Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Verständnisfragen zum Schaltplan eines Netzteils (PPS 5330)


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von Maxim S. (maxim) Benutzerseite


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Ich möchte ein eigenes Labornetzteil mit Strombegrenzung aufbauen. Bei 
der Suche nach Vorlagen bin ich auf das PPS 5330 gekommen. Der 
Schaltplan kann öffentlich bei ELV heruntergeladen werden. Ich poste 
hier zunächst nur den Hauptteil (ohne uC und Bedienung).

Bisher habe ich noch nicht verstanden, wie die Strom-/Spannungsregelung 
funktioniert. IC5C und IC5B messen offensichtlich den Spannungsabfall an 
den Shunts bzw. die Ausgangsspannung. Diese Information geht an den uC 
(U-Mess und I-Mess). Der uC gibt per PWM an I-Soll und U-Soll die 
Spannung bzw. max. Stromstärke vor.

Nicht mehr so klar ist mir nun, was zwischen IC4B und IC3B bzw. zwischen 
IC4C und IC3A passiert. Zur Vereinfachung möchte ich zunächst nur die 
Spannungsregelung betrachten:
- R45, R46, R47, R48, C32, C32, C30 bilden einen Tiefpassfilter höherer 
Ordnung, richtig? Was macht die relativ hohe Kapazität C33?
- Wofür wird die -5V-Leitung durch den 22K Widerstand R51 angezapft?
- Angenommen die Ausgangsspannung sinkt durch eine Last. Am Ausgang von 
IC3A liegen dann zunächst +5V an. Wie kommt diese Spannung durch den D11 
an die Basen der Endstufe? Die Diode ist ja in Sperrichtung eingebaut.

von Route_66 (Gast)


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Hallo!
Die Strom- und spannungsregelung funktionieren vollständig unabhängig 
vom Mikroprozessorteil. Wenn die Sollwertgeber (IC4) durch Potis ersetzt 
werden, hat man ein normales Labornetzgerät.
Der µC-Teil macht nur die Anzeige und die Vorgabe der Sollwerte. 
Außerdem ergeben sich Überwachungsmöglichkeiten Bsp. Temperatur des 
Kühlkörpers.

von Maxim S. (maxim) Benutzerseite


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Danke. Das ist mir klar. Ich versuche eben genau den Analogteil zu 
verstehen.

von Route_66 (Gast)


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Maxim S. schrieb:
> - Angenommen die Ausgangsspannung sinkt durch eine Last. Am Ausgang von
> IC3A liegen dann zunächst +5V an. Wie kommt diese Spannung durch den D11
> an die Basen der Endstufe? Die Diode ist ja in Sperrichtung eingebaut.

Der Trick bei diesen Strom-/Spannungsreglern von Labornetzgeräten ist 
immer die Konstantstromquelle die die Endstufe maximal aufsteuern kann 
(hier mit T1). Die Regelverstärker für Strom bzw. Spannung (hier IC3) 
"stehlen" diesen Strom über die entsprechende Diode (D11 bzw. D12) dem 
Treiber, und sperren somit die Endstufe! Die Dioden kann man, wenn der 
Strom durch T1 passt, auch als LEDs aufbauen und sieht gleich, ob 
Konstantstrom- oder Konstantspannungsbetrieb ist.

von Maxim S. (maxim) Benutzerseite


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Ich habe T1, R1, R2, R3 nicht als Konstantstromquelle erkannt und 
dachte, dass dies mit C17 nur eine Einschaltverzögerung für die Endstufe 
ist.

Meiner Rechnung nach fließt durch R1 ein Strom von 8mA. Im Datenblatt 
des TIP142 (T2 bis T4) steht unter "Emitter cut-off current" 2mA. D.h. 
die vier Transistoren T2 bis T4 werden gerade an der Schaltgrenze 
gehalten, oder?

Wenn jetzt z.B. die Ausgangsspannung sinkt, sinkt damit auch die 
Spannung an Pin 2 von IC3A. Damit steigt die Spannung an Pin 3. Wie soll 
das T2 bis T4 beeinflussen, wenn D11 im Weg ist?

von Route_66 (Gast)


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Maxim S. schrieb:
> Meiner Rechnung nach fließt durch R1 ein Strom von 8mA. Im Datenblatt
> des TIP142 (T2 bis T4) steht unter "Emitter cut-off current" 2mA. D.h.
> die vier Transistoren T2 bis T4 werden gerade an der Schaltgrenze
> gehalten, oder?

