Hallo,
ich simuliere mir in LTSpice eine elktronische Last (Grafik
"schaltplan.png") welche ich mir gerne aufbauen möchte, geplant ist sie
bis etwa 20W einstellen zu können.
Der grundlegende Aufbau ist wie folgt:
1. Per µC wird eine PWM (1 kHz, 5V) ausgebenen
2. Die PWM wird per RC-Tiefpass 2. Ordnung (Platzhalter, da muss ich
nochmal ran, denke ich) in eine Gleichspannung gewandelt und auf den
nicht-invertierenden Eingang eines OPVs gegeben
3. In Abhängigkeit von der Vergleichsspannung steuert der OPV einen
N-Kanal FET so an, dass an einem Shunt in Reihe zum FET 0.2V abfallen
4. Die über dem Shunt abfallende Spannung wird mit einem
nichtinvertierenden Verstärker abgegriffen, um 25 verstärkt und auf den
invertierenden Eingang des OPVs aus 2. gegeben
Somit sollte gelten:
Das Problem ist jetzt, dass bei niedrigem Tastgrad der PWM diese Formel
nicht stimmt.
Bei t_on = 15µs erhälte ich z.B. den in Grafik "PWM_15us.png"
dargestellten Verlauf von Eingangsspannung und Shuntstrom.
Man kann sehen, dass die geglättete PWM etwa 85mV liefert, rein
rechnerisch durch den Shunt also 34mA fließen müssten. Tatsächlich sind
es im Mittel aber nur 1.225µA (wahrscheinlich nichtmal "echter" Strom
sondern irgendein Bias/Offset/Rauschen?).
Erhöhe ich nun t_on auf 16µs (Grafik "PWM_15us.png") so steigt der Strom
plötzlich an, liegt aber mit im Mittel 4,7mA immer noch deutlich unter
den rechnerischen 36mA.
Erhöhe ich t_on weiter so bessert sich das Bild immer weiter, bei t_on =
250µs (Grafik "PWM_250us.png") erhalte ich dann 550mA am Shunt,
rechnerisch müssten es 552mA sein.
Mit anderen Worten, je höher der Tastgrad ist, umso niedriger wird die
prozentuale Abweichung des simulierten Shuntstroms vom berechneten
Shuntstrom, ab etwa t_on = 250µs ist er dann in einem Bereich, der mir
vernachlässigbar erscheint.
Nun glaube ich nicht, dass die Schaltung das macht, um mich zu ärgern.
Stattdessen wird es dafür sicherlich einen guten Grund geben,
irgendeinen Parameter, den ich nicht bedacht habe, irgendein falsch
dimensionierten Bauteil o.ä., ich komme allerdings nicht darauf, daher
meine Frage:
Kann mir jemand sagen was dafür sorgt, dass der Shuntstrom bei niedrigem
Tastgrad massiv abweicht? Und was kann ich tun, um das zu umgehen?
Und ganz allgemein, was kann ich verbessern, was sollte ich ändern?
Viele Grüße
Daniel
Edit: Ich mache das Ganze übrigens auch, um mich mal mit OPVs zu
beschäftigen, die für mich bisher immer "Magie" waren.
Daniel H. schrieb:> Kann mir jemand sagen was dafür sorgt, dass der Shuntstrom bei niedrigem> Tastgrad massiv abweicht?
Deine Schaltung ist ein Musterbeispiel dafür wie es nicht geht. 25-fache
Verstärkung in der Regelschleife eines nur grenzwertig 1-stabilen OPV,
dazu noch einen schönen Tiefpass aus R2 und M1, haha, sehr witzig. Du
hast die Schaltung rein statisch ausgelegt und von der Dynamik überhaupt
keinen Schimmer.
Such mal hier im Forum nach "elektronische Last" oder so und lies dir
die ~1000 Threads durch, da ist das alles besprochen worden.
Hallo,
auch wenn mir der Ton etwas missfällt (sorry, dass ich experimentiere
und versuche dabei zu lernen), der Begriff "Regelschleife" in
Kombination mit "Verstärkung" und "OPV" hat mich deutlich
weitergebracht.
Die Verstärkung hatte ich eingebaut um auf das Spannungsniveau der PWM
zu kommen. Soweit ich das verstehe ist das extrem schlecht, da dadurch
die Schwingneigung der Schaltung massiv erhöht wird.
Daher wäre es also wohl sinnvoller, die Regelschleife über eine direkte
Rückkopplung vom Shunt zu zu machen und das Niveau der PWM, z.B. per
Spannungsteiler abzusenken, oder?
