Hallo Leute,
ich versuche eine mehrkanalige Konstantstromquelle zu bauen
Eckdaten sind: 10uA ... 150mA mit 1% Genauigkeit. Die Quelle muss
bewusst so tief regeln können.
Die Last wird eine andere Schaltung sein, die als veränderbarer
Verbraucher mittels eines angesteuerten Power-FETs funktioniert
Ich hatte erst mal separate Kanäle wie im Bild nach folgenden Link
aufgebaut:
https://www.mikrocontroller.net/articles/Konstantstromquelle
Das hat wunderbar funktioniert, die Stromquelle war am Ausgang
stromkonstant und je nach FET-Ansteuerung spannungsunabhängig
Dieselbe Last hatte mehrere Lastanschlüsse, also mehrere FETs, jedoch
einen gemeinsamen Sourceanschluss.
Nun möchte ich das ganze weiter aufblähen, sehe aber dass es weit
einfach wäre, meine variable Last auf die Emitterseite zu bringen, weil
eben die Source aller FETs gemeinsamen verbunden sind.
Ziel ist den gleichen Ausgangsstrom 10uA...150mA von vier Quellen mit
nur 1 Stellwiderstand für alle den gleichen Ausgangsstrom einzustellen.
Verwendung von einer einzigen DC-Quelle.
Siehe Bild 3. Funktioniert in der Simulation wunderbar. Aber aufgebaut
sehe ich eben, dass die Ströme gewaltig unterschiedlich sind.
Einstellbarkeit durch R4 klappt.
Ich habe die Lasten direkt mit Amperemeter kurzgeschlossen, also ohne
diese "Last-FETs" M3, M4.
Die Widerstände R1 und R7 sind aufeinander abgestimmt, damit sie
möglichst gleich sind (0,5% Widerstände und nachträgliche noch
angepasst). und trotzdem habe ich noch round-about 5% im Hohen wie auch
niedrigen Strombereich. Was kann ich das hier noch verbessern?
die 4 OPs sind in einem Package, dem TLV2374.
Danke an eure konstruktiven Ideen
Christian schrieb:> Die Widerstände R1 und R7 sind aufeinander abgestimmt, damit sie> möglichst gleich sind (0,5% Widerstände und nachträgliche noch> angepasst). und trotzdem habe ich noch round-about 5% im Hohen wie auch> niedrigen Strombereich. Was kann ich das hier noch verbessern?
Du hast einfach den Fehler gemacht, der immer gemacht wird. Du hast in
die Rückkoppelschleife des OPV einen fetten MOSFET mit rel. großem
Gatewiderstand eingebaut und erwartest, dass das keine Auswirkungen hat.
Tatsächlich aber ist damit die Phasenreserve des OPV aufgezehrt und das
Ding schwingt. Schau mal mit einem Oszi (mit 10:1-Tastkopf) das Signal
am Ausgang eines OPV an.
Christian schrieb:> Ich habe die Lasten direkt mit Amperemeter kurzgeschlossen, also ohne> diese "Last-FETs" M3, M4.
vielleicht liegt hier ein Teil des Problems. Du hast die vier Kanäle
nacheinander gemessen, oder? Und jeweils die drei Kanäle, an denen
gerade kein Amperemeter angeschlossen war, konnten den geforderten Strom
nicht treiben (da keine Last vorhanden). Drei der vier OPV im Gehäuse
sind damit jeweils völlig übersteuert, nur einer (den du grade misst)
kann im vernünftigen Bereich arbeiten. Vielleicht schlägt die
Übersteuerung der drei anderen auf die Genauigkeit des gerade
betrachteten durch.
Miss doch nochmal mit einer Last an allen vier Kanälen (also wenn alle
vier Quellen gleichzeitig im linearen Bereich arbeiten)
@ArnoR
Das Ausgang sieht in meinen Augen recht gut aus.
@ Achim S.
Ich habe an jeden Kanal 1 Multimeter dran hängen und messe bei einem
Dummy-Rset z.B.