Der Strom könnte in der Größenordnung stimmen. Cut-off current ist etwas 
anderes. Solltest Du selbst rausfinden (Buch, G**gle, wiki...).
Für die Funktion ist hier die Stromverstärkung wichtig. Die liegt beim 
TIP142 bei mindestens 1000.

Maxim S. schrieb:
> Wenn jetzt z.B. die Ausgangsspannung sinkt, sinkt damit auch die
> Spannung an Pin 2 von IC3A. Damit steigt die Spannung an Pin 3. Wie soll
> das T2 bis T4 beeinflussen, wenn D11 im Weg ist?

Dann fließt MEHR Strom von T1 in die Basen von T2..T4, und WENIGER Strom 
von T1 durch D11 zum IC3A. Die TIP142 werden stärker ausgesteuert und 
die Ausgangsspannung steigt.
Wenn die Ausgangsspannung des Netzteils steigt, genau umgekehrt: der 
Operationsverstärker zieht über D11 mehr Strom von T1 und für T2..T4 
bleibt weniger Basisstrom. Sie sperren mehr und die Ausgangsspannung 
steigt nicht weiter.

von Andrew T. (marsufant)


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Maxim S. schrieb:
> Ich habe T1, R1, R2, R3 nicht als Konstantstromquelle erkannt und
> dachte, dass dies mit C17 nur eine Einschaltverzögerung für die Endstufe
> ist.

Geanu das ist auch der Zweck von C17. Er verschafft beim Einschalten den 
OPv eine kleinen zeitlichen Vorsprung, um das Überschwingen (bei 
unbelastetem ausgang) zu vermeiden oder zumindest stark zu reduzieren.

C17 Kannst Du weglassen, und den Effekt schön beobachten.

Danach C17 bitte wieder einbauen.


>
> Meiner Rechnung nach fließt durch R1 ein Strom von 8mA. Im Datenblatt
> des TIP142 (T2 bis T4) steht unter "Emitter cut-off current" 2mA. D.h.
> die vier Transistoren T2 bis T4 werden gerade an der Schaltgrenze
> gehalten, oder?

cut_oof: nein, da hat route_66 ja schon was zu besagt.

die ca. 8mA passen, und sorgen dafür das auch bei Leistungstransistoren 
mit Beta am unteren Toleranzende das LNG noch zuverlässig funktioniert 
für max. Ausgangsstrom.

>
> Wenn jetzt z.B. die Ausgangsspannung sinkt, sinkt damit auch die
> Spannung an Pin 2 von IC3A. Damit steigt die Spannung an Pin 3. Wie soll
> das T2 bis T4 beeinflussen, wenn D11 im Weg ist?

s.o. von route_66 erklärt.

von Maxim S. (maxim) Benutzerseite


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Es war ein Denkfehler von mir. Natürlich fließt mehr Strom durch T2 ... 
T4, wenn die Spannung an der Kathode von D11 steigt.

Dann funktioniert das so, dass nach einem starken Abfall der 
Ausgangsspannung bei voller Gegensteuerung des Spannungsreglers bis zu 
8mA durch die Basen von T2 ... T4 fließen? (Unter der Annahme, dass der 
Stromregler nicht eingreift.) Mit einem Verstärkungsfaktor von ca. 1000 
würde also ein Strom von 8A durch alle vier Transistoren (bzw. 2A pro 
Transitor, idealisiert) fließen?

Das Netzteil ist für max. 3A ausgelegt (bzw. der Stromregler begrenzt 
den Strom bei 3A). Ich frage mich, warum dann vier TIP142 verbaut sind, 
wo doch schon einer von denen 10A führen kann? Max. Leistung ist 125W @ 
25°C. Der Trafo ist für max. 150W ausgelegt. Eigentlich würden also zwei 
TIP142 reichen, oder? Mir geht es nur um das Verständnis, nicht um 
Kosteneinsparung oder sowas.

: Bearbeitet durch User
von Andrew T. (marsufant)


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Maxim S. schrieb:
> Mir geht es nur um das Verständnis, nicht um
> Kosteneinsparung oder sowas.

super, dann guckst Du :Datenblatt, Stichwort SOA @ 35V Uce des TIP142.