Viele Grüße
Daniel
Daniel H. schrieb:> Die Verstärkung hatte ich eingebaut um auf das> Spannungsniveau der PWM zu kommen.
Nachvollziehbar - aber in diesem Falle keine gute Idee.
> Soweit ich das verstehe ist das extrem schlecht, da> dadurch die Schwingneigung der Schaltung massiv erhöht> wird.
Von "...neigung" kann schon fast nicht mehr gesprochen
werden, eher von Schwing-Zwang :-)
(Stetige) OPV-Schaltungen sind im Prinzip Regelkreise,
und Stabilitätsbetrachtungen sind in der Regelungstechnik
das Thema. Übliches Hilfsmittel für OPVs ist das
Bode-Diagramm. - So, nun hast Du genug Suchworte :-)
> Daher wäre es also wohl sinnvoller, die Regelschleife> über eine direkte Rückkopplung vom Shunt zu zu machen> und das Niveau der PWM, z.B. per Spannungsteiler> abzusenken, oder?
Ja. - Wobei ich für meinen Teil den Tiefpass als aktives
Filter auslegen würde (ggf. Sallen-Key-Tiefpass) und mit
einer negativen Betriebsspannung dafür sorgen würde, dass
man wirklich bis auf Null kommt. Das ist aber nur meine
persönliche Meise; Du kannst es natürlich anders machen.
@ ArnoR (Gast)
>Deine Schaltung ist ein Musterbeispiel dafür wie es nicht geht. 25-fache>Verstärkung in der Regelschleife eines nur grenzwertig 1-stabilen OPV,
Bitte? Der LM358 ist ein gutmütiges Arbeitspferd.
>dazu noch einen schönen Tiefpass aus R2 und M1, haha, sehr witzig. Du>hast die Schaltung rein statisch ausgelegt und von der Dynamik überhaupt>keinen Schimmer.
Du gibst dir alle Mühe, möglichst bald so wie MaWin zu sein, zumindest
vom Tonfall. Herzlichen Glühstrumpf!
Hallo,
vielen Dank für eure Ratschläge. Leider ist pünklich am Samstag meine
Internetverbindung ausgefallen, der Techniker kommt heute, so dass ich
hoffe, dass ich dann meinen aktuellen Stand etwas besser darlegen kann.
Ich habe es nun wie vorgeschlagen umgesetzt, d.h. die Spannung wird
direkt am Shunt abgegriffen und über 10kOhm an den invertierenden
Eingang von U1 gegeben, so dass U2 nebst Beschaltung wegfällt.
Dafür wird nun die gefilterte PWM-Spannung per Spannungsteiler auf den
nicht-invertierenden Eingang von U1 gegeben, der Spannungsteiler ist so
eingestellt, dass bei Tastgrad 1 0,2V abfallen, so dass sich maximal ein
Strom von 2A durch R3 ergibt, R3 ist mit 2W spezifiziert so dass der
Strom unkritisch ist.
Das PWM-Filter habe ich nach einigem Lesen, wie vorgeschlagen, durch
einen Sallen-Key-Tiefpass 2.Ordnung ersetzt, der zusätzliche
Bauteilaufwand zum vorherigen Tiefpass ist 0, da ich ebenfalls zwei R
und zwei C benötige und der zusätzliche LM358 nun durch Wegfall von U2
frei wurde. Da ich jedoch noch einen OPV brauche um die Spannung am
Shunt per µC-ADC auszuwerten werde ich wohl einen LM324 oder einen
TLC274 nehmen (was Anderes habe ich nicht da).
Eine Frage noch zum Filter und den verwendeten Widerständen. Da ich
aktuell keine Grafik habe möchte ich diese an dieser Grafik schildern:
> http//commons.wikimedia.org/wiki/File:Sallen-Key_Lowpass_Example.svg
Als Widerstände habe ich 56kOhm für R1 und R2 vorgesehen. Wenn ich in
der Simulation vor R1 eine Spannung von 0V anlege, d.h. der Tastgrad der
PWM 0 ist, dann zeigt die Simulation, dass hinter R1, d.h. dort wo die
Rückkopplung mit C1 erfolgt, eine Spannung von einigen hundert µV
abfällt, was in Folge dafür sorgt, dass über dem Shunt kontinuierlich
einige hundert µA abfallen. Verkleinere ich R1 und R2 auf 10kOhm, so ist
der Spannungsabfall kontinuierlich 0V. Insgesamt ist das für mich nicht
störend, da der Fehlerstrom unterhalb der Auflösegenauigkeit der PWM
liegt und ich durch den FET ohnehin Leckströme habe, es würde mich nur
die Ursache interessieren.
