht-invertierenden Eingang.

> 3. Wie äußert sich ein Schwingen der Stromsenke?
Schwingen äusert sich dadurch, dass es schwingt ;-). Ob die Stromsenke 
schwingt, kann man am einfachsten mit einem Oszilloskop sehen. Ansonsten 
können durch ein Schwingen unterschiedliche Effekte bis hin zur 
Zerstörung der Mosfets auftreten.

[Andreas R. (blackpuma)]

Ups... Ich glaube das nennt man Schwingen! g
Ich habe ein vorher nachher Bild gemacht. Bei dem Nachher Bild habe ich 
R9 und R10 von 470 auf 2200 Ohm erhöht.

Jetzt habe ich schon 191mV an den Shunts bei eingestellten 196mV 
Referenz.

Ich finde es Schade das der Beitrag anscheinend schon oft angesehen 
wurde aber nur ein Kommentar abgegeben wurde.

Schönen Abend
Andreas

[Kai K. (klaas)]

Drei Sachen fallen mir auf:

1. Der TL431 ist mit 10n nicht stabil. Versuche >4µ7.

2. Zwei parallele, aktiv geregelte Lasten sind gefährlich, weil die 
gegeneinander schwingen können.

3. Der zusätzliche OPamp in der Gegenkopplung ist tückisch, weil er eine 
zusätzliche Phasendrehung einbringt und damit die Schwinggefahr 
drastisch erhöht? Warum läßt du ihn nicht einfach weg? Und vergiß nicht, 
eine saubere Phasenganganalyse durchzuführen.

[Johannes E. (cpt_nemo)]

Kai Klaas schrieb:
> Der zusätzliche OPamp in der Gegenkopplung ist tückisch, weil er eine
> zusätzliche Phasendrehung einbringt und damit die Schwinggefahr
> drastisch erhöht?

Ja, vor allem wenn man hier einen relativ langsamen OP verwendet, der 
741 hat GBP = 1MHz. Mit einem schnelleren OP (GBP ca. 10 MHz) müsste man 
hier schon etwas gewinnen können.

Andreas Riegebauer schrieb:
> Jetzt habe ich schon 191mV an den Shunts bei eingestellten 196mV
> Referenz.

Hast du den Offset-Abgleich am 741 korrekt eingestellt? Einfacher wäre 
es, einen OP mit niedriger Offset-Spannung ( < 1mV) zu verwenden, dann 
kann man sich den Abgleich sparen; der 741 ist wirklich nicht mehr 
Zeitgemäß.

> Ich finde es Schade das der Beitrag anscheinend schon oft angesehen
> wurde aber nur ein Kommentar abgegeben wurde.

Die werden schon noch kommen. Jetzt wissen wir immerhin, dass es ein 
Schwingungsproblem gibt.

[Andreas R. (blackpuma)]

Johannes E. schrieb:
>>2. Zwei parallele, aktiv geregelte Lasten sind gefährlich, weil die
>>gegeneinander schwingen können.

Bist du dir sicher? Es wird ja jede Last mit einer Referenzspannung 
versorgt und auch seperat mit dem Ergebnis versorgt.

> Kai Klaas schrieb:
>> Der zusätzliche OPamp in der Gegenkopplung ist tückisch, weil er eine
>> zusätzliche Phasendrehung einbringt und damit die Schwinggefahr
>> drastisch erhöht?

Den habe ich eingebaut da ich den gesamten Strom noch durch einen 
Widerstand jagen möchte um den Gesamtstrom zu messen. Um den FET zu 
steuern darf ich aber nur den Strom über den Shunt des jeweiligen FETs 
messen.

> Ja, vor allem wenn man hier einen relativ langsamen OP verwendet, der
> 741 hat GBP = 1MHz. Mit einem schnelleren OP (GBP ca. 10 MHz) müsste man
> hier schon etwas gewinnen können.

Ich habe nach einem Pinkompatiblem gesucht und eigentlich nur den LF356 
gefunden. Ganz sind die aber nicht kompatibel weil der Offset beim ua741 
an -VCC und beim LF356 an +VCC hängt.

> Andreas Riegebauer schrieb:
>> Jetzt habe ich schon 191mV an den Shunts bei eingestellten 196mV
>> Referenz.
>
> Hast du den Offset-Abgleich am 741 korrekt eingestellt? Einfacher wäre
> es, einen OP mit niedriger Offset-Spannung ( < 1mV) zu verwenden, dann
> kann man sich den Abgleich sparen; der 741 ist wirklich nicht mehr
> Zeitgemäß.

