Hallo zusammen, ich versuche mich nun mehr oder weniger erstmals im Analog-Schaltungsdesign für Anfänger und hoffe ihr könnt mir ein paar Tipps geben :) Ziel ist eine einfache Unterspannungsabschaltung mit den folgenden (Haupt-)Features: - bis 15A Dauerstrom - Spannungsbereich 25V-45V (10s Li-Ion) - Spannungsfest bis 90V (2x 10s Li-Ion in Reihe) (das BMS bzw. eine Einzelzellenüberwachung der Packs möchte ich später separat und nicht hier betrachten) Die beiden Verwendungsszenarien sähen wie im Bild im Anhang aus. Ich habe mir LTspice runter geladen und meinen Entwurf darin mal zusammen geklickt… (echt ne geniale Sache das Tool) In wesentlichen nehme ich eine stabile Referenzspannung und einen Spannungsteiler wo der Mittelabgriff Packspannungsabhängig ist. Dahin nehme ich einen OP als mehr oder weniger Schalter der dann einen FET durchsteuert oder sperrt. Laut LTspice scheint das auch ganz gut so zu funktionieren :) (Bild im Anhang, Eingangsspannung 0-45V Rampen und Strom über dem Lastwiderstand) Dabei sind – natürlich – aber auch diverse Fragen aufgepoppt die ich mir so ohne weiteres auch mit googles Hilfe nicht beantworten konnte… 1. Referenzspannungserzeugung a. Welche Zenerdiode nehm ich denn hier am besten? Die 1N750 hab ich genommen weils die bei LTspice gab und die Bezeichnung klingt wie ne 1Nxxx ;) Im Prinzip ist ja aber egal welche, ich muss ja nur den Spannungsteiler entsprechend auslegen, oder? Nach welchen Kriterien sucht man denn in so einem Fall die Dioden aus? Gibt’s bei zener auch so standardteile wie 1Nxxxx bzw. ist die 1N750 denn son wald und wiesen teil? Möglichst geringe Verlustleistung wäre halt wünschenswert, da im Zweifel ja bis zu 40V über R1 abfallen müssen. b. Kann ich die Diode um die Verlustleistung zu reduzieren und ggf. die Temperaturstabilität zu erhöhen einfach so durch eine Bandgap-Referenz ersetzen oder ist dabei irgendwas besonders zu beachten? Habe auch Shunt Voltage Referenzen gefunden. Was wären Vor- oder Nachteile? Zu beiden Themen hab ich leider nicht allzu viel Infos gefunden. 2. Spannungsteiler als Vergleichswert a. Spricht irgendwas dagegen den Spannungsteiler R2/R3 hochohmiger zu machen? Möglichst geringe Verlustleistung wäre halt wünschenswert. Der OP sollte ja nen recht hohen Eingangswiderstand haben… 3. Auswahl des OP a. Der OP07 wird bei der Betriebsspannung wahrscheinlich gleich abrauchen. Was tun? Einfach einen Typen nehmen der das abkann. Habe z.B. den OPA445 gefunden (+/-45V). Oder könnte man die Betriebsspannung des OP absenken? Der nachfolgende FET braucht ja auch nur 10V am Gate, oder gibt es da noch andere Fallstricke? b. Was sind denn so gängige Typen bei OPs? Gibt’s die überhaupt? Noch mal das wie findet man was… :) c. Im Falle von zwei Packs seriell: Muss der OPA dann einen Spannungsbereich bis mindestens 90V haben oder würden es 50V auch tun? Sprich, „sieht“ die Schaltung irgendwas von den ~60-85V Systemspannung oder reicht es wenn der FET entsprechend spannungsfest ist? 4. Spannungsbegrenzung am Gate a. Da der OP falls es mit der ganzen Packspannung betrieben wird am Ausgang ja soweit ich das verstanden habe auch die volle Spannung raushaut würde mir ohne Begrenzung vermutlich gleich der FET abrauchen. Kann ich das auch hier mit ner Zenerdiode machen so wie ich das einfach mal designt hab? Wie dimensioniere ich dann R5? Hohe Schaltgeschwindigkeiten am FET brauch ich ja eigentlich