Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Stromverstärker; kaskadierte OPVs; instabil


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von Michael W. (mic123)


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Hallo Leute,

bei der angehängten Schaltung handelt es sich um einen Stromverstärker 
zur Ablenkung eines Elektronenstrahls. Im dynamischen Betriebsfall wird 
am Eingang ein Dreiecksignal mit einer Amplitude von +/- 1,5V und einer 
max. Frequenz von 20kHz angelegt. Durch die Ablenkspule am Ausgang soll 
dann ein Strom von +/- 3A fließen. Deswegen kommt ein Spezial-OPV von 
Apex PA05 zum Einsatz. Dies funktioniert soweit.

Im statischen Betriebsfall, wenn der Sollwert sprunghaft von +1,5V auf 
-1,5V geändert wird, gerät die
gesamte Schaltung ins Schwingen (f ca. 500kHz bei voller Amplitude am 
Ausgang). Umgekehrt, bei Sollwertänderung von -1,5V auf +1,5V, passiert 
dies nicht.

Eine Erhöhung des Kompensations-Cs (C2) des PA05 ist keine Option, da 
die Schaltung sonst zu langsam wird.

Des Weiteren habe ich versucht, bei der Rückkopplung des Reglers (IC1) 
den Leistungs-OPV mit einzubeziehen. Dazu habe ich C1 nicht an IC1 Pin 6 
sondern an den Spannungsteiler R5/R8 (also an IC2 Pin 1) angeschlossen. 
Leider ohne Erfolg.

Hat jemand eine Idee was man tun kann? Wichtig dabei wäre, dass der 
dynamische Betriebsfall nicht beeinträchtigt wird.

Danke schon mal im Voraus.

von Klaus R. (klara)


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Michael W. schrieb:
> Hat jemand eine Idee was man tun kann? Wichtig dabei wäre, dass der
> dynamische Betriebsfall nicht beeinträchtigt wird.

Ja ich habe eine gute Idee. Nimm LTspice und untersuche die Schaltung.
mfg Klaus

von Raimund R. (corvuscorax)


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Warum setzt du L1 eigentlich nicht gleich anstelle von R5 ein und passt 
R8 für den entsprechenden Strom an ...? Dabei entfällt dann das ganze 
Geraffel mit IC1 und IC3.
Uuuups - bei Usoll von ±1.5V und deinem gewünschten Imax von ±3A sind 
das wieder genau die 0.5 Ohm für R8 - welch ein Zufall. Tse-tse-tse ;-)

von Ralph B. (rberres)


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Warum hängst du nicht den - Eingang des IC2 direkt an den R9 ?

Das erfüllt deinen Zweck einer einstellbaren Konstantstromquelle.

Ralph Berres

von Äxl (geloescht) (Gast)


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C1 - R1 soll so? oder C1 || R1?
Bei statischem Betrieb geht die Verstärkung (wegen C1) ins unendliche.
hab jetzt die Schaltung aber auch nur grob überflogen.

von Michael W. (mic123)


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@Klaus
Mit LTspice kenne ich mich nicht aus. Ich mache sonst eher Software.


@Raimund Rabe
>Warum setzt du L1 eigentlich nicht gleich anstelle von R5

Die Ablenkspule hat einen Widerstand von 0,6 Ohm + Widerstand des 
Kabels. So komme ich nicht auf Verstärkung 11. Die Verstärkung ist aber 
nötig. Der IC2 wird nicht zum Spaß mit +/-36V versorgt. Im dynamischen 
Betriebsfall kommen an dessen Ausgang ca. +/- 30V heraus.


@Ralph Berres
>Warum hängst du nicht den - Eingang des IC2 direkt an den R9 ?

In einem ersten Entwurf war die Schaltung so, wie von Dir vorgeschlagen. 
Allerdings bestehen sehr hohe Anforderungen bezüglich Genauigkeit und 
Drift des Ausgangsstromes. Dieser sollte auf 0,3mA genau sein. Der 
Leistungs-OPV (IC2) ist dazu nicht geeignet. Deswegen wurde ihm ein 
PI-Regler (IC1) vorgeschaltet (@Äxl "C1 - R1 soll so?" Ja soll so). 
Deswegen auch der Instrumentenverstärker (IC3). Die gesamte Schaltung 
außer IC2 und der Stromshunt (TK 0,2) wird auf konstanter Temperatur 
gehalten, um die Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen.

von Äxl (geloescht) (Gast)


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C1 - R1 mach aber "D", nicht "P" oder "I".
Ich les'ma weiter mit...

von Andrew T. (marsufant)


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Äxl (geloescht) schrieb:
> C1 - R1 mach aber "D", nicht "P" oder "I".

eher macht der "PI"  .-)

> Ich les'ma weiter mit...

viel Spaß...