392uA, 621uA, 455uA, 403uA. Nun, das mit den 5% stimmt wohl doch nicht
mehr so ganz, hatte das anders in Erinnerung. Auch sind diese Werte
nicht konstrant sondern schwingen minimal mit +-2uA
mit anderen RSet:
13,68mA, 13,90mA, 13,74mA, 13,27mA
3 der 4 Multimeter sind gleichen Typs.
Dieselben dicken FETs hatte ich schon in meiner Single-Kanal Schaltung
verwendung und da eben kein Schwingen gehabt. Ich hatte diese Brummer
gewählt, weil sie Eben 150mA x ca 11V an Leistung verbraten können
müssen sofern mein LastFET auf Kurzschluss geht.
Christian schrieb:> 392uA, 621uA, 455uA, 403uA. Nun, das mit den 5% stimmt wohl doch nicht> mehr so ganz, hatte das anders in Erinnerung.
bei welchen Sollwerten? Oder anders gefragt: wie groß ist der Fehler
jetzt konkret? Sollten bei dieser Messung jetzt alle Quellen 400µA
treiben oder wie? Wie groß sind dabei RSet und wie groß ist die
Eingangsspannung?
Ohne diese Info sagen die gezeigten Stromwerte für sich allein erst mal
nichts über die Genauigkeit deiner Schaltung.
Falls alle Stromwerte eigentlich gleich sein sollten:
1) tausche mal die Multimeter durch und schaue, ob der "Fehler" mit den
Messgeräten mitwandert oder ob der Fehler wirklich am Kanal hängt.
2) miss bei allen Kanälen mal den Spannungsabfall am jeweiligen RSet
(mit einem Multimeter, einen Kanal nach dem anderen). Siehst du
Unterschiede im Spannungsabfall, die zu den Unterschieden im gemessenen
Strom passen?
Christian schrieb:> Auch sind diese Werte> nicht konstrant sondern schwingen minimal mit +-2uA
Nur zur Begriffsklärung: das "Schwingen", von dem weiter oben (Arno) die
Rede war, liegt in einem ganz anderen Frequenzbereich als ein Schwingen,
das du auf dem Multimeter erkennen kann. Wenn bei dir die letzten
Stellen des Multimeters wackeln, kann das einfach an der Streuung des
Messgeräts oder an Temperaturdrifts liegen.
Christian schrieb:> Dieselben dicken FETs hatte ich schon in meiner Single-Kanal Schaltung> verwendung und da eben kein Schwingen gehabt.
Naja, kann sein wenn die Last (R2) sehr niederohmig ist. Meine Simu mit
deinen Werten zeigt jedenfalls eine nicht ausreichend stabile Schaltung.
VG ist 11V mit 100mVss überlagertem Rechteck. Mit kleinerem R4 (1K)
sieht es nicht besser aus.
Du musst den OPV kompensieren indem du ne Rückkopplung direkt vom
Ausgang auf den negativen Eingang machst. Häufig mit D-Anteil per
Kondensator.
Davon wird der Regler langsamer aber er schwingt nicht mehr.
R2 ändert nichts an der Schwingfähigkeit des Systems, R2 ändert nur die
Regelverstärkung. Das sieht man am Diagramm auch sehr schön, sowohl die
DC- als auch die AC-Komponente wird mehr oder weniger stark verstärkt.
die Daten des OPs veschlechtern sich auch in der Nähe des positiven
Rails. Schau mal ins Datenblatt z.B. Input Offset Spannung über Common
Mode Input Spannung.
THOR schrieb:> R2 ändert nichts an der Schwingfähigkeit des Systems
Doch, das tut er. R2 bestimmt die Spannungsverstärkung des Mosfet und
damit die am Gate wirksame Millerkapazität. Diese Kapazität bildet mit
dem Gatewiderstand+Ausgangswiderstand des OPV einen Tiefpass, der die
Phasenreserve vermindert. Das sieht man in der Simu daran, dass die
Amplitude der Schwingung sich nicht im Verhältnis 3:1, sondern stärker
ändert.