Denke schon. Beiden Eingänge auf gleiches Potential und so lange gedreht 
bis beim Ausgang 0V stehen.

>> Ich finde es Schade das der Beitrag anscheinend schon oft angesehen
>> wurde aber nur ein Kommentar abgegeben wurde.
>
> Die werden schon noch kommen. Jetzt wissen wir immerhin, dass es ein
> Schwingungsproblem gibt.

Ich werde heute noch versuchen den Kondensator von 1nF auf 2nF zu 
erhöhen. Dann regelt er noch langsamer.

<u>FRAGE</u>: Wie kann ich dann das Schwingen noch brauchbar messen mit 
dem Oszi wenn die Grundspannung schon so hoch ist? Bei der zweiten 
Messung z.B. ist es auf 20mV eingestellt und das Schwingen ist nur mehr 
ganz oben zu sehen.

[Sebastian (Gast)]

> <u>FRAGE</u>: Wie kann ich dann das Schwingen noch brauchbar messen mit
> dem Oszi wenn die Grundspannung schon so hoch ist? Bei der zweiten
> Messung z.B. ist es auf 20mV eingestellt und das Schwingen ist nur mehr
> ganz oben zu sehen.

Antwort: Oszi auf AC-Kopplung am Eingang einstellen.

[Kai K. (klaas)]

>Ja, vor allem wenn man hier einen relativ langsamen OP verwendet, der
>741 hat GBP = 1MHz. Mit einem schnelleren OP (GBP ca. 10 MHz) müsste man
>hier schon etwas gewinnen können.

Aber wieso überhaupt dort einen OPamp? Zuerst teilt er das Signal um den 
Faktor 2 herunter und anschließend verstärkt er wieder mit dem Faktor 2. 
Ein OPamp ist also garnicht erforderlich.

>Bist du dir sicher? Es wird ja jede Last mit einer Referenzspannung
>versorgt und auch seperat mit dem Ergebnis versorgt.

Wenn im einen Shunt der Strom aus irgendeinem Grund sinkt, sieht das 
auch der andere Zweig und versucht gegenzusteuern. Das kann, muß nicht, 
in ganz hartnäckiger Schwingneigung enden. So etwas hängt auch immer von 
der Quelle ab, wie die auf die Regelung der Stromsenke reagiert. Ich 
würde es einfach nur vermeiden.

[Andreas R. (blackpuma)]

Kai Klaas schrieb:
>>Ja, vor allem wenn man hier einen relativ langsamen OP verwendet, der
>>741 hat GBP = 1MHz. Mit einem schnelleren OP (GBP ca. 10 MHz) müsste man
>>hier schon etwas gewinnen können.
>
> Aber wieso überhaupt dort einen OPamp? Zuerst teilt er das Signal um den
> Faktor 2 herunter und anschließend verstärkt er wieder mit dem Faktor 2.
> Ein OPamp ist also garnicht erforderlich.

Ich habe diese Schaltung so gefunden um die Spannung über einen 
Widerstand in einer Schaltung zu messen.

>>Bist du dir sicher? Es wird ja jede Last mit einer Referenzspannung
>>versorgt und auch seperat mit dem Ergebnis versorgt.
>
> Wenn im einen Shunt der Strom aus irgendeinem Grund sinkt, sieht das
> auch der andere Zweig und versucht gegenzusteuern. Das kann, muß nicht,
> in ganz hartnäckiger Schwingneigung enden. So etwas hängt auch immer von
> der Quelle ab, wie die auf die Regelung der Stromsenke reagiert. Ich
> würde es einfach nur vermeiden.

Wieso sollte der eine Zweig das ausgleichen wollen was im anderen fehlt? 
Es hat doch jeder Zweig seine eigene Referenz.

[Johannes E. (cpt_nemo)]

Kai Klaas schrieb:
> ber wieso überhaupt dort einen OPamp? Zuerst teilt er das Signal um den
> Faktor 2 herunter und anschließend verstärkt er wieder mit dem Faktor 2.
> Ein OPamp ist also garnicht erforderlich.

Ja, das hast du absolut recht. Die Impedanz am Shunt ist ja zienmlich 
niedrig, so dass man auch keinen Impedanzwandler benötigt. Ich sehe auch 
keinen Grund dafür, hier einen OPV einzubauen.

[Kai K. (klaas)]

>Wieso sollte der eine Zweig das ausgleichen wollen was im anderen fehlt?
>Es hat doch jeder Zweig seine eigene Referenz.