: Bearbeitet durch User
von Karl (Gast)


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Michael W. schrieb:
> Deswegen wurde ihm ein
> PI-Regler (IC1) vorgeschaltet (@Äxl "C1 - R1 soll so?" Ja soll so).

Ja, typische Lehrbuchschaltung. Dass sie so nicht funktioniert hast Du 
ja schon festgestellt. Jetzt musst Du noch rausfinden, wie sie 
funktioniert.

von Michael W. (mic123)


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Karl schrieb:
> Jetzt musst Du noch rausfinden, wie sie funktioniert.

Oder anders: Ich weiß was, was Du nicht weißt und sag es aber nicht.

Klasse Antwort. Ich dachte das wäre hier ein Forum. Scheinbar nicht. 
Sorry mein Fehler.

Tja wenn ich so schlau wäre wie Du und so viel Erfahrung hätte, hätte 
ich sicher diesen Thread nicht eröffnet.

von MaWin (Gast)


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Michael W. schrieb:
> Ich weiß was, was Du nicht weißt

Nein, Karl weiss nie was.

von Karl (Gast)


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Michael W. schrieb:
> Mit LTspice kenne ich mich nicht aus. Ich mache sonst eher Software.

Mach einfach weiter Software.

Michael W. schrieb:
> Tja wenn ich so schlau wäre wie Du und so viel Erfahrung hätte, hätte
> ich sicher diesen Thread nicht eröffnet.

Du glaubst also ein paar Semester Regelungstechnik durch ein Forum 
ersetzen zu können? Viel Spass.

Michael W. schrieb:
> Ich weiß was, was Du nicht weißt und sag es aber nicht.

Nein, sondern: Das Thema ist zu komplex, als dass man es Dir mal 
nebenher im Forum erklären könnte. Schon gar nicht ohne Kenntnis der 
Regelstrecke, sprich was das eigentlich für eine Spule ist, was die für 
Eigenschaften hat, mit welchen Stögrößen zu rechnen ist, welche Dynamik 
die Signale haben.

Stattdessen wirfst Du pampig hin:

Michael W. schrieb:
> Der IC2 wird nicht zum Spaß mit +/-36V versorgt.

Du willst hier was. Wir sind nicht Deine Lohnsklaven.

von Achim S. (Gast)


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Michael W. schrieb:
> Klasse Antwort.

Dann ignorier ihn halt einfach. Antworten zum Ärgern findest du in jedem 
Thread. Welchen Stellenwert sie im Thread einnehmen hängt davon ab, wie 
du darauf reagierst.

Ich kann mir auch vorstellen, dass Karl die Beschaltung deines PA05 mit 
einer Howland Stromquelle verwechselt hat. Das stimmt zwar nicht, aber 
das wäre tatsächlich eine Schaltung, die man im Lehrbuch gerne 
vorrechnet und die in der Praxis gerne mal nicht funktioniert.

Ganz allgemein: deine Schaltung schwingt bei 500kHz, weil du bei der 
Frequenz immer noch eine Kreisverstärkung >1 hast und zu viel 
Phasenreserve verlierst (d.h. im Summe zu viel Phasenverzögerungen 
aufgesammelt hast). Und du hast ne Menge getan, um beide Bedingungen zu 
erfüllen. Dein eigentlich zurückgekoppelter Kreis wird vom OPA192 
geregelt. Dass du dem PA05 eine eigene Spannungsverstärkung von 11 
gegeben hast erhöht dessen Kreisverstärkung um den Faktor 11 - eine gute 
Voraussetzung zum Schwingen.

Außerdem verlierst du an verschiedenen Stellen im Kreis Phasenreserve. 
Der PA05 ist sicher der wichtigste Brocken (die Schaltung schwingt ja 
nicht zufällig ca. bei dessen Grenzfrequenz). Aber auch die Last (der 
Strom durch den Shunt folgt der Spannung an der Spule verzögert) und der 
AD8421 kosten dich jeweils etwas Phasenreserve. Und in Summe wirds dann 
halt zuviel. Bei jedem deiner Schaltungsteile kann ich nachvollziehen, 
warum du ihn zu brauchen glaubtest. Aber in dieser Kombi funktioniert es 
halt nicht, und es ist gut möglich, dass sich mit dem PA05 als Basis 
alle deine Anforderungen (Genauigkeit, Geschwindigkeit, Strom) nicht 
gemeinsam erfüllen lassen.

