Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik 4-20mA Ausgang Selbstbau


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von Hallodrius (Gast)


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Hallo,


ich habe versucht einen 4-20mA Stromausgang in meine Schaltung mit 
einzupflegen.
Rechnerisch funktioniert diese auch, jedoch habe ich Probleme mit der 
Genauigkeit.
Die Ausgangsspannung des ADC stimmt immer, aber der ausgegebene Strom 
ist zu hoch.
Wenn ich mit der Meßspitze an den Pin3 des OP's gehe steigt der Strom 
und der angezeigte Wert ist ca 10% über dem vorherigem ohne Meßspitze.
Daß ich mit einem digitalem Messgerät (Fluke 8060A) an dieser Stelle so 
viel verursachen kann kommt mir komisch vor.
Was meint Ihr?

Hallodrius

von Bon z'O (Gast)


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Naja. IC105-1 sollte der Regler sein. Der arbeitet aber Open-Loop, als 
komparator. Das Ganze wird kaum stabil sein.

von ArnoR (Gast)


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> IC105-1 sollte der Regler sein. Der arbeitet aber Open-Loop

Nein, das tut er nicht. Der Fet und der INA liegen in der 
Rückkoppelschleife des OPV. Die durch diese Anordnung verursachte 
Phasendrehung führt zum Schwingen des OPV.

von Hallodrius (Gast)


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Bist du dir da sicher?

Tritt eine Spannungsdifferenz an den Eingängen des OP auf, wird der 
Ausgang so lange verändert bis sich die Spannungsdifferenz 0 ist (bei 
einem idealen OP)
Ist also die Eingangsspannung am nicht invertierenden Eingang zu gering, 
so senkt er die Ausgangsspannung und damit öffnet der den MOSFET etwas 
mehr. Dies geschieht so lange bis der der durch das öffnunen des MOSFET 
fließende Strom an R214 und somit am nicht invertierenden Eingang 
ausreichen groß ist.

Ich sehe dies als einen analogen Regelkreis ....

von Kai K. (klaas)


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>ich habe versucht einen 4-20mA Stromausgang in meine Schaltung mit
>einzupflegen.

Für industriellen Einsatz?

von Falk B. (falk)


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@  Hallodrius (Gast)

>ich habe versucht einen 4-20mA Stromausgang in meine Schaltung mit
>einzupflegen.

Hmm, kann man so machen, ist aber eher ungewöhnlich, sowas mit einer 
Strommessung nahe VCC.

>Die Ausgangsspannung des ADC stimmt immer, aber der ausgegebene Strom
>ist zu hoch.

Wieviel zu hoch? Bei 4mA oder 20mA? Offset oder Verstärkung?

>Wenn ich mit der Meßspitze an den Pin3 des OP's gehe steigt der Strom
>und der angezeigte Wert ist ca 10% über dem vorherigem ohne Meßspitze.

Nur während du dort dran bist oder auch, wenn du die Messpitze wieder 
entfernst? Klingt nach schwingender Regelschleife.

>Was meint Ihr?

Prüfe deinen Regelkreis, ob er schwingt, mit dem Oszilloskop. 
OPV-Ausgang, Ist-Wert. Es fehlt eigentlich noch ein 
Kompensationskondnesator, 1nF zwischen OPV-Ausgang und Minus-Eingang.

von ArnoR (Gast)


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> Es fehlt eigentlich noch ein
> Kompensationskondnesator, 1nF zwischen OPV-Ausgang und Minus-Eingang.

Nee nee, so einfach ist die Sache hier nicht. In der Rückkoppelschleife 
tritt nämlich neben der Phasendrehung auch noch eine Verstärkung auf, 
die selbst ohne Phasendrehung zum Schwingen führt. Und das kann durch so 
einen Kondensator eben nicht korrigiert werden.

von Kai K. (klaas)


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Wenn du sowieso schon digital bist, dann nimm doch so etwas hier:

http://www.analog.com/en/digital-to-analog-converters/da-converters/ad5420/products/product.html

von Falk B. (falk)


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@  ArnoR (Gast)

>tritt nämlich neben der Phasendrehung auch noch eine Verstärkung auf,
>die selbst ohne Phasendrehung zum Schwingen führt. Und das kann durch so
>einen Kondensator eben nicht korrigiert werden.

Jain. Alles in allem ist es eine relativ klassische Konstantstromquelle 
mit MOSFET un OPV, nur halt mit P-Kanal.

http://www.mikrocontroller.net/articles/Konstantstromquelle#Konstantstromquelle_mit_Operationsverst.C3.A4rker_und_Transistor

Nur das hier + und - am OPV verdreht sein müssen, wegen der 180° 
Phasendrehung am P-Kanal MOSFET (mehr Spannung am OPV-> weniger Strom).

Der Rest ist nahezu gleich. Ist-Wert wird auf Soll-Wert ausgeregelt. 
Klar, der INA hat auch noch einen Frequenzgang und muss berücksichtigt 
werden, aber er macht am Ende nicht mehr Verstärkung als ein normaler 
Shunt.

von Purzel H. (hacky)


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Ich wuerd den quasi Openloop Komparator durch einen PI Regler ersetzen.

von Falk B. (falk)


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@  Zwei von Drei (Firma: grad nicht anonym) (hacky)

>Ich wuerd den quasi Openloop Komparator durch einen PI Regler ersetzen.

Wo siehst du den? IC105 ist ein OPV, und die loop ist sehr wohl geclost 
;-)

von 123 (Gast)


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ArnoR schrieb:
> Nee nee, so einfach ist die Sache hier nicht. In der Rückkoppelschleife
> tritt nämlich neben der Phasendrehung auch noch eine Verstärkung auf,
> die selbst ohne Phasendrehung zum Schwingen führt. Und das kann durch so
> einen Kondensator eben nicht korrigiert werden.

