Einstellbarer Linearregler

[B. S. (bestucki)]

Hallo zusammen

Bin gerade dabei, einen Spannungsregler aufzubauen. Kann das so wie im 
Anhang funktionieren oder lügt mich LTSpice an? Habe leider gerade nicht 
alle nötigen Bauteile parat um es zu testen, deshalb die Frage.

Die Spannungsquelle wird schlussendlich von einem uC gesteuert (Vsoll in 
der Simulation).
Vsoll=0V -> Ua=0V
Vsoll=5V -> Ua=12V

Der Regler muss nicht besonders schnell oder genau sein, es wird damit 
lediglich ein Lüfter gesteuert.

Danke für eure Antworten!

[Ayk N. (ayk-ohm)]

R1, R2 und R4 kommen weg.
Zwischen Emitter von Q2 und Masse sollte ein Widerstand von 10 - 100 
Ohm. Der ist vom Ausgangsstrom und der Stromverstärkung von Q1 abhängig.
Dann sollte das ganze stabiler laufen.

be stucki schrieb:
> Vsoll=0V -> Ua=0V
> Vsoll=5V -> Ua=12V

Der Spannungsteiler am Ausgang sollte ein Verhältnis von 7:5 haben,
z.B. 68k und 47k.

Ausgang
   |
  68k
   |
   + - OP Amp
   |
  47k
   |
 Masse

[B. S. (bestucki)]

Danke für deine Antwort. Habs mal so ausprobiert und es funktioniert 
wunderbar. Mir ist aufgefallen, dass, wenn der Innenwiderstand des 
Kondensators zu klein wird, der Regler beginnt zu schwingen. Ein zu 
grosser Widerstand macht jedoch keine Probleme. Ist dieses Verhalten 
normal?

Den Spannungsteiler am Ausgang werde ich wahrscheinlich noch ändern bzw. 
R7 durch ein Poti ersetzen. Daher habs ich mal so belassen.

EDIT:
Hab R3 und R8 auf 150R erhöht, da ansonsten bei einem Kurzschluss am 
Ausgang der Strom durch Q2 zu gross wird. Q1 würde das zwar so oder so 
nicht überleben...

[ArnoR (Gast)]

> der Regler beginnt zu schwingen. Ein zu grosser Widerstand macht jedoch
> keine Probleme. Ist dieses Verhalten normal?

Ja, ist es. Das ist das typische Verhalten der LowDrop-Regler. Der 
Ausgangskondensator ist entscheidender Bestandteil der 
Frequenzgangkorrektur und macht zusätzlich zum Regler (LM358) einen Pol 
im Frequenzgang, der durch den Serienwiderstand wieder aufgehoben werden 
muss (Nullstelle), bevor die Phasendrehung zu groß wird. Dies ist 
notwendig, weil die Schleifenverstärkung der gesamten Anordnung zu groß 
ist, um mit dem natürlichen Pol des LM358 allein die 
Stabilitätsbedingungen zu erfüllen.

[B. S. (bestucki)]

Danke für die Erklärung. Bin in Regelungstechnik nicht gerade der Hirsch 
und benötige manchmal einen Denkanstoss...

Werde die Schaltung dann so aufbauen und hier berichten, ob die 
Schaltung funktioniert. Dauert aber noch ne Weile bis zu meiner nächsten 
Bestellung.

[Klaus R. (klara)]

be stucki schrieb:
> Mir ist aufgefallen, dass, wenn der Innenwiderstand des
> Kondensators zu klein wird, der Regler beginnt zu schwingen. Ein zu
> grosser Widerstand macht jedoch keine Probleme. Ist dieses Verhalten
> normal?

In der Realität wirst Du Elkos mit 470 µF eher mit ESR-Werten weit über 
100 mOhm finden. Normale Elkos werden ESR-Werte von > 500 mOhm 
aufweisen. Näheres findest Du in den Datenblättern. Ein Kerko wäre hier 
wohl nicht angebracht.

Gruss Klaus.

[Hubert G. (hubertg)]

Viele Wege führen nach Rom.
Wenn du ohnehin vom µC aus ansteuerst, für PWM benötigt man weniger 
Bauteile und ist auch Stromsparender.

[Florian_unbekannto (Gast)]

ArnoR schrieb:
> Ja, ist es. Das ist das typische Verhalten der LowDrop-Regler. Der
> Ausgangskondensator ist entscheidender Bestandteil der
> Frequenzgangkorrektur und macht zusätzlich zum Regler (LM358) einen Pol
> im Frequenzgang, der durch den Serienwiderstand wieder aufgehoben werden
> muss (Nullstelle), bevor die Phasendrehung zu groß wird. Dies ist
> notwendig, weil die Schleifenverstärkung der gesamten Anordnung zu groß
> ist, um mit dem natürlichen Pol des LM358 allein die
> Stabilitätsbedingungen zu erfüllen.

