Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Konstantstromsenke - Regelteil: Hilfe bei Offsetunterdrückung OPAMP - Schaltplan!


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von Dennis (Gast)


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Hallo Leute!

Ich baue mir gerade eine Konstantstromsenke und simuliere diese gerade 
vorab mal. Ich denke, ich bekomme hier gerade ein paar Probleme mit den 
Offsetspannungen der OPs.

Bei 0V am Eingang links (diese Spannung soll von einer PWM kommen, ist 
hier aber durch eine fixe Spannungsquelle ersetzt), habe ich einen 
Stromfluss von 1,03A (in der Tabelle nicht ersichtlich, steht ganz 
oben). Das ist natürlich nicht so dolle. Aufbauen werde ich die 
Schaltung da natürlich so erstmal nicht.

Ich habe extra mal die Netzknoten sichtbar gemachtm damit man die 
einzelnen Spannungen sehen kann.

Da ich mir über die Offsets der OPs bewusst bin, habe ich schonmal die 
Widerstände R4, 9, 14 und 19 eingefügt, welche die OPs leicht vorspannen 
an seinem negativen Eingang. Er sollte dadurch theoretisch erstmal 
schließen.

Momentan ist da ein Wert von 2M4 drin, damit geht es nicht und selbst 
bei 1M2 ist der Strom noch ca. ein halbes Ampere hoch.

Erst wenn ich diese Widerstände massiv verkleinere, so auf 100k, dann 
bleiben die Transistoren geschlossen. Nachteil ist dann aber, dass ich 
einen viel größeren toten Bereich habe, indem ich erstmal die 
Eingangsspannung aufdrehen muss, damit überhaupt was fließt.

Das der LM358 eher ne Krücke ist, das weiß ich. Aber der isses nunmal 
jetzt.

An welchen Hebeln kann ich hier drehen, damit sich die Geschichte 
verbessert? Eine Frage z.B. noch zum Spannungsteiler R23/24 in 
Zusammenhang mit dem OP. Idealerweise füge ich ja auch in die 
Rückkopplung des OPs einen Widerstand ein, welcher identisch zum 
Widerstand am anderen Eingang sein sollte. Aber wie hoch in diesem Fall? 
die 3,09k? Wohl eher ein Mix aus beiden, oder?

Würde mich freuen, wenn mir jemand helfen kann!

Vielen Dank, Dennis

von ArnoR (Gast)


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> An welchen Hebeln kann ich hier drehen, damit sich die Geschichte
> verbessert?

Das Problem scheint die Sättigungsspannung von OP5 zu sein. Sein Ausgang 
liegt auf 30,38mV (Knoten 17), während Knoten 11 auf 14,5µV liegt. Mit 
einer zusätzlichen negativen Betriebsspannung (-1V reicht) für die OPVs 
sollte es gehen.

von Dennis (Gast)


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ArnoR schrieb:
> Das Problem scheint die Sättigungsspannung von OP5 zu sein. Sein Ausgang
> liegt auf 30,38mV (Knoten 17), während Knoten 11 auf 14,5µV liegt. Mit
> einer zusätzlichen negativen Betriebsspannung (-1V reicht) für die OPVs
> sollte es gehen.

Du hast Recht! Mit einer negativen Verosrgung an nur dem OP geht es 
schon. Aber wieso hat er denn 30,38mV an seinem Ausgang? Laut dem Output 
Voltage Swing aus dem DB sollte der Wert doch niemals so hoch sein?!

von Udo S. (urschmitt)


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Dennis schrieb:
> Das der LM358 eher ne Krücke ist, das weiß ich. Aber der isses nunmal
> jetzt.

Dann hast du das Problem nunmal jetzt.
Wo ist das Problem für einen Euro ordentliche OPs zu nehmen?

von Dennis (Gast)


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Udo Schmitt schrieb:
> Wo ist das Problem für einen Euro ordentliche OPs zu nehmen?

