Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Composite Howland-Stromquelle mit OPA541


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von Jens Jensen (Gast)


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Hallo,

ich würde gern eine Stromquelle auf Basis der Howland-Stromquelle bauen.
Ich hatte bei TI noch einen interessanten Artikel zu dem composite 
Amplifier gefunden und dachte ich könnte die Howland-Stromquelle mit 
zwei Verstärkern aufbauen (siehe Abbildung), um die Eigenschaften 
(Rauschen, Offsetspannung, Bandbreite usw.) estwas zu verbessern.

Die Stromquelle soll bei einer Eingangsspannung von 30V einen 
Ausgangsstrom von 3A liefern. Aus diesem Grund habe ich den Widerstand 
R7 mit 10 Ohm festgelegt. Ich würde für den OPV U2 den OPA541 verwenden 
wollen, da dieser einen Ausgangstrom von 5A liefern kann. Dieser 
Verstärker hat ja nur die Aufgabe, den Strom bereitzustellen. Der OPV U1 
soll ja die eigentliche Funktion übernehmen.

Meine Fragen sind:

- Wie genau muss ich den OPV U2 dimensionieren, also welche Paramter 
sind da wichtig?

- muss der OPV U2 eine Versorgungsspannung von mindestens 30V besitzen 
oder kann ich diese auch kleiner einstellen, sodass trotzdem die 
Funktion gewährleistet ist?

Ich hoffe ihr könnt mir helfen. Es tut mir leid, wenn diese Fragen etwas 
zu einfach oder zu dumm sein sollten, bin neu in der Elektronik 
unterwegs.

Gruß
Jens

von Possetitjel (Gast)


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Jens Jensen schrieb:

> ich würde gern eine Stromquelle auf Basis der
> Howland-Stromquelle bauen.

Warum?

Also, ich meine: Welche konkrete Anwendung hast Du?
Und warum muss es die Howland-Schaltung sein?

> Ich hatte bei TI noch einen interessanten Artikel
> zu dem composite Amplifier gefunden und dachte ich
> könnte die Howland-Stromquelle mit zwei Verstärkern
> aufbauen (siehe Abbildung), um die Eigenschaften
> (Rauschen, Offsetspannung, Bandbreite usw.) estwas
> zu verbessern.

"Composite Amplifier" sind vom Prinzip her cool, aber
tückisch. Die Schwingneigung ist größer als bei normalen
einstufigen Verstärkern. Zwei OPV in derselben Rückkoppel-
schleife geht nur bei speziellen Vorkehrungen gut.

Dazu kommt, dass die Howland-Schaltung bei einigen Leuten
(z.B. bei mir) einen schlechten Ruf aufgrund ihrer
Schwingneigung hat. Ich denke, beides zusammen führt in
Deiner Anwendung zu einem Reinfall.

> Die Stromquelle soll bei einer Eingangsspannung von 30V
> einen Ausgangsstrom von 3A liefern.

Steuerspannung 30V ist schonmal schlecht; das halten viele
OPV nicht aus --> runterteilen (Spannungsteiler).

von senke (Gast)


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Ich frage mich gerade: Wie willst Du die 3A an insgesamt 15Ohm bei nur 
30V Spannungsversorgung zustande bekommen?

von ths (Gast)


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Eine Howland-Quelle stellt hohe Anforderungen an die Toleranz der 
verwendeten Widerstände und ist besch...eiden abzugleichen. Sowas habe 
ich 1986 auf Drängen meines damaligen Chefs mal gemacht: Nie wieder!

Da gibt es deutlich bessere und einfachere Konzepte!

Muss die Quelle bipolar sein?

von Possetitjel (Gast)


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ths schrieb:

> Eine Howland-Quelle stellt hohe Anforderungen an die
> Toleranz der verwendeten Widerstände und ist besch...eiden
> abzugleichen. Sowas habe ich 1986 auf Drängen meines
> damaligen Chefs mal gemacht: Nie wieder!

Schließe mich an.