Wieso macht denn ein zusätzlicher Widerstand eine Nullstelle? Versteh 
ich nicht. Das mit der Polstelle.... okay

[Florian_unbekannto (Gast)]

Meiner Meinung nach verschiebt der Widerstand doch bloß die 
Polstelle...Und zwar hin zu größeren Frequenzen..

[ArnoR (Gast)]

> Wieso macht denn ein zusätzlicher Widerstand eine Nullstelle?

Weil er das Teilerverhältnis mit zunehmender Frequenz auf das 
Widerstandsverhältnis begrenzt. Siehe Anhang

[Florian_unbekannto (Gast)]

Cool danke für die gute erklärung!!
Mit welchen Programm machst du solche coolen Frequenzgänge?

[Ayk N. (ayk-ohm)]

Das Programm heißt TINA und ist von TI.
http://www.ti.com/tool/tina-ti

[B. S. (bestucki)]

Hallo zusammen,

Ich muss das Thema wieder aufgreifen.

Aktueller Stand des Schemas:
Beitrag "Re: Einstellbarer Linearregler"
Ausser dass ich R3 und R8 auf 680R erhöht habe, um eine Strombegrenzung 
von ca. 2.5A zu erhalten (max. benötigter Ausgangsstrom: 1.5A).
Die Eingangsspannung habe ich neu auf 15V mit 10% Toleranz definiert 
(13.5...16.5V).

Nun will ich zusätzlich eine Leistungsbegrenzung einbauen, um das Ding 
idiotensicher zu machen. Aber nicht eine Begrenzung der 
Ausgangsleistung, sondern der Verlustleistung des Transistors Q1. Dies 
aus dem Grund, weil die Kühlung des Transistors für maximal 5W bei 
Ta=40°C ausgelegt wird. Dies ergibt zwar bei kleineren 
Ausgangsspannungen auch kleinere Ausgangsströme, aber das spielt in 
dieser Anwendung keine Rolle. Kleine Lüfter mit einer kleineren 
Betriebsspannung benötigen allgemein einen kleineren Strom (Ausnahmen 
vorbehalten).


Grundsätzlich sehe ich zwei Möglichkeiten:
1. Strom über einen Shunt und Spannungsabfall über Q1 mit dem 
Mikrocontroller messen und bei einer zu hohen Leistung Vsoll verringern.
-> einfach und gut, aber bei Programmabstürzen unzuverlässig.
2. Irgend eine analoge Schaltung. Multiplizierer kann man mit OPAMPs 
aufbauen, nur erscheint mir der Aufbau dessen für dieses Problem 
unangemessen (zu viele Bauteile).

Hat jemand eine andere oder bessere Idee? Noch zu erwähnen ist, dass 
sich insgesamt vier solcher Regler auf der Leiterplatte befinden. Daher 
sind eher güstige Lösungen mit wenigen Baiteilen wünschenswert.


Vielen Dank für eure Hilfe!

[ArnoR (Gast)]

> Hat jemand eine andere oder bessere Idee?

Du musst doch nicht Strom und Spannung messen und multiplizieren, um 
dein Vorhaben umzusetzen. Die Leistung ist doch bekannt (5W) und du 
brauchst daher nur die Spannung über dem Leistungstransistor messen und 
die Strombegrenzung mit dem Messsignal entsprechend steuern.

[B. S. (bestucki)]

ArnoR schrieb:
> Du musst doch nicht Strom und Spannung messen und multiplizieren, um
> dein Vorhaben umzusetzen.

Vielen Dank für deine Antwort. Ich denke schon, dass ich den Strom mit 
der Spannung multiplizieren muss. Dies wegen Tolernaz der 
Eingangsspannung.

Ua=10V
Ia=1A
Ue=13.5V -> Pv=3.5W
Ue=16.5V -> Pv=6.5W

Macht schon einen nennenswerten Unterschied.


Evt. wäre es sinnvoller, die Kühlung etwas zu überdimensionieren und 
einen fixen Ausgangslstrom in Abhängigkeit der Ausgangsspannung zu 
definieren. Dann kann ich halt bei tieferen Eingangsspannungen keine so 
hohen Ströme fliessen lassen, wie dies eigentlich möglich wäre. Dafür 
würde die Multiplikation wegfallen.