Du glaubst also das man mit einen I-Regler keine Regelstrecke mit 
Verstärkung regeln kann... Da liegst du falsch.

von Anja (Gast)


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Hallodrius schrieb:
> Ich sehe dies als einen analogen Regelkreis ....

Ich sehe das als Oszillator:

Die Gatekapazität von Q101 wird über die Z-Diode schnell aufgeladen aber 
über den 10 K Widerstand nur langsam entladen außerdem ergibt sich durch 
die Diode eine Totzeit -> die Regelstrecke ist weder linear noch 
zeitlich konstant.

Gruß Anja

von ArnoR (Gast)


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> Du glaubst also das man mit einen I-Regler keine Regelstrecke mit
> Verstärkung regeln kann... Da liegst du falsch.

Durch den von Falk vorgeschlagenen "Kompensationskondensator" wird aus 
der Anordnung kein I-Regler! Lies dir einfach mal einen der hunderte 
Beiträge zu OPV-Konstantstromquellen durch.

von ArnoR (Gast)


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> Ich sehe das als Oszillator:

Genau so ist das. Und es braucht noch nicht mal die von dir genannten 
Effekte zum Schwingen, weil in der Schleife eine zusätzliche Verstärkung 
auftritt (durch den Mosfet und den INA, allein der INA verstärkt schon 
40-fach), die die Schleifenverstärkung soweit anhebt, dass die 
Frequenzgangkorrektur des OPV das nicht abfangen kann.

von 123 (Gast)


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ArnoR schrieb:
>> Du glaubst also das man mit einen I-Regler keine Regelstrecke mit
>> Verstärkung regeln kann... Da liegst du falsch.
>
> Durch den von Falk vorgeschlagenen "Kompensationskondensator" wird aus
> der Anordnung kein I-Regler! Lies dir einfach mal einen der hunderte
> Beiträge zu OPV-Konstantstromquellen durch.

Dann sieh dir du einmal an wie man einen I-Regler baut ;-)

von Kai K. (klaas)


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In der Simulation schwingt die Schaltung mit und ohne 
Kompensationskondensator.

von 123 (Gast)


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Du hast auch keinen Widerstand vor dem invertierenden Eingang gesetzt. 
Mach das und erhöhe solange die Kapazität bis es stabil ist. Kanst auch 
erweitern zu einen PI-Regler indem du einen Widerstand in Reihe zum 
Kondensator gibst.

von Kai K. (klaas)


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>Du hast auch keinen Widerstand vor dem invertierenden Eingang gesetzt.
>Mach das und erhöhe solange die Kapazität bis es stabil ist.

Hatte ich schon ausprobiert. Stabiler als im Anhang wird es nicht...

>Kanst auch erweitern zu einen PI-Regler indem du einen Widerstand in
>Reihe zum Kondensator gibst.

Nö, bin ja nicht der TE. Ich mache das sowieso mit dem AD5410...

von Hallodrius (Gast)


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Ihr habt alle Recht,

das Ding schwingt ohne Ende, ich sehe auch keine einfache Möglochkeit 
dies zu unterbinden.
Der Plan wurde nun geändert auf den AD5410.

Gruß Hallodrius

p.S.: Eine Frage habe ich noch: Wie findet man so ein IC?
Ich habe es über die Suche bei TI versucht und auch bei Farnell alles 
ausprobiert, ausser über Direkteingabe des Namens wurde ich nicht 
fündig.
Ich habe auch probiert bei Microchip nach vergleichbarem zu suchen, 
leider erfolglos....

von Kai K. (klaas)


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von Falk B. (falk)


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@  Hallodrius (Gast)

>das Ding schwingt ohne Ende, ich sehe auch keine einfache Möglochkeit
>dies zu unterbinden.

Hast du den C getestet? 1nF? 10nF? 100nF?

Naja, es ist ja eine Art Low Drop Spannungsregler von der Stuktur her, 
die haben auch ja immer ihre Probleme. MUSS es unbedingt diese Stuktur 
sein? Warum nicht der Klassiker?

http://www.mikrocontroller.net/articles/Konstantstromquelle#Konstantstromquelle_mit_Operationsverst.C3.A4rker_und_Transistor

Für 4-20 mA Anwendungen tut es diese Schaltung auch.

Als Griff nach dem Strohhalm könnte man den Regler mit einem C am 
Ausgang versuchen zu dämpfen, 1n-100uF sollte man mal fix prüfen. Bei 
LDOs klappt das auch ;-)

von ArnoR (Gast)


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> könnte man den Regler mit einem C am
> Ausgang versuchen zu dämpfen, 1n-100uF sollte man mal fix prüfen. Bei
> LDOs klappt das auch ;-)

Nee nee, bei LDOs funktioniert das so einfach nicht. Da dient der C zur 
Reduktion der Schleifenverstärkung durch einen Pol und muss unbedingt 
rechtzeitig mit einem passenden Serien-R, dem ESR des Kondensators, 
wieder "neutralisiert" werden, sonst schwingt die Schaltung.

Viel besser wäre es, die Verstärkung des INA durch Wahl kleinerer 
Ausgangswiderstände zu reduzieren und den Fet durch einen Source-R 
gegenzukoppeln.

von Hallodrius (Gast)


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Mit verschiedenen Kondensatoren an verschiedenen Stelle habe ich es auch 
probiert.
So richtig Stabil habe ich es aber nicht geschafft.
Der AD5410 wird mir gute Dienste leisten.
Ich kannte bisher nur den AD421 der mir einfach viel zu teuer war.

Gruß Hallodrius

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