nicht bzw. sind um Schwingen mangels Hysterese zu vermeiden ja sogar eher unerwünscht. Wieviel Strom gehen beim schalten über den FET bzw. muss man das bei der Dimensionierung mit berücksichtigen damit die Spannung über der Diode nicht instabil wird oder so? b. Als Diode hab ich einfach irgend eine aus LTspice mit 12V oder 15V genommen. Aber auch hier. Wonach sucht man die nun aus? (Ausser natürlich das die den Imax abkönnen muss) 5. Hysterese a. Der jetzige Schaltungsentwurf hat keine Hysterese, d.h. da sich der Akku schnell wieder „erholt“ nach Abschalten der Last, was wird wohl passieren? Gibt es wilde Schwingungen? Oder – da der OP ja auch nicht ideal schaltet und somit den FET ja auch nicht nur 0% oder 100% durchschaltet – stellt sich vielleicht sogar eine Art Regelung/Gleichgewicht ein? Das wäre natürlich höchst wünschenswert, damit der Akku unter Last sozusagen langsam „zu“ macht. Kann man das mit LTspice sinnvoll simulieren? 6. N-FET a. Als FET habe ich einen IRFB4410Z ausgewählt aufgrund der 100V Vdss, >100A Belastbarkeit und dem m.E. ganz ordentlich geringen Rdson. Beim FET brauche ich für den Fall der Reihenschaltung der Packs ja auf jeden Fall die Spannungsfestigkeit. Aber reicht es wenn nur der FET diese Spannungsfestigkeit hat? Hui, eine Menge Fragen. Vielen Dank schonmal falls du mit lesen bis hierher durchgehalten hast. Noch viel mehr Dank für eventuelle Tipps :) Vielen Grüße, Alec
Nur ein paar schnelle Bemerkungen: - die Teiler sind bei den Spannungen viel zu niederohmig. - Statt OPA ist hier ein Komparator angesagt - dieser kann kaum mit 45V oder gar 90V versorgt werden - an eine Hysterese beim Komparator ist auch zu denken
Alec T. schrieb: > - Spannungsfest bis 90V Das wird mit dem OP07 nichts. > a. Welche Zenerdiode nehm ich denn hier am besten? Eine, die auch bei sehr geringem Strom ihre Spannung hält. Einer EDZ12B reicht dafür 1uA, und warum 12V siehe weiter unten: > a. Spricht irgendwas dagegen den Spannungsteiler R2/R3 hochohmiger zu > machen? Nein. Irgendwann verfälscht dir der Eingangsstrom des OpAmps das Ergebnis, aber selbst wenn das 1% Fehler ausmacht, wäre es egal. MegaOhms sind also möglich. > Muss der OPA dann einen Spannungsbereich bis mindestens 90V haben Ich würde den OpAmp mit 12V versorgen und die Eingangsspannungen halt weit genug runterteilen, dann kann er direkt den MOSFET schalten und du sparst dir die Z-Diode dort. Linearregler von 90V auf 12V die nur uA liefern und nur uA brauchen gibt es wohl nicht, aber eine Z-Diode wie EDZ12B hat auch bei 1uA noch 12V, wenn also 1.3MOhm Vorwiderstand zu 10uA bei 25V und 90V zu 60uA führen, wäre das nicht schlecht, und diese stabilen 12V kann man gleich noch als Referenzspannung benutzen wenn man sie mit Widerständen weiter runter teilt. Nicht jede Z-Diode ist aber so gut. > Gibt es wilde Schwingungen? Ja. Also eine DEUTLICH Hysterese. Ist ja nur 1 Widerstand. Alec T. schrieb: > Aber reicht es wenn nur der FET diese Spannungsfestigkeit hat? Jein. Wenn du induktive Lasten hast, kann beim abschalten des Stroms durch Gegen-EMK eine höhere Spannung auftreten, die man per Freilaufdiode ableiten sollte. Der MOSFET reicht also, die Diode fehlt. Ich würde einen ICL7665 nehmen und seine Versorgungsspannung per EDZ12B begrenzen, mit einem 10nF Kerko puffern, ein Komparator als push-pull Treiber für den MOSFET nutzen, dann kommt die Schaltung mit wenigen uA aus.