Wir haben das (auch infolge Zwang durch den Chef) in einem
Messgerät verbaut (Messkanal für Impedanzmessung); das war
eine Stromquelle für AC mit zwei OPVs nach Howland-Prinzip.

Die Quelle war unter bestimmten Bedingungen nicht stabil.
Das Problem haben mehrere Leute gründlich untersucht (unter
anderem auch ich); die Ursache wurde nie gefunden.

von ths (Gast)


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Daß war auch für ein Messgerät mit verschiedenen Strömen. Am Schluss 
waren 17 Potis drin. Grauenhaft.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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ths schrieb:
> Eine Howland-Quelle stellt hohe Anforderungen an die Toleranz der
> verwendeten Widerstände

Die Abweichung des Ausgangsstrom vom theoretischen Wert liegt in der
Größenordnung der Ungenauigkeiten der verwendeten Widerstände. Im
Vergleich zur Schaltung mit Opamp, Transistor und Shunt ist die
Howland-Schaltung hauptsächlich deswegen ungenauer, weil sie fünfmal so
viele Widerstände enthält, was bei ungünstigem Zusammenspiel der
Einzelfehler zu einem fünffachen Gesamtfehler führt. Wenn die Schaltung
ohne Abgleich eingesetzt werden soll, sollte man deswegen um der Faktor
5 enger tolerierte Widerstände verwenden.

Die Opamp-Transistor-Shunt-Schaltung hat allerdings den Vorteil, dass
Bauteiltoleranzen keinen negativen Einfluss auf die Lastunabhängigkeit
des Ausgangsstroms haben. Bei der Howland-Schaltung erreicht man diese
Lastunabhängigkeit nur mit eng tolerierten Widerständen oder durch
Abgleich.

Es hängt halt vom Anwendungsfall ab, ob der Ausgangsstrom nur konstant
oder zusätzlich auch noch genau sein muss. Im zweiten Fall braucht man
bei beiden Schaltungen genaue Widerstände oder einen Abgleich.

> und ist besch...eiden abzugleichen.

Der Abgleich ist relativ einfach in zwei Schritten machbar:

1. Man legt am Eingang und Ausgang dieselbe Spannung an. Die Spannung
   sollte möglichst hoch gewählt werden, aber natürlich nur so hoch,
   dass der Opamp noch innerhalb seiner Spezifikation arbeitet. Mit R5
   stellt man dann den gewünschten Ausgangsstrom für die gewählte
   Eingangsspannung ein.

2. Dann schließt man den Ausgang kurz und stellt mit R1 erneut den
   gewünschten Strom ein.

Schritt 1 sorgt für die richtige Transkonduktanz Ia/Ue, Schritt 2 für
die Lastunabhängigkeit von Ia.


Possetitjel schrieb:
> Die Quelle war unter bestimmten Bedingungen nicht stabil.

Die Schaltung neigt zum Schwingen, wenn der Lastwiderstand deutlich
größer als R1+R4 ist. Man sollte also R1 und R4 ausreichend hochohmig
wählen. Auch induktive Komponenten in der Last sind schlecht für die
Stabilität.

In den allermeisten Fällen hat die Howland-Stromquelle gegenüber der
Opamp-Transistor-Shunt-Schaltung aber keine Vorteile, sondern nur
Nachteile, weswegen sie auch nur sehr selten eingesetzt wird.

Wenn die Antwort auf die Frage

ths schrieb:
> Muss die Quelle bipolar sein?

"nein" lautet, würde ich von der Howland-Schaltung absehen. Für einen
uniploaren Ausgangsstrom würde ich aber auch in der Howland-Schaltung
nicht den schweineteuren OPA541, sondern einen gewöhnlichen Opamp mit
einem dicken Transistor (Darlington oder Mosfet) für die
Stromverstärkung nehmen.

von Possetitjel (Gast)


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Yalu X. schrieb:

> Die Schaltung neigt zum Schwingen, wenn der
> Lastwiderstand deutlich größer als R1+R4 ist. Man
> sollte also R1 und R4 ausreichend hochohmig wählen.