Nein, da ist kein Problem! Ich nehme gerne einen anderen, nur kann ich 
mit denen halt nicht Simulieren, weil meist nicht in der Simu dabei. 
Dachte, wenn ich die Schaltung selbst für den Krüppel auslegen kann, 
dann kann ja eighentlich nichts mehr schiefgehen.

Hast du nen Tip bezüglich des OPs? Ggf. einer der sogar in TINA TI mit 
drin ist?

Habe hier noch ein paar LT1014 liegen, die würden es garantiert bringen, 
aber wie gesagt, wollte es simulieren können.

Also OP-Vorschläge wären super.

von Dennis (Gast)


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Ich seh grad, dass der LT1013 in der Simulation mit drinne ist. Gibt es 
denn trotzdem Vorschläge, welche nicht gleich 8€/Stk. kosten? Irgendwie 
so ein Zwischending?

von Dennis (Gast)


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OK, schade - der LT1013 ist noch schlechter. Schaut mal bitte auf die 
Ausgangsspannung bei 0V Eingang. Ist das normal? Im DB steht, dass er 
bis auf wenige Millivolt an GND herankommt, jedoch das nur beim 
Aufnehmen von Strom. Nur eine Angabe über die Ausgangsspannung beim 
sourcen finde ich nichts.

Ich brauche wirklich andere OP

von ArnoR (Gast)


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Warum ziehst du den Ausgang von OP5 nicht mit einem niederohmigen 
Widerstand gegen Masse? Das sollte die Ausgangs-Low-Spannung deutlich 
verringern.

Außerdem wird deine Schaltung wohl schwingen, der LM358 kann den IRF540 
nicht ohne merkliche Phasendrehung treiben. Die Korrekturnetzwerke 
verschlimmbessern das nur und können bei Einsatz eines besser geeigneten 
OPV entfallen:
Beitrag "Re: Schaltplanreview und Fragen zu Dummy-Load"

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Dennis schrieb:
> ArnoR schrieb:
>> Das Problem scheint die Sättigungsspannung von OP5 zu sein. Sein Ausgang
>> liegt auf 30,38mV (Knoten 17), während Knoten 11 auf 14,5µV liegt. Mit
>> einer zusätzlichen negativen Betriebsspannung (-1V reicht) für die OPVs
>> sollte es gehen.
>
> Du hast Recht! Mit einer negativen Verosrgung an nur dem OP geht es
> schon. Aber wieso hat er denn 30,38mV an seinem Ausgang? Laut dem Output
> Voltage Swing aus dem DB sollte der Wert doch niemals so hoch sein?!

Es ist hilfreich, beim Lesen eines Datenblattes das Hirn eingeschaltet 
zu lassen. Jeder OPV - und sei er noch so teuer und noch so 
rail-to-rail - hat am Ausgang eine deutlich von 0 verschiedene 
Sättigungsspannung. Die 0V aus dem Datenblatt sind reines 
Marketinggeblubber.

Eingänge sind ein anderes Thema, die kann man so bauen, daß sie wirklich 
bis an die Rails (oder sogar ein Stück darüber hinaus) reichen. Ausgänge 
niemals. Wenn man näher als ~100mV an GND kommen will, braucht man eine 
negative Versorgungsspannung.

Die Frickel-Lösung besteht aus einem Widerstand vom OPV-Ausgang nach 
GND. Je kleiner man den macht, desto näher kommt der Ausgang an GND, 
desto höher ist aber auch die (dann unnötige) Strombelastung des 
OPV-Ausgangs bei von 0 verschiedener Ausgangsspannung.


XL

von Dennis (Gast)


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Axel Schwenke schrieb:
> Es ist hilfreich, beim Lesen eines Datenblattes das Hirn eingeschaltet
> zu lassen. Jeder OPV - und sei er noch so teuer und noch so
> rail-to-rail - hat am Ausgang eine deutlich von 0 verschiedene
> Sättigungsspannung. Die 0V aus dem Datenblatt sind reines
> Marketinggeblubber.