Um bei einer Eingangsspannung von 16.5V und einer Ausgangsspannung von 
12V bei 1.5A, müsste ich somit die maximal zulässige Verlustleistung auf 
6.75W erhöhen. Ergibt einen grösseren Kühlkörper, müsste aber machbar 
sein.

[ArnoR (Gast)]

> Ich denke schon, dass ich den Strom mit
> der Spannung multiplizieren muss. Dies wegen Tolernaz der
> Eingangsspannung.

Nein, musst du nicht. Wenn du die Spannung über dem Transistor 
(Uce=Ue-Ua) misst, ist Ue doch bereits mit drin.

[B. S. (bestucki)]

ArnoR schrieb:
> Nein, musst du nicht. Wenn du die Spannung über dem Transistor
> (Uce=Ue-Ua) misst, ist Ue doch bereits mit drin.

Ach ja, natürlich! Sorry, es ist Freitag Nachmittag :)

Aber ich hab ein anderes Problem, denn der Verlauf des Ausgangsstroms 
ist nicht linear:
Ia=P/(Ue-Ua)

Wie lös ich das analog mit OPAMPs? Oder hab ich ein Brett vor dem Kopf?

[ArnoR (Gast)]

> der Verlauf des Ausgangsstroms ist nicht linear: Ia=P/(Ue-Ua)
> Wie lös ich das analog mit OPAMPs?

Kann man mit OPVs machen, wenn`s unbedingt sein muss. Geht aber auch 
ohne ganz gut. Siehe Anhang.

Ich hab mal so eine Schaltung entworfen, weil`s mich auch interessiert 
hat. Der Mosfet ist da drin, weil ich in TINA keinen pnp-Darlington 
gefunden habe, sollte aber keinen großen Unterschied machen. T4 "misst" 
die Spannung über T2 und macht daraus einen Strom, der die Stromquelle 
T1 mehr oder weniger abregelt (deren Kollektorstrom ändert), was 
wiederum den Strombegrenzer T3 steuert. Die resultierende Leistung über 
T2 zeigt das Diagramm und sicher kann man das noch etwas optimieren.

[B. S. (bestucki)]

ArnoR schrieb:
> Kann man mit OPVs machen, wenn`s unbedingt sein muss. Geht aber auch
> ohne ganz gut. Siehe Anhang.

Vielen Dank für deine Schaltung, sieht sehr interessant aus. Werde ich 
mir merken.


Nach reichlichen nachdenken, habe ich mich entschieden, die Sache anders 
zu lösen:
Ich füge dem Regler eine einstellbare Strombegrenzung hinzu und steuere 
diese mit dem Mikrocontroller in Abhängigkeit der gemessenen 
Ausgangsspannung. Dies aus dem Grund, damit ich die Werte auch 
nachträglich ohne HW-Änderung anpassen kann und weil der 
Leistungstransistor so oder so thermisch überwacht wird und auch dort 
evt. ein Eingreifen des Mikrocontrollers nötig sein wird.

Die Sache wird zwar nicht besonders schnell sein, aber ich nehme an, 
dass mein Transistor max. 25W im Falle eines Kurzschlusses (16.5V bei 
1.5A) für einige ms unbeschadet überstehen wird. Im Datenblatt wird max. 
40W angegeben.

[ArnoR (Gast)]

> Nach reichlichen nachdenken, habe ich mich entschieden, die Sache anders
> zu lösen:
> Ich füge dem Regler eine einstellbare Strombegrenzung hinzu und steuere
> diese mit dem Mikrocontroller in Abhängigkeit der gemessenen
> Ausgangsspannung.

Dann regelst du aber nicht, wie oben gewünscht, die Leistung über dem 
Längsregler-Transistor, sondern die Ausgangsleistung, und Ue ist dann 
auch wieder nicht berücksichtigt.

[B. S. (bestucki)]

ArnoR schrieb:
> Dann regelst du aber nicht, wie oben gewünscht, die Leistung über dem
> Längsregler-Transistor, sondern die Ausgangsleistung, und Ue ist dann
> auch wieder nicht berücksichtigt.

Dass ich nicht regle, ist mir bewusst. Ich begrenze lediglich die 
Leistung im Trasistor, falls diese zu hoch ist (mit ein paar ms 
Verzögerung). Ist mehr ein Eingenschutz der Hardware, falls jemand den 
Ausgang kurzschliesst, eine zu kleine Last anschliesst oder ein anderer 
Fehlerfall auftritt. Die Betriebsspannung (13.5...16.5V) messe ich 
ebenfalls mit dem Mikrocontroller (sorry, hab ich im letzten Post 
unterschlagen). Den Shunt werde ich vernachlässigen.