Mag sein.

Ich halte es generell für eine sehr mäßige Idee, eine
OPV-Schaltung mit stetigem Sollverhalten als MITGEKOPPELTE
Struktur aufzubauen.
Das schreit geradezu nach Ärger.

Ich weiss wohl, dass Mitkopplung z.B. auch beim
Sallen-Key-Filter zu finden ist; dort weist aber jedes
anständige Buch darauf hin, dass die Struktur nicht für
höhere Polgüte geeignet ist.
Wenn man schon glaubt, mitkoppeln zu müssen, sollte man
wenigstens nicht bis auf 0.01% an die Stabilitätsgrenze
herangehen.

Dann noch - wie in unserem Falle geschehen - zwei OPVs
in der Mitkopplungsschleife unterzubringen ist mMn
sträfliche Dummheit.

> Auch induktive Komponenten in der Last sind schlecht
> für die Stabilität.

Das kam bei uns noch dazu: Die Last konnte deutliche
Blindanteile haben.

von Marian (phiarc) Benutzerseite


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Yalu X. schrieb:
> In den allermeisten Fällen hat die Howland-Stromquelle gegenüber der
> Opamp-Transistor-Shunt-Schaltung aber keine Vorteile, sondern nur
> Nachteile, weswegen sie auch nur sehr selten eingesetzt wird.

Ich sehe den hauptsächlichen Anwendungsfall in einigermaßen genauen 
Stromquellen, wo die Last auf Masse hängen muss.

von ths (Gast)


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Die Howland - Stromquelle hat es in die Literatur geschafft - und da 
bleibt sie dann halt auch für die nächsten hundert Jahre. Man kann sie 
halt auch so schön rechnen.

Aber es ist ein Elend, wenn die Last - wie in unserem Fall an einem 
Widerstandsmessgerät - induktive Anteile hat. Dann isses vorbei mit der 
Glückseligkeit, nur zwei Potis bedienen zu müssen. Da einige dekadisch 
gestaffelte Ströme erzeugt werden sollten, gab das ein erstklassige 
Abgleichorgie: In dem Fall konnte man von einer Stromquäle sprechen.

Kurz und gut: Das Ding ist nicht so einfach, wie es aussieht. Ich bleibe 
dabei: Nie wieder!

Spannungsquelle - Transsitor oder Leistungsendstufe - Shunt mit 
Instrumentenverstärker - Regler, das ist der Weg.

Wenn der Shunt zwischen Last und FE sein darf, reicht ein OP an Stelle 
des Instrumentenverstärkers.

von Jens Jensen (Gast)


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Okay, also neigt die Howland-Stromquelle zur Instabilität und als 
composite Amplifier erst recht. hmmmmm..., okay.

Ihr habt von der "Opamp-Transistor-Shunt-Schaltung" gesprochen, meint 
ihr diese Schaltung (Anhang:Stromquelle) oder eine andere? Wenn ihr eine 
andere meint, könntet ihr mir eine gute Quelle für diese Schaltung 
geben, damit ich mich da etwas informieren kann?

Gruß Jens

von thomas s (Gast)


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Das ist gedruckter Murks aus dem Tietze-Schenck.

Nochmal die Frage: Muss der Strom bipolar sein oder reicht unipolar, was 
die Geschichte deutlich vereinfacht? Muss die Last direkt an GND hängen 
oder darf ein Shunt dazwischen sein?

von Jens Jensen (Gast)


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Die Stromquelle sollte bipolar sein bei einer schwimmenden Last.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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ths schrieb:
> Aber es ist ein Elend, wenn die Last - wie in unserem Fall an einem
> Widerstandsmessgerät - induktive Anteile hat.

Wobei man sagen muss, dass induktive Lasten ein generelles Problem bei
Konstantstromquellen, nicht nur bei der Howland-Quelle, sind. Das liegt
daran, dass die Induktivität ein Tiefpassverhalten in der Gegenkopplung
verursacht. Wenn man die Last ungefähr kennt, kann man deren negative
Einflüsse kompensieren, das geht aber auch bei der Howland-Quelle.

