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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Seltsames Verhalten eines OPs


Autor: Ruediger Britzen (Gast)
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Hallo zusammen,

nachdem ich mich jetzt zwei volle Tage vergeblich mit einem
Operationsverstärker herumgeärgert habe, möchte ich Euch gerne an
meinem Problem teilhaben lassen... :-)

Ich versuche, einen Stromregler zu bauen. Dabei gebe ich eine
Sollwertspannung am nicht-invertierenden Eingang des OPs vor und kopple
die, über einem vom zu regelnden Strom durchflossenen Shunt, abfallende
Spannung auf den invertierenden Eingang zurück. Der Ausgang des OPs ist
über einen Treibertransistor mit einem FET verbunden, dessen
Drain-Source-Widerstand so den Strom unabhängig von der Spannung regeln
soll (vgl. Schaltplan).

Simuliert im Circuit Maker 2000 funktioniert die Schaltung. IRL
passiert folgendes: Unabhängig vom vorgegebenen Sollwert (auch 0V) geht
der Ausgang des OPs sofort in die positive Sättigung und schaltet damit
den FET voll durch. Ziehe ich die Basis des NPN-Transistors hart auf
Masse, messe ich bei 10V Betriebsspannung am Ausgang des OPs 9,8V, am
nicht-invertierenden Eingang (bei 0V Sollwertvorgabe) ca. 50 mV und am
invertierenden Eingang um die 130 mV.

Ich habe keine Ahnung, warum das Teil sich so verhält. Der TL084 ist
ein vierfach-OP von TI, der explizit für Single-Supply-Anwendungen
vorgesehen ist. Einen Bauteildefekt schließe ich auch aus, da zwei
andere TL084 dasselbe Verhalten zeigen.

Hat jemand von Euch eine Idee, was ich da falsch mache? Besten Dank
schon mal!

Gruß, Rüdiger

Autor: Danny (Gast)
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Wenn der OP keine negative Spannung (also z.B. +/- 15V) hat hann er am
Ausgang auch keine 0V bringen. Der OP besteht intern ja aus jeder
Menge Transistoren und daher fallen immer ein paar mV ab.
Habe ich selbst schonmal erfahren müssen. Außerdem würde ich keinen
FET zum Stromregeln verwenden sondern einen einen NPN-Leistungs-
transistor. FETs eignen sich eigentlich nur zum Schalten oder bei
PWM-Anwendungen.
Versuche es daher mal mit einer neg. Versorgungsspannung und einem
anderen Transistor. In der Simulation funktioniert viel wenn der Tag
lang ist, vor allem wenn die Simulation von idealen Bauteilen ausgeht,
die es in der realität nicht gibt ;-)

Autor: Christoph Kessler (Gast)
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Der TL084 kann zwar in der Nähe der positive Spannung noch fuktionieren,
aber nicht an der negativen Spannung. Dafür eignet sich eher der
pinkompatible LM324, der bis etwa 0,7V an die untere Spannung
herankommt. Wenn man noch einen Pull-down-Widerstand  an seinen Ausgang
schaltet, kann er hochohmig praktisch bis 0 Volt herunter liefern. Aber
eine negative Betriebsspannung ist auf jeden Fall sicherer, nimm doch
so einen ICL7660 (bis 6V) oder die pinkompatiblen für höhere Spannung
ICL7662 oder LT1054 mit zwei Elkos, das sind drei Bauteile zusätzlich.
Der OP braucht ja nicht viel Strom.

Autor: Wiesi (Gast)
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Dem kann ich nur zustimmen. Wenn du dir das Datenblatt der TL084
ansiehst, wirst du feststellen (unter "Maximum peak output voltage
swing"), dass der minimale Ausgangsspannung bei +-15V Versorgung laut
datenblatt nur garantierte +-10V bei 10k Last erreicht.

Der LM324 ist für solche Anwendungen besser. Er erreicht laut
Datenblatt 20mV Ausgangsspannung. Man muss aber beachten, dass er diese
niedrige Spannung nur halten kann, wenn der Ausgangsstrom rund 30µA
nicht übersteigt. darüber steigt die Ausgangsspannung drastrisch auch
ein paar 100mV an.