Kann mir jemand erklären, womit das zusammenhängt? Simuliert Spice auch
Widerstandsrauschen o.ä., das hier zum Tragen kommen könnte, oder
handelt es sich dabei um Leckströme aus dem OPV?
Viele Grüße
Daniel
Falk Brunner schrieb:> eines nur grenzwertig 1-stabilen OPV,>> Bitte? Der LM358 ist ein gutmütiges Arbeitspferd.
Naja, schau dir mal das angehängte Bild an. Als gutmütig würde ich das
bestimmt nicht bezeichnen. Es gibt OPV, die unter den gleichen
Bedingungen ein ordentliches Signal abliefern.
>>dazu noch einen schönen Tiefpass aus R2 und M1, haha, sehr witzig. Du>>hast die Schaltung rein statisch ausgelegt und von der Dynamik überhaupt>>keinen Schimmer.>> Du gibst dir alle Mühe, möglichst bald so wie MaWin zu sein, zumindest> vom Tonfall. Herzlichen Glühstrumpf!
Fein, dass du wieder was gefunden hast um mich zurechtzuweisen, scheint
dir in letzter Zeit ziemlich wichtig zu sein, du lässt ja nicht die
kleinste Gelegenheit aus, dich mir gegenüber als Aufpasser aufzuspielen.
Von dir hab ich übrigens schon ganz andere Sachen gelesen.
Und der TO kann doch in seiner Simulation klar sehen, dass die Schaltung
schwingt, nur hat er das komplett ignoriert. Um der Sache auf den Grund
zu gehen, hätte er nur "OPV" und "Schwingen" in eine Suchmaschine oder
die Suche hier im Forum eingeben brauchen, oder irgendeinen Artikel über
OPV oder Stromsenken/elektronische Lasten lesen müssen. Aber das scheint
ja zuviel verlangt, genauso wie eine vernünftige Zeitachse im Diagramm
(z.B. bis 0,2s).
Daniel H. schrieb:> handelt es sich dabei um Leckströme aus dem OPV?
Natürlich. Der OPV hat einen gewissen Biasstrom, der erzeugt eben einen
Spannungsabfall an den Widerständen, was dann zu einen
Eingangsdifferenzspannung führt, weil am anderen Eingang keine solche
Spannung auftritt, da dort kein Widerstand im Biasstrompfad liegt. Zur
Kompensation sorgt man also dafür, dass beide Eingänge denselben
Gleichstromwiderstand "sehen".
ArnoR schrieb:> Und der TO kann doch in seiner Simulation klar sehen, dass die Schaltung> schwingt, nur hat er das komplett ignoriert.
Nein, ich habe nicht realisiert, dass die Schaltung schwingt sondern
eher in Richtung einer falsch dimensionierten PWM-Filterung oder
Frequenzkompensation gedacht. Nach den ganzen Antworten hier ist mir das
Problem mittlerweile völlig klar und auch vollkommen einleuchtend, woher
es kommt, und dass und warum man es so nicht machen sollte.
ArnoR schrieb:> Aber das scheint> ja zuviel verlangt, genauso wie eine vernünftige Zeitachse im Diagramm> (z.B. bis 0,2s).
Sonst kriegt man hier einen drüber wenn Bilder als zig MB große BMPs
angehängt werden oder wenn man von Schaltungen nur Ausschnitte zeigt.
Also liefer ich lieber etwas mehr Informationen. Das ist jetzt also auch
schlecht.
ArnoR schrieb:> Daniel H. schrieb:>> handelt es sich dabei um Leckströme aus dem OPV?>> Natürlich. Der OPV hat einen gewissen Biasstrom, der erzeugt eben einen> Spannungsabfall an den Widerständen, was dann zu einen> Eingangsdifferenzspannung führt, weil am anderen Eingang keine solche> Spannung auftritt, da dort kein Widerstand im Biasstrompfad liegt. Zur> Kompensation sorgt man also dafür, dass beide Eingänge denselben> Gleichstromwiderstand "sehen".
Vielen Dank für die Erklärung.
Daniel H. schrieb:> Sonst kriegt man hier einen drüber wenn Bilder als zig MB große BMPs> angehängt werden
Wo hab ich MB-große Bilder verlangt?
> Also liefer ich lieber etwas mehr Informationen.
Im Gegenteil, die Bilder liefern sogar weniger Infos als bei
vernünftiger Zeitauflösung. So wie oben kann man gar nichts erkennen,
außer das es schwingt, alles ab 0,2s ist überflüssig.
> Das ist jetzt also auch schlecht.
Schlecht ist, dass du mir das Wort im Munde umdrehen willst.
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