Stellst Du fest: Uiii! isse nix mehr mit 125W @ DC belastigung.

folgerst Du: geht mit einem nix gut, musse haben 4.

hast Du dann: Guuuuutes Desein.


capiche?!

von Amateur (Gast)


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Ist doch gar nicht so schwierig.
Eine Last vorausgesetzt.
Die Haupttransistoren T2...T5 werden über die Widerstände R6...R9 
angesteuert.
Der Ausgangsstrom erzeugt an den Widerständen R10...R17 (je 0,5 Ohm) 
einen proportionalen Spannungsabfall.
Dieser geht über die Widerstände R18...R21 an zwei Verstärker.
Der obere (IC5) scheint für die Anzeige/Ausgabe zuständig zu sein.
Der untere Verstärker (IC3) arbeitet als Komparator.
Er vergleicht den Sollwert (Spannungen), vorgegeben durch IC4 mit dem 
gemessenen Strom.
Überschreitet der gemessene Strom den Sollwert, so wird die 
Basisspannung über R6...R9 reduziert und damit der Strom begrenzt. 
Logisch, das dabei die Ausgangsspannung zusammenbricht.
Oder so ähnlich...

von Harald W. (wilhelms)


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Andrew Taylor schrieb:

> super, dann guckst Du :Datenblatt, Stichwort SOA @ 35V Uce des TIP142.

Selbst wennes den zweiten Durchbruch nicht gäbe, brauchte man dann
einen wesentlich grösseren Kühlkörper.
Gruss
Harald

von Andrew T. (marsufant)


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Harald Wilhelms schrieb:
> Andrew Taylor schrieb:
>
>> super, dann guckst Du :Datenblatt, Stichwort SOA @ 35V Uce des TIP142.
>
> Selbst wennes den zweiten Durchbruch nicht gäbe, brauchte man dann
> einen wesentlich grösseren Kühlkörper.

Harald, das ist mal wieder Nonsens den Du hier von dir gibst.

von Ulrich (Gast)


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Die SOA Kurve gibt für den TIP142 immer noch etwas über 2 A. Einer 
reicht also nicht aus, aber 2 könnten im Prinzip schon ausreich. 
Allerdings ist die SAO Kurve für extrem gute Kühlung, d.h. 25 C 
Gehäusetemperatur.
Real wird der Kühlkörper heißer. Auch wird die Stromaufteilung nicht 
perfekt sein. Etwas Reserve ist da nicht schlecht.

Heutzutage sind Halbleiter auch nicht mehr so teuer - da kann es 
günstiger sein 1 oder 2 Transistoren mehr zu nehmen und dafür beim 
Kühlkörper zu sparen. Der Aufwand von 2 auf 4 Transistoren zu gehen ist 
ja wirklich gering.

von Harald W. (wilhelms)


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Andrew Taylor schrieb:

>> Selbst wennes den zweiten Durchbruch nicht gäbe, brauchte man dann
>> einen wesentlich grösseren Kühlkörper.
>
> Harald, das ist mal wieder Nonsens den Du hier von dir gibst.

Bei hohen Leistungen spielt der Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht
und Montagefläche eine immer grössere Rolle in der Gesamtwärmebilanz.
D.h. der Temperaturunterschied zwischen Kühlkörper und Sperrschicht
ist bei vier Transistoren nur halb so groß wie bei zwei.
Gruss
Harald

von Maxim S. (maxim) Benutzerseite


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Muss mich zum Thema SOAR einlesen ...

MOSFETs haben keinen zweiten Durchbruch (positiver 
Temperaturkoeffizient). Warum baut man so eine Endstufe mit 
Bipolartransistoren auf? Dass das Stromverstärkungsprinzip bei MOSFETs 
so nicht funktioniert ist mir klar. Dennoch könnte man ja die 
Gate-Spannung nach einem sehr ähnlichen Verfahren durch OpAmps steuern.

: Bearbeitet durch User
von Maxim S. (maxim) Benutzerseite


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Ich würde so etwa sechs TIP142 parallel schalten. Macht es Sinn, acht 
davon zu kaufen und dann zu selektieren? Wie würde man die Selektierung 
machen? Den Emitterstrom bei konstantem Basisstrom messen? Also nach dem 
Verstärkungsfaktor selektieren?

: Bearbeitet durch User
von Andrew T. (marsufant)


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Maxim S. schrieb:
> Ich würde so etwa sechs TIP142 parallel schalten. Macht es Sinn, acht
> davon zu kaufen und dann zu selektieren? Wie würde man die Selektierung
> machen? Den Emitterstrom bei konstantem Basisstrom messen? Also nach dem
> Verstärkungsfaktor selektieren?

Antwort auf alle Fragen: Nein, da unnötig.

von Maxim S. (maxim) Benutzerseite


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Andrew Taylor schrieb:
> Antwort auf alle Fragen: Nein, da unnötig.