Überlege dir was passiert, wenn die Drainspannung an beiden MOSFETs 
absinkt, weil beispielsweise die Quelle aufgrund des Laststroms in die 
Knie geht. Das hat dann eine gewisse Auswirkung auf die Spannungsabfälle 
an den beiden Shunts. Also versuchen jetzt beide Regelkreise 
gegenzusteuern. Dabei sieht jeder Kreis aber nicht nur die Quelle und 
seinen eigenen Shunt, sondern auch noch die dynamische Last des anderen 
Regelkreises. Wenn es dumm läuft, können die beiden Regelkreise jetzt 
gegeneinander arbeiten und sich das Ganze zu einer Schwingung 
aufschaukeln.

>Die Impedanz am Shunt ist ja zienmlich niedrig, so dass man auch keinen 
>Impedanzwandler benötigt.

Genau. Außerdem ist da ja noch ein fetter MOSFET...

[nemon (Gast)]

Johannes E. schrieb:
> Kai Klaas schrieb:
>> ber wieso überhaupt dort einen OPamp? Zuerst teilt er das Signal um den
>> Faktor 2 herunter und anschließend verstärkt er wieder mit dem Faktor 2.
>> Ein OPamp ist also garnicht erforderlich.
>
> Ja, das hast du absolut recht. Die Impedanz am Shunt ist ja zienmlich
> niedrig, so dass man auch keinen Impedanzwandler benötigt. Ich sehe auch
> keinen Grund dafür, hier einen OPV einzubauen.

Je anch Widerstand des Shunts kann ein Messverstärker notwendig sein. 
Wenn der Shunt von seinem "negativen" Kontakt bis zum GND-Potential vom 
OpAmp noch etwas Leiterbahn hat, ergibt sich eine andere Impedanz, 
sodass ggf. mit einem Messverstärker die Spannung überm Shunt selber 
ausgekoppelt werden muss. Evtl. bietet sich hierzu auch ein 
Vierleiterwiderstand an.

[Kai K. (klaas)]

Wie hast du denn die Messungen gemacht? Was hängt am Ausgang der 
Schaltung? Und sind das 0R1 Shunts, wie man im Foto sehen kann?

Ich habe die Schaltung mal mit einem IRF540 simuliert. Da schwingt 
nichts. Allerdings habe ich eine ideale Spannungsquelle am Ausgang 
angenommen. Gibt man der einen realen Innenwiderstand, gibt es etwas 
Ringing.

Gib doch mal an den Ref-Eingang eine andere Referenzspannung als vom 
TL431, beispielsweise eine aus der 12V Versorgung heruntergeteilte 
Spannung. Filtercap nicht vergessen.

[Andreas R. (blackpuma)]

Also um es verständlicher zu machen wieso ich die OpAmps verwendet habe.

Im Moment sieht der "Ausgang" wie auf der linken Seite des Bildes aus. 
Zwei Zweige führen je einen Strom.
Wenn es fertig aufgebaut ist dann kommt noch ein Widerstand in Serie um 
den Gesamtstrom zu messen. Deshalb muss ich die einzelnen Spannungen an 
den Shunts direkt auskoppeln.

Die Shunts haben alle 0,1 Ohm.

Ich habe R9 und R10 auf 4700 Ohm erhöht. Jetzt sehe ich selbst bei 4A 
keine Schwingung mehr an den Shunts.
Durch die Erhöhung der Widerstände reagiert die Regelschleife langsamer 
oder?

[trafo (Gast)]

Ich weiß, dass es dir beim aktuellen Problem nicht unbedingt hilft - 
aber schau dir doch einmal die Schaltung eines ehemals handelsüblichen 
Gerätes an.
http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5951-2830.pdf

Ich habe einen Teil davon schon vor einiger Zeit einmal in LTspice 
übertragen, weil es mich einfach interessiert hat.
U1 und U2 entsprechen deinen IC3A bzw. IC1.
IN+ > VBAT
IN- > GND
PROG > Ref
Isum = Spannung für Summenstrommessung
Vs0 bzw. 4 = GND

Sind beide sehr ähnlich aber doch fallen mir einige Unterschiede auf:
a) OP-Typen
b) kleinere aber dafür mehrere Kompensations-C
c) Messung am Shunt mittels Differenzverstärker
d) gegen separat geführten GND entkoppelte Versorgungsspannung für 
"Leistungs-" bzw. "Messverstärker"
e) Gesamtstrommessung über eigenen Summier-OP ohne zusätzlichen Shunt

Ohne die weiteren Schaltungen für I-,U- bzw P-Konst Betrieb ist der 
Leistungsteil zumindest in der Simulation bis weit über 200 kHz stabil.