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Hallo und danke für die Tipps. Den ICL7665 guck ich mir genauer an, aber ich will ja n bischen grundlagen lernen, also nochmal zurück zu ner eigenen Schaltung ;-) Ich habe die Schaltung entsprechend mal etwas umdesigned. Was haltet ihr davon? Eine Bauteiloptimierung kommt noch, zunächst – wer hätte das gedacht - aber natürlich noch ein paar grundsätzliche Fragen :) 1. Referenz- und Versorgungsspannung a. Wie berechne ich wie groß der Pufferkondensator C1 sein sollte? Der Strom über R2+R3 ist klar. Woher weiß ich wieviel der OP für den Eigenbetrieb braucht? bzw. eigentlich irrelevant weil ändert sich ja nicht aber dennoch... Sollte ich dem FET nicht nen Widerstand vorschalten damit ich den Maximalstrom in das Gate kenne oder sogar zum Schutz diesen limitiere? b. Muss den Strom ja auch wissen um die Z-Diode zu ersetzen. Wenn ich da eine nehm die mit weniger Strom auskommt muss ich R1 ja dennoch klein genug wählen um genug Strom für Diode, OP und FET UND Spannungsteiler fließen zu haben. c. Btw. nochmal, wie findet man bzw. wie bist du auf die EDZ12B gekommen? 2. OP a. Schon bei 10k Spannungsteilern verzerrt der OP die Spannungen an seinen Eingängen schon beträchtlich (siehe Bilder mc2 & mc3 im Anhang) Warum? Ich dachte die Eingänge des OP sind im MOhm Bereich? Funktioniert zwar dennoch (mc1) aber so ganz wohl ist mir dabei nicht und die Gate-Spannung "zuckt" anfangs mal kurz... 3. Freilaufdiode a. Im Falle der Serienschaltung von zwei Packs würde doch aber die Freilaufdiode in Flußrichtung liegen oder nicht? Dementsprechend funktioniert das doch so an der Stelle nicht? Gibt es (lokal) andere Optionen oder muss man sich einfach an der passenden Stelle, z.B. im Motorcontroller oder am (Gesamt)Packausgangsstecker darum kümmern? Schönes Wochenende euch allen :)
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Alec T. schrieb: > Wie berechne ich wie groß der Pufferkondensator C1 sein sollte? Wie du (durch dranschreiben) richtig erkannt hast: Der puffert vor allem während des MOSFET-Umschaltens. Der MIOSET hat 4nF. Dann wäre 100nF ausreichend, damit die Spannung nur 4% absackt. Du musst nun sicherstellen, daß das Absacken um 4% die Hysterese der Schaltung nicht übersteigt. Apropos Hysterese: Du wehrst dich mit Händen und Füssen gegen den Vorschlag und hast die IMMER NOCH NICHT eingebaut ? > a. Schon bei 10k Spannungsteilern verzerrt der OP die Spannungen an > seinen Eingängen schon beträchtlich (siehe Bilder mc2 & mc3 im Anhang) Der OP07 hat maximal 2nA Eingangsstrom, aber nur wenn die Eingangsspannung um weniger als +/-1V differieren, siehe input bias current vs. differential input voltage Diagramm, sonst mA. Er ist "besonders" was diese massiven Ströme angeht, und (auch) daher eine schlechte Wahl. Dir wurden andere empfohlen. Wichtig ist aber nur, daß die Linien sich bei 8V kreuzen, und das tun sie immer noch. Es ist egal, welche Spannungsdifferenz ansteht, wenn die Spannungen grösser oder kleiner als der Umschaltpunkt sind, nur umpolen dürfen die Verhältnisse nicht. Unter 1V polen sie um, aber das ist klar, daß die Schaltung dort nicht funktioniert. Dein Akku hat auch mindestens 25V, sagst du. Du kannst die Widerstandswerte erheblich höher auslegen, im Megaohmbereich, sogar den Z-Dioden Vorwiderstand wenn du einen OpAmp nimmst der nicht gleich ein Milliampere verbrät wie der OP07. > Im Falle der Serienschaltung von zwei Packs würde doch aber die > Freilaufdiode in Flußrichtung liegen oder nicht ?!? Nö. Im Falle einer Serienschaltung von 2 Packs kannst du doch sowieso nicht 2 Schaltungen dieser Art in Serie schalten, du hast doch auch nicht zwei 1 Ohm Lasten. Du darfst nur 1 Schalttransistor haben, und müsstest von der Schaltung, die ihn nicht hat, den Schaltbefehl an die Schaltung, die komplett negativer ist, weiterleiten, dir also sowieso noch was überlegen.
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Michael B. schrieb: > Apropos Hysterese: Du wehrst dich mit Händen und Füssen > gegen den Vorschlag und hast die IMMER NOCH NICHT eingebaut ? Ja, kommt noch, sorry, bin net so schnell, muss mit erst einmal anschauen wo der eine Widerstand hinkommt und vor allem warum ;-) Michael B. schrieb: > daher eine > schlechte Wahl. Dir wurden andere empfohlen. Kommt auch noch, ist n bischen viel auf einmal, eins nach dem andern :-) Michael B. schrieb: > Im Falle einer Serienschaltung von 2 Packs kannst du doch sowieso nicht > 2 Schaltungen dieser Art in Serie schalten, du hast doch auch nicht zwei > 1 Ohm Lasten. Du darfst nur 1 Schalttransistor haben, und müsstest von > der Schaltung, die ihn nicht hat, den Schaltbefehl an die Schaltung, die > komplett negativer ist, weiterleiten, dir also sowieso noch was > überlegen. Hmmm, das wäre mir aber am liebsten um das System möglichst flexibel und modular zuhalten. Warum kann ich die schaltung denn nicht wie im Bild im Eingangs-Post gezeichnet seriell schalten? Hatte gedacht wenn der FET ausreichend spannungsfest ist ginge das?