Dass FETs nur zum Schalten und damit z.B. für PWM Anwendungen gut sind,
stimmt nicht. Setzt man FETs in solchen Stromquellen ein, hat man sogar
einen Vorteil gegenüber der gleichen Schaltung mit Bipolartransistoren,
denn bei diesen beeinträchtigt der Basisstrom das "Messergebnis" des
OPVs, da dann IB*(B+1) durch den Messwiderstand fließen aber nur IB*B
durch den Kollektor.
Darüber hinaus kann man sogar normale AB Audio-Endstufen mit FETs
aufbauen (wenn man einige Dinge beachtet).
Richtig ist jedoch, dass viele MOSFETs für Schaltanwendungen entwickelt
werden, was aber nicht heißt, dass sie nicht im linearen Bereich
betrieben werden können.

   Wiesi

Autor: senex24 (Gast)
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In einer ähnlichen Schaltung verwende ich als OP den CA3140, schenke mir
aber den bipolaren Treibertransistor (welche Funktion soll der haben?)
und steuere einen BUZ11 direkt an.

Autor: Ruediger Britzen (Gast)
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In einer ähnlichen ELV-Schaltung wird ein TLC277 verwendet, der (ich
habe eben nachgesehen) auch bei Single-Supply bis 0V am Ausgang liefern
kann. Ich hatte unter Single-Supply die Eigenschaft Rail-To-Rail
verstanden. Ihr habt mich erst drauf gebracht, mal ein wenig genauer
den TI-Selection-Guide und die FAQ der dse zu lesen. Bevor ich jetzt
mit anderen R-R-OPs anfange, wird es wohl wirklich das einfachste sein,
einen ICL7660 "nachzurüsten".

Vielen Dank, Ihr habt mir sehr geholfen!!

Gruß, Rüdiger

Autor: Ruedi Wiesendanger (Gast)
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@Ruediger Britzen:

Ich würde mein Konzept ganz neu überdenken ...

1. Wie schon gesagt ist der TL084 NICHT für eine Speisung mit nur
einer Versorgungsspannung geeignet.Der LM358 (2-Fach) oder der
LM324 (4-fach) ist dafür wesentlich besser geeignet.

2. Ist der bipolare Transistor überflüssig.

3. Die Spannung an der Source deines FET's hat den gleichen Wert wie
deine Spannung am Nichtinvertierenden Eingang des OP-Amps.Das kann
mit deiner Speisung für deinen FET mit 1.2 Volt NIE funktionieren !!
Deshalb würde ich die Spannung von 12 Volt verwenden.

4.Jetzt regelst Du den Stom auf maximum (5V am Eingang):
 I=U/R --> 5V / 0.05 Ohm = 100 A. Willst Du das wirklich so machen ?
 Am 0.05 Ohm Widestand hast Du eine Verlustleistung von:
 P=I*I*R --> 100 A   100 A  0.05 Ohm = 500 W !
 P=U*I --> 5V * 100 A = 500 W !

Viele Grüsse
Ruedi

Autor: Christoph Kessler (Gast)
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Ja der Messwiderstand muß hohe Verlustleistung können, das ist normal.
Allerdings sind 500Watt etwas viel, soll die Schaltung wirklich soviel
liefern?
Zum Thema Spannungs-Stromwandler gibts eine Applikation von
www.national.com im Datenblatt zum Leistungs-OP LM675, die der
Schaltung hier sehr ähnlich sieht. (Farnell hat den LM675 soweit ich
weiß im Programm.)

Autor: Ruediger Britzen (Gast)
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@Ruedi

Hallo, Namensvetter, nun:

zu 1.)
Wie ich schon schrieb, werde ich dem TL084 eine negative Spannung
mittels ICL7660 verpassen, so dass sich das Problem damit erübrigt.

zu 2.)
Da bin ich mir nicht so sicher. Wenn ich das Gate umladen möchte, ist
das doch über den 10k Widerstand am Ausgang des OPs etwas träge. Das
schafft die Stromquelle aus dem Bipolar-Transistor in Kombination mit
dem 100 Ohm-Widerstand deutlich schneller, ohne den OP zu belasten.

zu 3.)
Hm, warum sollte das nicht funktionieren? Über den Widerstand fallen
maximal 0.5 V (bei 10 A) ab. Diese Spannung wird auf den
nicht-invertierenden Eingang zurückgekoppelt. Die restliche Spannung
(zwischen 0.8 und 15V) fällt dann über der Drain-Source-Strecke ab. Ich
kann da auch keine beliebige Spannung anlegen, da das ganze einen
Stromregler für ein Entladegerät darstellt, und die 1,2V nunmal die
Akku-Spannung repräsentieren.

zu 4.)
Der größte Sollwert am Eingang des OPs ist 0.5 V. Damit erhalte ich
dann einen Strom, den mir der OP (hoffentlich) auf 10A (= 0.5V/(0.05
Ohm)) regelt. Der Shunt ist bei Kühlkörpermontage auf bis zu 10W
Verlustleistung ausgelegt.