OK, kannst du mir denn sagen, anhand welcher Angaben ich das sehe?

von ArnoR (Gast)


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> OK, kannst du mir denn sagen, anhand welcher Angaben ich das sehe?

Das steht nicht im DB, sondern sollte auf Grund der bekannten 
Eigenschaften von Transistoren oder Mosfets jedem Elektroniker klar 
sein.

von Dennis (Gast)


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Ich denke langsam, dass ich ohne eine negative Versorgung nicht sinnvoll 
hinkommen werde, oder? Ich würde diese natürlich gerne vermeiden, aber 
es schafft scheinbar doch nur Probleme.

von ArnoR (Gast)


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> Ich denke langsam, dass ich ohne eine negative Versorgung nicht sinnvoll
> hinkommen werde, oder?

Du kannst OP5 als Besselfilter 2ter Ordnung schalten und mit der vollen 
PWM-Spannung arbeiten lassen. Das Herunterteilen auf die Steuerspannung 
der Stromsenken machst du am Ausgang mit einem Spannungsteiler. Damit 
wird auch die Sättigungsspannung von OP5 auf 1/15 runtergeteilt.

von Dennis (Gast)


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Kann mir denn jemand einen anderen OP empfehlen, welcher mit 
Single-Supply wenigstens so nah wie möglich an GND rankommt am Ausgang? 
Ich habe diesbezüglich schon oft gute Erfahrungen mit dem absoluten 
billig-OP MCP6004 gemacht, aber der kann nur bis 6V Versorgung, was 
wieder nicht reicht, um die FETs vernünftig aufzusteuern.

von Dennis (Gast)


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ArnoR schrieb:
> Du kannst OP5 als Besselfilter 2ter Ordnung schalten und mit der vollen
> PWM-Spannung arbeiten lassen. Das Herunterteilen auf die Steuerspannung
> der Stromsenken machst du am Ausgang mit einem Spannungsteiler. Damit
> wird auch die Sättigungsspannung von OP5 auf 1/15 runtergeteilt.

Das hört sich ja toll an, ist mir aber gleuabe ich etwas zu hoch - das 
verstehe ich ja schon beim lesen nicht.

von ArnoR (Gast)


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> Das hört sich ja toll an, ist mir aber gleuabe ich etwas zu hoch - das
> verstehe ich ja schon beim lesen nicht.

Ist doch ganz einfach. Jetzt filterst du das PWM-Signal vor dem OPV mit 
einem RC-Glied und teilst auch die Spannung schon runter. Der OPV 
arbeitet also mit sehr kleinen Signalspannungen.

Mein Vorschlag ist, den OPV als aktives Filter zu beschalten (sind nur 4 
BE) und mit der vollen PWM-Spannung (5V) arbeiten zu lassen und erst am 
Ausgang des OPV die Spannung runter zu teilen. Damit verringert sich 
auch die störende Restspannung.

von Dennis (Gast)


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ArnoR schrieb:
> Mein Vorschlag ist, den OPV als aktives Filter zu beschalten (sind nur 4
> BE)

Also meinst du das Konstrukt wie im Anhang?

ArnoR schrieb:
> vollen PWM-Spannung (5V)

Sind bei mir 3,3V, aber das tut ja nichts zur Sache

ArnoR schrieb:
> und erst am
> Ausgang des OPV die Spannung runter zu teilen.

Das wäre natürlich super.

Aber: Wo fange ich jetzt bei dem Filter an mit der Dimensionierung?

von MiWi (Gast)


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Dennis schrieb:
> OK, schade - der LT1013 ist noch schlechter. Schaut mal bitte auf die
> Ausgangsspannung bei 0V Eingang. Ist das normal? Im DB steht, dass er
> bis auf wenige Millivolt an GND herankommt, jedoch das nur beim
> Aufnehmen von Strom. Nur eine Angabe über die Ausgangsspannung beim
> sourcen finde ich nichts.
>
> Ich brauche wirklich andere OP

Nein, Du brauchst bei V_OP- eine negative Spannung und nicht nur 0V. 
setz die auf -5V und Du wirst sehen, daß der OP am Ausgang auf 0V 
herunterkommt.