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Alec T. schrieb: > Warum kann ich die schaltung denn nicht wie im Bild im > Eingangs-Post gezeichnet seriell schalten Michael B. schrieb: > du hast doch auch nicht zwei 1 Ohm Lasten.
Nein, ich habe natürlich jeweils nur eine Last. Die 1Ohm sind ja auch nur Dummy für die Simulation. In der Praxis hängt n Inverter entweder für 36V oder 72V Nennspannung dran. Halt entweder nur ein Pack oder zwei in Serie. So zumindest der Plan. Irgendwie kann ich deiner in diesem Punkt leider etwas kargen Argumentation nicht soganz folgen. Sorry :(
In der Schaltung am Beginn fehlen einige Kondensatoren bzw. Elkos...
Mani W. schrieb: > In der Schaltung am Beginn fehlen einige Kondensatoren bzw. Elkos... Danke für den Kommentar, aber geht es ein klein bischen konkreter und idealerweise mit Begründung?
D1 gegen Masse Bsp. 10uF, R3 gegen Masse Bsp. 0,47uF, die Betriebsspannung des OP sollte über eine Diode und einen Bsp. 470 uF laufen, die Drain-Source Spannung vor der Diode abgegriffen werden... Der OP sollte eine Hysterese haben (Schmitt-Trigger)... Die Betriebsspannung des OP muss aufrecht erhalten bleiben, wenn die Spannung weg ist, ebenso die Referenz an D1, denn die Spannung an R3 sinkt schneller und der Komparator erkennnt das, schaltet den Ausgang auf Low, der MosFet wird gesperrt... Hoffe jetzt, dass ich nichts übersehen habe...
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Habe ich aber doch übersehen: R2 muss am Drain anliegen, aber im Pluszweig vor der Last...
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Mani W. schrieb: > Ich hoffe, das hilft Dir weiter, schnell gezeichnet... Hysterese mit 0.47uF gegen Änderung abblocken ? Na ich weiss ja nicht.... Mani W. schrieb: > Die Betriebsspannung des OP muss aufrecht erhalten bleiben, wenn die > Spannung weg ist, Die Spannung ist nie weg, seine LiIon Zellen haben immer mindestens 25V. Der ganze Zauber mit Diode und Elko ist überflüssig.
Michael B. schrieb: >> Die Betriebsspannung des OP muss aufrecht erhalten bleiben, wenn die >> Spannung weg ist, > > Die Spannung ist nie weg, seine LiIon Zellen haben immer mindestens 25V. > Der ganze Zauber mit Diode und Elko ist überflüssig. Die Schaltung muss halt die An- und Absteckphase des Akkus überleben, das hoffe ich mal ist auch kein Problem? Ansonsten wird die Schaltung in der Tat nur versorgt und muss auch nur arbeiten wenn der Akku dranhängt... In meiner Simulation zuckt der OP beim Hochrampen der Spannung von 0V auf über 5V mal kurz, das ist wohl auch klar da die Diode usw. da noch nicht richtig arbeiten. Dürfte aber laut Simulation nicht reichen um den FET durchzusteuern. Michael B. schrieb: > Mani W. schrieb: >> Ich hoffe, das hilft Dir weiter, schnell gezeichnet... > > Hysterese mit 0.47uF gegen Änderung abblocken ? > > Na ich weiss ja nicht.... Das hab ich nicht so ganz verstanden, wozu soll das gut sein? p.s. du beziehst dich ja noch auf den Original-Entwurf + Zener vorm FET. Gibt es einen Grund pro dieser Variante oder wars zuviel zu lesen? Schönen Sonntag euch allen :)
Achja, aber am wichtigsten: Die Schaltung bringt mir nur was wenn ich damit zwei packs/schaltungen in Serie betreiben kann. Sonst kann ich mir das ganze sparen. Kann mir noch mal einer von euch erklären warum das nicht geht? Alternative wäre eine Schaltung zu entwerfen an die ich zwei packs anschliessen kann, wäre das denn irgendwie einfacher?
Michael B. schrieb: > Hysterese mit 0.47uF gegen Änderung abblocken ? > > Na ich weiss ja nicht.... > > Mani W. schrieb: >> Die Betriebsspannung des OP muss aufrecht erhalten bleiben, wenn die >> Spannung weg ist, > > Die Spannung ist nie weg, seine LiIon Zellen haben immer mindestens 25V. > Der ganze Zauber mit Diode und Elko ist überflüssig. Dann lass den 0,47 weg, mach halt einen kleineren rein, laß die Diode weg und auch die Elkos, und wenn die Spannung dann doch einmal weg ist, weil abgeklemmt, dann ist auch der Mosfet weg...
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