Jens Jensen schrieb:
> Ihr habt von der "Opamp-Transistor-Shunt-Schaltung" gesprochen, meint
> ihr diese Schaltung (Anhang:Stromquelle) oder eine andere?

Ich dachte eigentlich an die unipolare Variante dieser Schaltung, die
nur mit einem einzelnen Opamp auskommt. Das wäre der Schaltungsteil
bestehend aus OV2, T1 und R1. Aber die Quelle soll ja bipolar sein.

thomas s schrieb:
> Das ist gedruckter Murks aus dem Tietze-Schenck.

Ist die Schaltung wirklich so schlimm?

Je nach Typ der Mosfets gehören in die beiden Schaltungsteile rechts
noch passende Widerstände und Kondensatoren gegen das Überschwingen hin,
aber sonst?


Jens Jensen schrieb:
> Die Stromquelle sollte bipolar sein bei einer schwimmenden Last.

Meinst du mit "schwimmend", dass die Last keinen Massebezug braucht?

Evtl. reicht dann diese sehr einfache Schaltung aus dem Wikpedia-Artikel

  https://de.wikipedia.org/wiki/Konstantstromquelle#Mit_Operationsverst.C3.A4rker

die linke Schaltung in dieser Abbildung:

  https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/28/Quelle_I-OPV.svg

Natürlich brauchst du auch hier einen Opamp, der den recht hohen
Ausgangsstrom liefern kann. Außerdem solltest du vor den Eingang einen
Spannungsteiler schalten, damit der Spannungsabfall an R_M nicht zu hoch
wird.

Aber auch hier stellt sich die Frage nach induktiven Komponenten in der
Last. Außerdem sind der maximale Spannungsabfall an der Last und die
geforderte Genauigkeit und Bandbreite für die Auslegung der Schaltung
von Bedeutung. Du schriebst eingangs etwas von Rauschen. Ist das
Rauschen bei einer so einer dicken Stromquelle wirklich ein Thema?

von Marian (phiarc) Benutzerseite


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Yalu X. schrieb:
> thomas s schrieb:
>> Das ist gedruckter Murks aus dem Tietze-Schenck.
>
> Ist die Schaltung wirklich so schlimm?
>
> Je nach Typ der Mosfets gehören in die beiden Schaltungsteile rechts
> noch passende Widerstände und Kondensatoren gegen das Überschwingen hin,
> aber sonst?

Es gibt ja noch ein paar mehr Schaltungen der "wir messen den 
Versorgungsstrom eins Op-Amps und machen was damit" und die waren bei 
mir bisher eher alle Murks. Die hier sieht so aus, als könnte sie, mit 
ein paar kleinen Verbesserungen, tatsächlich halbwegs funktionieren für 
Ausgangsstrom >>> Ruhestrom.

von Dieter W. (dds5)


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Marian B. schrieb:
> ... tatsächlich halbwegs funktionieren für Ausgangsstrom >>> Ruhestrom.

Die Schaltung ist schon ziemlich tricky.

Der Ausgangsstrom ist tatsächlich der skalierte durch R3 fließende 
Strom.

Der Ruhestrom von OV1 erzeugt nur einen Ruhestrom der Endstufe, da low 
und high side identisch angesteuert werden.

Der Witz der 3 unterschiedlichen OPs sind die Anforderungen:
OV1: möglichst geringer Ruhestrom (LF411 200µA)
OV2: Gleichtaktbereich Ue bis positive Versorgung
OV3: Gleichtaktbereich Ue bis negative Versorgung

von ths (Gast)


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Es ist sehr unschön, dass R1 zweimal vorkommt, damit gibt es für 
positive und negative Ströme geringfügig andere Verstärkungsfaktoren, 
dass viel Leistung drüber verbraten wird (müsste man mal genauer 
nachrechen) und dass keine Vierleiterausführung geht.

von ths (Gast)


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Nur mal so zur Anregung.

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