Hm, einerseits muss man darauf achten, dass sich der Strom möglichst 
Gleichmäßig auf alle Transistoren verteilt (Emitterwiderstände, 
Basiswiderstände) und dass diese thermisch gut gekoppelt sind. 
Andererseits ist eine Selektion unnötig. Dabei könnte man durch 
Selektion die Emitterwiderstände wahrscheinlich kleiner wählen.

von Ulrich (Gast)


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Sofern die Transistoren aus einer Charge sind, sollte es ohne 
selektieren gehen. Bei verschiedenen Quellen / Herstellern sollte man 
ggf. schon mal nachmessen.

Zum Selektieren kommt es halt auf eine gleichmäßige Stromverteilung an - 
da ist vor allem die Basis - Emitterspannung, weniger der 
Verstärkungsfaktor wichtig.

von Maxim S. (maxim) Benutzerseite


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Ulrich schrieb:
> Zum Selektieren kommt es halt auf eine gleichmäßige Stromverteilung an -
> da ist vor allem die Basis - Emitterspannung, weniger der
> Verstärkungsfaktor wichtig.

Da hast du wohl Recht, da die Basen aller Transistoren an einer 
gemeinsamen Stromquelle sitzen.

von Ralph B. (rberres)


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Solange bei maximalen Strom an den Emitterwiderstände mindestens 0,7V 
abfallen, ist ein Selektieren der Transistoren unnötig. Durch die 
Stromgegenkopplung , welches durch die Emitterwiderstände erzwungen 
wird, teilt sich der Strom immer nahezu gleichmäßig auf.

Bipolare Transistoren sind hier besser einsetzbar, da die 
Emitter-Basisspannung nur 0,6V beträgt, bei einen Fet aber mehrere Volt. 
Dementsprechend müssten dann auch mehrere Volt an den Sourcewiderstände 
abfallen, um eine wirksame Stromgegenkopplung zu bekommen, und darüber 
wieder eine gleichmäßige Stromaufteilung zu garantieren.


Ralph Berres

von Maxim S. (maxim) Benutzerseite


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Wie kann man die Widerstände für R10 ... R17 berechnen?

von Ralph B. (rberres)


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Maxim S. schrieb:
> Wie kann man die Widerstände für R10 ... R17 berechnen?

Teile den maximalen Gesamtstrom durch die Anzahl der Widerstände.

Teile dann 0,6V durch den vorher errechneten maximalen Strom der durch 
den einzelnen Widerstand fließt. ( also 0,6V/ I-R10 ). Das ist der Wert 
den der Widerstand haben sollte. Nehme den nächst höhreren Wert aus der 
E12 Reihe.

Multipliziere den errechneten Strom des einzelnen Widerstandes mit den 
0,6V um die Belastbarkeit des Widerstandes zu errechnen.

Ralph Berres

von MaWin (Gast)


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Maxim S. schrieb:
> Warum baut man so eine Endstufe mit Bipolartransistoren auf?

Weil sich MOSFETs im Linearbetrieb nicht so gut parallel schalten 
lassen, die Stromverteilungswiderstände müssten WESENTLICH grösser 
werden als bei Bipolartransistoren (ca. 10-facher Widerstandswert also 
10 mal grössere Leistung).

von Sebastian B. (007boris)


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Wir hatten dieses Netzteil damals in der Schule aufgebaut. Von den 
TIP142 lassen sich in der Schaltung nur max. 2 parallel schalten, da die 
Regelung sonst nicht hinter herkommt und die Basen schnell genug sperrt. 
Bei 4 Transistoren kannst du im Kurzschlussfall gleich 4 neue einbauen. 
Habe mein Netzteil immer noch in Gebrauch, allerdings mit verbessertem 
Kühlkonzept. 3A mit 30V sind damit möglich. Man sollte aber immer ein 
paar Transistoren Ersatz haben, falls mal was passiert.

von Maxim S. (maxim) Benutzerseite


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Sebastian B. schrieb:
> Von den
> TIP142 lassen sich in der Schaltung nur max. 2 parallel schalten, da die
> Regelung sonst nicht hinter herkommt und die Basen schnell genug sperrt.

Hm, guter Hinweis. Laut Datenblatt beträgt der max. zulässige 
Spitzenstrom 20A. Das könnte durch 1,5Ohm Emitterwiderstände erreicht 
werden. Da ich eh acht TIP142 parallel schalten möchte, würde das einem 
Gesamtwiderstand von 187mOhm entsprechen. Damit wäre der angepeilte 
Maximalstrom von 20A auf jeden Fall machbar. Sprechen außer den rel. 
hohen el. Verlusten noch andere Gründe gegen so hohe Emitterwiderstände?

Eventuell würde auch eine größere Kapazität am Ausgang den OPV mehr Zeit 
zum Reagieren geben, wobei dann die Strombegrenzung natürlich träger 
wird.

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