Wenn du Spice-Modelle für den PA05 bekommen kannst wäre eine Simulation 
des Gesamtsystems wirklich sehr hilfreich. Mag schon sein, dass das 
bisher nicht so dein Ding ist, aber um die Schaltung mit den gewünschten 
Parametern zum Laufen zu kriegen wirst du ein Stück aus deiner 
Komfortzone rauskommen müssen.

Zum experimentellen Vorgehen an der Schaltung: ich glaube ich würde 
zuerst mal prüfen, dass wirklich der gesamte Regelkreis schwingt und 
nicht schon der PA05 alleine aus irgendwelchen Gründen Ärger macht. Also 
R3 auftrennen und den PA05 direkt ansteuern. Wenn du jetzt bei 
irgendwelchen Spannungen/Spannungssprüngen eine Schwingneigung 
entdeckst, dann musst du erst dem Burschen seine Schwingneigung 
abgewöhnen. Wenn er alleine schon am Rand der Stabilität ist, dann wirst 
du einen Reglkreis mit ihm dabei kaum stabil kriegen.

Wenn der PA05 selbst sehr gutmütig ist, dann würde ich weiter am Kreis 
arbeiten. Und als erstes würde ich "Komfortfeatures" rauswerfen, die 
potentiell schwingungsfördernd sind. Lass den AD8421 weg, der dir zwar 
Genauigkeit bei der Strommessung gibt, aber ggf. auch Phasenverschiebung 
bei den kritischen Freuqenzen. Wird dadurch etwas besser?

Spiel mit dem Verhältnis von C1 und R7 (das ist die 
Haupt-Einstellmöglichkeit für deinen Regelkreis). Wenn du IC1 damit 
langsam machst, wird der Kreis dann stabil?

Betreib den PA05 mit sträkerer Kompensation und geringerer Verstärkung. 
Wird der Kreis dann stabil?

Vielleicht schaffst du es so zu einer Schaltung zu kommen, die zwar 
stabil ist, aber andere Wunschparameter nicht erfüllt (Bandbreite, 
Genauigkeit, ...). Und dann wirst nicht du um eine ausführliche Analyse 
des Regelkreises
herumkommen, wenn du näher an deine Zielvorstellungen kommen willst. Die 
Simulation mit LTSpice ist dabei tatsächlich der deutlich einfachste 
Ansatz (sofern Modell des PA05 vorhanden). Die Problemstellung ist halt 
nicht trivial, und es kann prinzipiell auch dabei rauskommen, dass die 
Kombination deiner Anforderungen mit dem PA05 tatsächlich nicht 
erreichbar ist.

von ths (Gast)


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Die Schaltung zeigt einen PID Regler mit einstellbaren Koeffizienten und 
wurde etwa 1980 an der TH Darmstadt entwickelt. Sie ist dazu gedacht, 
eine ziemlich gewaltige Spule bei einem Beschleuniger zu bedienen. Wenn 
ich mich recht erinnere, soll das Magnetfeld in kürzester Zeit 
abgeschaltet werden, damit man weitere Teilchen in den Beschleuniger 
einbringen kann und dann ebenso flott wieder zugeschaltet werden, damit 
alles drin bleibt. Das sollte so ungefähr auf deine Problemstellung 
passen.

Die genaue Auslegung der Schaltung ist natürlich anwendungsspezifisch 
und kein Kinderspiel - aber nicht meine Baustelle.

Spenden bitte an die THD.

von Peter D. (peda)


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Ne Spule zu regeln ist schon tricky, wenn man 20kHz erreichen will.
Früher hat man Ablenkverstärker vorwärts kompensiert, d.h. die Spannung 
so verzerrt, daß sich der gewünschte Stromverlauf ergibt. Damit entfällt 
der Regelkreis und somit auch das Schwingen.

Michael W. schrieb:
> Allerdings bestehen sehr hohe Anforderungen bezüglich Genauigkeit und
> Drift des Ausgangsstromes. Dieser sollte auf 0,3mA genau sein.

Wow, 100ppm.
Ich denke mal, das kann man bei 20kHz vergessen.

von Ralph B. (rberres)


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Man könnte aber auch die Stromregelung alleine mit dem Leistungs-OP 
machen

Und dann versuchen den Strom mit dem PI Regler in der ersten Stufe zu 
bestimmen. Gewissermasen zwei Regelkreise mit komplett unterschiedlichen 
Anwendungen.