Außerdem ist bei kleineren Lastwiderständen auch die Spannung am Mosfet
größer, was dessen Kapazitäten verringert.
Egal wie klein die Kapazität wird, schwingFÄHIG bleibt das System immer.
Es schwingt weniger, ja. Aber es ist immer grundsätzlich in der Lage zu
schwingen.
Es sei denn, man kompensiert.
THOR schrieb:> Egal wie klein die Kapazität wird, schwingFÄHIG bleibt das System immer.
?Die übliche Haarspalterei?
Ein Mosfet ohne Kapazitäten würde keine Phasendrehung in der
Rückkoppelschleife machen, die Schaltung wäre so stabil wie der OPV
allein.
Achim S. schrieb:> bei welchen Sollwerten? Oder anders gefragt: wie groß ist der Fehler> jetzt konkret? Sollten bei dieser Messung jetzt alle Quellen 400µA> treiben oder wie? Wie groß sind dabei RSet und wie groß ist die> Eingangsspannung?
neue Messung
R_Set 11k7
VCC 12,0V
Kanal Shunt-R Simulation: gemessen mit 4 MM* V(R_top)
#1 9,727 13,64 13,89 135,04
#2 9,705 13,67 13,74 133,05
#3 9,727 13,64 13,68 132,83
#4 9,73 13,64 13,72 133,46
ohm mA mA mV
*MM: Multimeter
das sind an sich wirklich gute Ergebnisse. Doch im kleinen Bereich
R_Set 166 ohm
Shunt: Simulation: gemessen mit 4 MM V(R_top)
#1 9,727 10,28 310 3,03
#2 9,705 10,29 102,5 1,01
#3 9,727 10,28 85,6 0,84
#4 9,73 10,28 146,5 1,44
ohm uA uA mV
V_ref=2,08mV
Hier sehe ich schon, dass die Regelung nicht mehr richtig greift.
auch bei Einstellen für gewünschte Lastströme von 2mA (R_set = 1k) ist
die Abweichung von den Lastströme zueinander deutlich:
R_Set 1k
Kanal Shunt: Simulation: gemessen mit 4 MM V(R_top) I_calc
#1 9,727 1,06 1,38 13,32
#2 9,705 1,06 1,17 11,31
#3 9,727 1,06 1,14 11,13
#4 9,73 1,06 1,21 11,73
ohm uA uA mV
V_ref=12,38mV
Achim S. schrieb:> 1) tausche mal die Multimeter durch und schaue, ob der "Fehler" mit den> Messgeräten mitwandert oder ob der Fehler wirklich am Kanal hängt.> 2) miss bei allen Kanälen mal den Spannungsabfall am jeweiligen RSet> (mit einem Multimeter, einen Kanal nach dem anderen). Siehst du> Unterschiede im Spannungsabfall, die zu den Unterschieden im gemessenen> Strom passen?
1) Bei durchtauschen der MM bleiben die Messwerte an den Kanälen in etwa
dasselbe
2) Die Spannungsabfälle an den Shunts sind zu den gemessenen Lastströmen
plausibel
Mir steht im Vordergrund, dass ich auf allen Kanälen ähnliche Werte mit
niedrigen Toleranzen sind anstatt genau die Simulationswerte zu
erreichen.
Die großen Abweichungen zwischen den Kanälen kann ich noch nicht
nachvollziehen.
Bei der Wahl vom OP hab ich auf Rail-2-Rail Input u Output geachtet.
sind es die hohe offset Spannung, auf die ich nicht besonders Rücksicht
genommen habe ?
prima: mit aussagekräftigen Werten kann man sofort sagen, wo das Problem
konkret liegt.
Christian schrieb:> sind es die hohe offset Spannung, auf die ich nicht besonders Rücksicht> genommen habe ?
Ja. Mit einem Offset im Bereich einiger mV kannst du Eingangsspannungen
in diesem Bereich natürlich nicht mehr vernünftig bearbeiten. Bei
Vref=2,08mV und Vref=12,38mV kommen damit natürlich "Hausnummern" raus.