Ist meiner Meinung nach die einfachste und felxibelste Lösung. Es gibt 
bestimmt sicherere und elegantere Lösugnen, aber irgendwann übersteigt 
der Aufwand den Nutzen. Werde den Schaltplan posten, sobald er fertig 
ist.

Vielen Dank an alle für eure Hife!

[Michael W. (Gast)]

ArnoR schrieb:
>> der Regler beginnt zu schwingen. Ein zu grosser Widerstand macht jedoch
>> keine Probleme. Ist dieses Verhalten normal?
>
> Ja, ist es. Das ist das typische Verhalten der LowDrop-Regler. Der
> Ausgangskondensator ist entscheidender Bestandteil der
> Frequenzgangkorrektur und macht zusätzlich zum Regler (LM358) einen Pol
> im Frequenzgang, der durch den Serienwiderstand wieder aufgehoben werden
> muss (Nullstelle), bevor die Phasendrehung zu groß wird. Dies ist
> notwendig, weil die Schleifenverstärkung der gesamten Anordnung zu groß
> ist, um mit dem natürlichen Pol des LM358 allein die
> Stabilitätsbedingungen zu erfüllen.

Ich habe eine Frage zu diesem Rand-Thema - vielleicht weiß da jemand 
Bescheid. Ein neuer Thread zahlt sich nicht wirklich aus.

Nach ein wenig Überlegung ist mir klar, dass der Ausgangskondensator 
eine zusätzliche nacheilende Phasendrehung verursacht und somit die 
Phasenreserve des OP kleiner wird ==> Schwingneigung.

Der kleine aber notwendige Serienwiderstand im Kondensator bewirkt eine 
Kompensation dieser Phasenderehung, sodaß diese bei genügend hohen 
Frequenzen eliminiert wird.

Das habe ich zwar nicht gewußt, ist aber irgendwie plausibel.

Wieso schreibt man aber oben:
Der
> Ausgangskondensator ist entscheidender Bestandteil der
> Frequenzgangkorrektur und macht zusätzlich zum Regler (LM358) einen Pol
> im Frequenzgang, der durch den Serienwiderstand wieder aufgehoben werden
> muss (Nullstelle), bevor die Phasendrehung zu groß wird.

Würde ich den C weglassen, hätte ich ja gar keine zusätzliche 
Phasendrehung und damit auch kein Stabilitätsproblem. Damit dieses NICHT 
auftritt, muss ich den C ja "schlechter" machen. Bei den mir bekannten 
Spannungsreglern (z.B. 7805) wird aber explizit verlangt, einen Tantal 
Elko an den Ausgang zu schalten - dieser hat aber gerade ein sehr 
kleines ESR. Wie passt das nun zusammen? Dies ist ja das genaue 
Gegenteil! Liegt das am unterschiedlichen Prinzip den diese Regler zur 
hier genannten Schaltung haben?

Danke+Grüße, Michael

[ArnoR (Gast)]

Die Antwort auf deine Fragen steht schon da:

> Dies ist
> notwendig, weil die Schleifenverstärkung der gesamten Anordnung zu groß
> ist, um mit dem natürlichen Pol des LM358 allein die
> Stabilitätsbedingungen zu erfüllen.



> Würde ich den C weglassen, hätte ich ja gar keine zusätzliche
> Phasendrehung und damit auch kein Stabilitätsproblem.

Falsch. Es braucht auch keine "zusätzliche" Phasendrehung, denn du hast 
die natürliche Phasendrehung des Spannungsreglers vergessen, die führt 
automatisch zum Schwingen, falls die Verstärkung bei Phi=180° >=1 ist. 
Und genau das ist bei diesen Reglern der Fall. Daher muss die 
Verstärkung steiler als normal abgesenkt werden, um vor den 180° die 
Verstärkung unter 1 zu bringen. Das macht der Ausgangskondensator. 
Leider geht das nicht ohne weitere Phasendrehung, und daher muss man 
dafür sorgen, dass die nicht zu groß wird (Reihenwiderstand). Das 
begrenzt natürlich auch die maximal mögliche Verstärkungsabsenkung.

[Michael W. (Gast)]

ja, ich glaube jetzt hab ich's: Ohne Kondensator kann es schwingen; mit 
C ziemlich sicher (da die Phase um 90° steigt); mit C+R wird die 
Schleifenverstärkung deutlich herabgesetzt und die Phase bleibt gleich 
=> Phasenreserve wird größer

Danke!