-5V mit einem kleinen "IC" kostet auch nicht die Welt, ICL7660 oder ein 
als Oszilator geschalteter OP mit einer Dioden/Kondensator invertierung 
dahinter kostet nur ein par cent.

Grüße

MiWi

von Dennis (Gast)


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MiWi schrieb:
> Nein, Du brauchst bei V_OP- eine negative Spannung und nicht nur 0V.
> setz die auf -5V und Du wirst sehen, daß der OP am Ausgang auf 0V
> herunterkommt.

Ja, hab ich schon. Dann läuft alles prima!

MiWi schrieb:
> -5V mit einem kleinen "IC" kostet auch nicht die Welt, ICL7660

Das stimmt, den 7660 habe ich mir auch grad angeguckt.

von Bernd K. (bmk)


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Dennis schrieb:
> Kann mir denn jemand einen anderen OP empfehlen, welcher mit
> Single-Supply wenigstens so nah wie möglich an GND rankommt am Ausgang?

Der TS914 kommt out gut an die Rails, aber nur bei geringer Last
wegen CMOS.

von ArnoR (Gast)


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> Wo fange ich jetzt bei dem Filter an mit der Dimensionierung?

http://www.ti.com/lit/an/sloa093/sloa093.pdf

von Krangel (Gast)


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Mahlzeit,
vielleicht verstehe ich deine Schaltung nicht , aber für mit stimmt da 
was prinzipiell nicht. Wo die die Referenz? Normalerweise liegt am + 
Eingang der OpAmps die Referenz, über die Oder-Schaltung am - Eingang 
kann man die PWM anlegen.

Grüße Krangel

von Dennis (Gast)


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Nee, das passt schon. Die Referenz von 1,2V habe ich nur eh bei der 
Schaltung - diese verwende ich, um eine Vorspannung an den negativen 
Eingang zu legen. Eigentlich könnte hier auch jede normale positive 
Versorgung dran, hauptsache, es liegt ein Wert am negativen Eingang an, 
welcher größer als die Offsetspannungen der OPs ist. So ist 
sichergestellt, dass bei einem Eingang von 0V nicht schon durch die 
Offsets ein Strom fließt.

von Krangel (Gast)


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Referenz und Steuerspannung an einem Eingang? Wie soll das denn 
funktionieren?

von Krangel (Gast)


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Auf die schnelle zusammen geklickt, deshalb keine Funktionsgarantie.

Grüße Krangel

von Dennis (Gast)


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Krangel schrieb:
> Referenz und Steuerspannung an einem Eingang? Wie soll das denn
> funktionieren?

Nee, da siehst du was falsch. Die Steuerspannung kommt doch von "PWM" 
ganz links. Und die geht immer nur auf den positiven Eingang.

Am negativen ist die Rückkopplung + die Vorspannung.

von Krangel (Gast)


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Mit Steuerspannung meinte ich die Regelspannung von Shunt. Diese wird 
mit der Referenz verglichen. Die PWM schaltet den Strom nur ein und aus.

von Dennis (Gast)


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Krangel schrieb:
> Die PWM schaltet den Strom nur ein und aus.

Nein, mit der PWM erzeuge ich eine variable Steuerspannung. Das ist hier 
jetzt grad nur nicht alles mit im Schaltplan.

von Krangel (Gast)


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Hi,
sorry, habe die Schaltung wirklich nicht richtig gecheckt.