Wenn es wirklich so genau werden muss, dann brauchst du einen OPV mit
sehr viel kleinerem Offset (aber sehr viel kleiner als 1mV wirst du
nicht so leicht finden).
Die bessere Lösung (so sie denn für deine Anwendung möglich ist) besteht
darin, den RSet entsprechend groß zu wählen, dass Vref (und damit der
Spannungsabfall am Rset) wesentlich größer sind als der Offset des OPV.
Achim S. schrieb:> prima: mit aussagekräftigen Werten kann man sofort sagen, wo das Problem> konkret liegt.
Ja, aber nicht so prima ist, dass man erst auf die falsche Fährte
angesetzt wird, indem oben geschrieben stand:
Christian schrieb:> und trotzdem habe ich noch round-about 5% im Hohen wie auch> niedrigen Strombereich
also angeblich auch bei großen Strömen, wo die Offsetspannungen keine
große Rolle mehr spielen.
Achim S. schrieb:> Die bessere Lösung (so sie denn für deine Anwendung möglich ist) besteht> darin, den RSet entsprechend groß zu wählen, dass Vref (und damit der> Spannungsabfall am Rset) wesentlich größer sind als der Offset des OPV.
Wie soll das gehen? Er will einen Strombereich von 15`000:1 mit 1%
Genauigkeit, also müsste bei 1mV Offset (-unterschied zwischen den OPV)
die Vref=1,5kV sein.
Da wird wohl nur die Kombination aus großer Vref, geringem Offset und
Reduktion der Anforderungen funktionieren. Man findet OPV mit kleiner
Offsetspannung, nur gehen die eingangsseitig nicht bis an +Vcc. Da wird
man einen Potentialversatz machen müssen.
THOR schrieb:> Studier am besten keinen Ingenieursberuf, die Mathematik wäre nichts für> dich.
Ja, das Übliche von dir. Kein Eingehen auf die Widerrede zu deinen
dauernden falschen Behauptungen, statt dessen wird's persönlich.
Hier noch was:
THOR schrieb:> R2 ändert nur die Regelverstärkung.
Mumpitz, R2 hat fast nichts mit der Regelverstärkung zu tun, er liegt
außerhalb des Regelkreises mit nur geringer Rückwirkung auf die
Steilheit des Mosfet.
Achim S. schrieb:> Wenn du sicher bist, dass er den Bereich mit einem einzigen Wert des> RSet abdecken will, dann ist das nicht ganz einfach.> Da er aber auch bisher schon ständig am Rset rumdreht ist es für mich> zumindest denkbar, dass für die Abdeckung des Bereichs auch ein Wechsel> des RSet in Frage kommt.
Nur den RSet umzuschalten verändert die Situation mit der Offsetspannung
nicht. Er müsste den Rtop umschalten, um größere Strombereiche mit einem
rel. kleinen Bereich der Eingangsspannung (=Spannung über RSet), aber
immer noch groß gegenüber der Offsetspannung, abzudecken.
Tschuldigung, mein Fehler.
Ich habe nicht immer wieder nach oben gescrollt, um nachzuschauen, wie
die Widerstände genau bezeichnet sind. Klar muss die Spannung am
Sense-Widerstand groß genug gehalten werden. Das hatte ich eigentlich
gemeint, aber dafür fälschlicherweise Rset statt Rtop geschrieben.
Christian schrieb:> Dieselben dicken FETs hatte ich schon in meiner Single-Kanal> Schaltung verwendung und da eben kein Schwingen gehabt. Ich> hatte diese Brummer gewählt, weil sie Eben 150mA x ca 11V> an Leistung verbraten können
???
11V * 0.15A sind nicht mal 2W. Das geht notfalls mit 4 PNP
im TO92 (obwohl ich das nicht gern so machen würde).
Ein einzelner BD136 sollte es aber schaffen.
single_constant_current_source.gif
(6 KB)
mehrfach_Stromquelle.JPG
(94 KB)
IMG_0793.JPG
(240 KB)