Ralpg Berres

von Lurchi (Gast)


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Den Strom durch eine Spule zu regeln ist schwer - die Spule wehrt sich 
genau dagegen das sich der Strom ändert.
Die erste Idee wäre einen genügend großen Widerstand in Reihe zu 
schalten - ob das praktikabel ist hängt von der Spule ab, vermutlich ehe 
nicht.
Ich kenne eine ähnliche Anwendung vom Elektronenmikroskop. Bei dem alten 
Gerät das ich kenne wären da bei der Stromregelung schon richtig große 
Widerstände, die schon einiges an Abwärme erzeugten.

Weil die Schaltung schon etwas komplizierter wird (ähnlich einem 
Spannungs-Verstärker für stark kapazitive Lasten) sollte man so eine 
Schaltung schon vorher simulieren. Wenn die Induktivität bekannt ist, 
kann man recht viel davon kompensieren.

von Possetitjel (Gast)


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Michael W. schrieb:

> Klasse Antwort. Ich dachte das wäre hier ein Forum.
> Scheinbar nicht.

Dochdoch, ist es... aber...


> Tja wenn ich so schlau wäre wie Du und so viel Erfahrung
> hätte, hätte ich sicher diesen Thread nicht eröffnet.

Nun. Lass' es mich so sagen: Die Schaltung lässt ein gewisses
Missverhältnis zwischen den gestellten Anforderungen und dem
Lösungsaufwand erkennen.
Man wird im Laufe der Jahre zurückhaltender mit den Ratschlägen,
weil... naja. Man macht zu oft die Erfahrung, dass es sich im
Grunde nicht lohnt, seinen Senf dazuzugeben. Das soll kein
Angriff sein, sondern nur eine Zustandsbeschreibung.

Gut.

Am auffälligsten ist (für mich), dass keinerlei Form der
Störgrößenaufschaltung (bzw. der Vorsteuerung) verwendet,
sondern die gesamte Arbeit dem Regler überlassen wird. Das
hat dann die Folge, dass ziemlich hohe Verstärkungen
notwendig sind, was gefährlich für die Stabilität ist.
Sowohl der Spulenwiderstand wie auch die Induktivität sind
ja in erster Näherung konstant und bekannt; also kann man
ein (einstellbares) PD-Glied aufbauen, das rein als
Steuerung den Spulenstrom bis auf, sagen wir, 1% genau
trifft.
Der Regelkreis muss dann nur noch den Restfehler ausregeln.
Das setzt einen Summierer im Regler und eine getrennte
Behandlung der einzelnen Anteile voraus, und wenn Du die
"Darmstadt"-Schaltung ansiehst, stellst Du fest, dass sie
genau so aufgebaut ist.

Der zweite (und vielleicht wichtigere) Punkt ist, dass
keinerlei Schutzschaltungen erkennbar sind, weder gegen
Überlastung noch gegen Übersteuerung.

Die Reaktionszeiten bei Übersteuerung sind sehr viel
länger als die reguläre Sprungantwort im linearen Bereich;
als Folge dessen kann, während sich der eine OPV gerade
erholt und in den linearen Bereich zurückkehrt, ein anderer
OPV im Regelkreis gegen den Anschlag laufen --> Relaxations-
oszillator.
Es ist überraschend, aber nicht unbedingt ungewöhnlich, dass
das Problem nur bei ganz bestimmten Ansteuerbedingungen auf-
tritt; die Slew-Rate muss für steigende und fallende Spannung
nicht unbedingt gleich sein, was dann die Folge hat, dass der
Regelkreis nur unter bestimmten Bedingungen aushakt.

von Karl (Gast)


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Achim S. schrieb:
> Ich kann mir auch vorstellen, dass Karl die Beschaltung deines PA05 mit
> einer Howland Stromquelle verwechselt hat.

Nee, ich mein den angeblichen PI-Regler. Der ist halt aufgebaut, wie man 
ein Lehrbüchern einen PI-Regler sieht. Anti-Windup, Begrenzung... 
braucht man das? Hat doch die Lehrbuch-Schaltung auch nicht.

von Michael W. (mic123)


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Danke für das zahlreiche Feedback. LTSpice habe ich nun installiert. 
Muss mich da aber erst mal einarbeiten. Modelle für die OPV’s sind 
verfügbar.