Krangel

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Die unerwünscht hohe Low-Ausgangsspannung (30,38mV) von OP5 kommt daher,
dass der zuständige Low-Side-Ausgangstransistor des LM358 als BJT eine
gewisse Sättigungsspannung hat, die durch die Belastung durch den Bias-
Strom von OP1 eher noch zunimmt.

Die logische Folgerung wäre also, für OP5 einen Opamp mit Mosfet-Ausgän-
gen zu nehmen, denn der Mosfet hat keine Sättigungsspannung wie der BJT,
sondern zeigt bei voller Ansteuerung näherungsweise ohmsches Verhalten.
Wird der Ausgang nur wenig belastet (also nur mit dem Eingangsstrom des
nachfolgenden Opamps), wird theoretisch auch die Ausgangsspannung sehr
niedrig.

Nimmt man für OP1 einen Opamp mit (MOS-)FET-Eingang, wird der Ausgang
von OP5 praktisch überhaupt nicht belastet, und die Ausgangsspannung
sollte theoretisch 0 werden.

Also nimmt man einfach statt des LM358 für alle Opamps CMOS-Typen, und
der Käse ist gegessen, oder?

So weit die Simulation und die Theorie. In der Praxis sieht die Sache –
wie so oft – etwas anders aus. Ich habe von jeweils mehreren Exemplaren
von unterschiedlichen Opamp-Typen zwei Spannungsfolger hintereinander
geschaltet, die Schaltung mit 9V/0V versorgt, an den Eingang 0V angelegt
und die Ausgangsspannung des ersten der beiden Opamps (entspricht OP5)
gemessen:

Der TLC272/274 schneidet als CMOS-Typ wie erwartet sehr gut ab:

  TLC272:  0,1 mV
  TLC274:  0,3 mV

Aber auch der Bipolar-Opamp LM358/324 macht eine wesentlich bessere
Figur als in der Simulation:

  LM324:   0,7 mV
  LM324:   1,3 mV
  LM324:   1,8 mV
  LM358:   2,2 mV
  LM358:   3,3 mV
  LM358:   4,7 mV
  LM358:   5,6 mV

Das ist deutlioch weniger als die 30 mV in der Simulation. Das Spice-
Modell verhält sich in diesem Fall wohl ausnahmsweise recht pessimis-
tisch.

Ein anderer CMOS-Opamp, der TS912 (als TS914 auch in vierfach erhält-
lich), enttäuscht hingegen sehr:

  TS912:  21,2 mV
  TS912:  27,8 mV
  TS912:  29,8 mV

Vermutlich sperrt der High-Side-Ausgangs-Transistor nicht vollständig,
so dass am leitenden Low-Side-Transistor ein relativ hoher Spannungsab-
fall entsteht. Dieser bleibt nämlich auch dann bestehen, wenn man den
Ausgang vom Eingang des zweiten Opamp trennt und damit garantiert keine
Belastung mehr existiert.

Diese Ergebnisse sind natürlich nur als Stichproben zu sehen und können
bei anderen Exemplaren derselben Opamp-Typen wieder anders aussehen.
Aber da die Ergebnisse des TS912 trotz CMOS so signifikant schlechter
als die des TLC272 und des LM358 sind, würde ich den TS912 auf keinen
Fall nehmen, den LM358 mit Vorsicht genießen und dafür den TLC272 in die
engere Auswahl ziehen.

Dennis schrieb:
> OK, schade - der LT1013 ist noch schlechter.

Wo kommt die negative Versorgungsspannung V_OP- von OP5 her? Falls der
Anschluss offen sein sollte, würde die hohe Ausgangsspannung nicht über-
raschen :)

von Dennis (Gast)


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Yalu X. schrieb:
> Wo kommt die negative Versorgungsspannung V_OP- von OP5 her? Falls der
> Anschluss offen sein sollte, würde die hohe Ausgangsspannung nicht über-
> raschen :)

Nein, der ist natürlich nicht offen. Da war zur Simulation mal GND oder 
eben eine negative Versorgung dran.

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