Gruß, Rüdiger

Autor: Danny (Gast)
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@Weisi:
Naja, meine FETs konnten das lineare nicht leiden und haben sich ins
Nirvana verabschiedet. Ich bin außerdem auch von den Konstantern (zw.
50 und 150A) ausgegangen, die ab und an zur Reparatur auf dem Tisch
liegen und da sind immer Bipolare Transen verbaut.
Lasse aber gerne meinen horizont erweitern und ist somit angekommen.
;-)

Gruß Danny

Autor: Arno H. (Gast)
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Das Problem kann nur an der fehlenden negativen Versorgungsspannung
liegen. Das Datenblatt (National) weist als minimale Eingangsspannung
ca 2V über dem negativen Anschluss aus.
Die Ausgangsspannung muss bedingt durch die Schwellenspannung des FET
plus Basis-Emitterspannung des BJT im Bereich von mindestens 2-4V
liegen.

Arno

Autor: Christoph Kessler (Gast)
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Das ist die Schaltung mit LM675, sie hat den Vorteil, daß der
Verbraucher auf Masse liegt. Die Steuerspannung muß allerdings nach
minus gehen. Der Messwiderstand soll hier 10 Watt können.
Ich habe damit einen YIG-Oszillator angesteuert, der braucht eine
lineare Stromänderung zur Frequenzeinstellung.
Die Steuerspannung habe ich am nichtinvertierenden Eingang über einen R
angelegt, dann gehts mit positiver Spannung.

Autor: Ruedi Wiesendanger (Gast)
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Sorry,

habe den Punkt bei 0.5 V übersehen ....

So sollte es mit einem geeigneten OP-Amp
auch mit nur einer Speisung gehen ...

Autor: Sebel De Tutti (Gast)
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Das ganze ist so vermutlich auch instabil, da du durch parasitäre
Elemente im Feedbackpfad eine Verzögerung drinnhast. Also solltest Du
evt. noch einen kleinen Kondensator zwischen den Ausgang des OPs und
den negativen eingang schalten (ausprobieren, wenige 100 pF).

Autor: Ruediger Britzen (Gast)
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@Christoph:
Der LM675 schafft leider nur 3A. Da ich Ströme bis 10A benötige, kann
ich diesen Baustein leider nicht verwenden.

@Sebel:
Danke für den Tip, das hat mir wahrscheinlich weitere zwei Tage
erspart... :-)

Ich werde jetzt mal die Reichelt-Bestellung fertig machen und mich dann
wieder melden. Ich wünsche einen guten Rutsch!

Gruß, Rüdiger

Autor: Unbekannter (Gast)
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Also:

Erstens: Einen anderen OPV wählen, wurde schon öfters gesagt. Der OPV
muss mit dem Ausgang nicht nur bis auf 0 Volt runtergehen, sondern die
Eingänge müssen bei 0 Volt auch noch funktionieren. Das ist nicht bei
allen OPVs so!

Zweitens: R1, Q1 und R2 ersatzlos wegstreichen und den Mosfet direkt
mit R3 an den Ausgang des OPV ranhängen. Das Problem an diesem
Emitterfolger ist, dass das ein weiterer Pol in die Regelstrecke ist
und somit die 180° Phasendrehung früher erreicht wird. Und zur
Stromverstärkung brauchst Du den Folger nicht, weil der Fet mit einer
Spannung gesteuert wird.

Drittens: Bandbreite einschränken. Entweder nimmst Du einen ausreichend
kompensierten OPV, oder R3 entsprechend dimensionieren dass er mit dem
entsprechend Fet einen ausreichenden Tiefpass erzeugt, oder einen
Tiefpass in die Rückkopplung, oder die Verstärkung des OPV begrenzen,
oder, oder, oder. Auf jeden Fall muss die Schleifenverstärkung bei der
180° Phasenverschiebung bei unter 1 liegen, sonst schwingt Dir die
ganze Sache natürlich wie die Sau.
Den positiven Eingang über einen RC-Tiefpass direkt am OPV zu führen
schadet auch nichts, um eingefangene Störungen zu bedämpfen.

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