Lösungsaufwand
Auf Grund der hohen Anforderungen bezüglich Drift, wollte ich die 
Schaltung mit so wenigen Bauelementen wie möglich aufbauen. Die Sache 
hat sich durch die eingesetzte Temperierung etwas entspannt, aber was 
nicht da ist, kann nicht driften. Deswegen wird auch der Apex-Chip 
verwendet, der übrigens nicht gerade billig ist.

Schutzbeschaltung
Am Ausgang des Apex-Chips (IC2) sind Schutzdioden gegen Betriebsspannung 
verbaut. Die hatte ich wie z.B. die Kondensatoren an den 
Betriebsspannungspins weggelassen. Sorry. Der Chip hat intern weitere 
Schutzmechanismen. Der Ausgangsstrom wird durch den Widerstand R4 
begrenzt. Allerdings ist da noch einiges zu verbessern, denn im 
Schwingungsfall kommt es zu einer massiven Erhöhung der positiven 
Betriebsspannung (+36V) was zu einer Zerstörung des Netzteils führt. Der 
Apex hat das zum Glück bisher überlebt.

von guest...Rainer (Gast)


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Hallo, die PAxx von Apex habe ich als sehr gutmütig in Erinnerung. Wir 
haben sie als Treiber in spannungsgesteuerten Stromquellen auf 
allerdings moderate L's bis 20KHz eingesetzt. Ich würde erst mal nur mit 
einem PA arbeiten und sehen, mit welcher Ansteuerung ich den gewünschten 
Strom in etwa hinkriege. Dann kannst du überlegen, ob und wie du das mit 
einem Kompensationsnetzwerk hinkriegst. Das muß nicht zwingend eine 
Regelung sein! Übrigens hat mich die Schaltung des TO beim ersten 
Hinschaun auch sofort an eine Howland Stromquelle erinnert. Die 
funktionieren in der Praxis nie! Ich würde mir alte Fernsehschaltungen 
anschaun. Dort werden die Ablenkspulen ja genau so betrieben, wie du es 
willst. Und LT-Spice ist natürlich dein Freund...
Viel Erfolg, Rainer

von Ralph B. (rberres)


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Leute schaut euch doch mal an wie die Yigoszillatoren in 
Spektrumanalyzer angesteuert werden. Die haben auch Spulen im 
Henrybereich, mit dessen Magnetfeld die Frequenz abgestimmt wird. Und 
das durchaus mit extremer Genauigkeit und auch mit extrem kleinen Hub. 
Die FM Spule geht sogar durchaus bis in den 20 KHz Bereich.

Ralph Berres

von ths (Gast)


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von guest...Rainer (Gast)


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ths schrieb:
> Es muss ja nicht unbedingt Apex sein

...aber damit ist doch das Problem überhaupt nicht gelöst! Oder glaubst 
du, die Teile arbeiten an komplexen Lasten anders als der Rest der 
Welt?!
Gruß Rainer

von ths (Gast)


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Nein, das ist ja nur das Leistungsteil. Etwas weiter oben wird erwähnt, 
dass Apex nicht ganz billig ist, deshalb die Info.

von guest...Rainer (Gast)


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ths schrieb:
> Nein, das ist ja nur das Leistungsteil. Etwas weiter oben wird erwähnt,
> dass Apex nicht ganz billig ist, deshalb die Info.

Na gut...wer mit Apex hantiert, weiß das! Und einen TO-3 Knopf möchte 
man nicht wirklich durch ein Gerät dieser Größe ersetzen.
Dem TO empfehle ich, die Apex-Applikationen genau zu studieren. Vor 
allem die eingebaute Strombegrenzung sollte sorgfältig dimensioniert 
werden. Keinesfalls weglassen!
Gruß Rainer

von Michael W. (mic123)


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Melde mich mal zurück. Habe die Schaltung in LTSpice simuliert. Sie 
verhält sich so wie die reale Schaltung allerdings ohne das Aufschwingen 
bei einem negativen Sollwertsprung. Eine Frequenzganganalyse ergibt eine 
Phasenreserve von ca. 65 Grad. Das ist ja so schlecht nicht. Deswegen 
auch kein Aufschwingen. Vielleicht habe ich auch was mit LTSpice falsch 
gemacht. Bei der Aufschaltung der Störgröße habe ich mich an einem 
Beispiel von LT orientiert (http://www.linear.com/solutions/4673).
Vielleicht kann ja einer von Euch LTSpice-Profis mal einen Blick darauf 
werfen.

Guß Micha

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