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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Labornetzteil: Strom regeln


Autor: Bjoern M. (salival)
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Ich moechte mir ein Labornetzteil bauen und bin nun auf der Suche, nach
der "besten" Methode den Stromregler aufzubauen. Zum Einstellen der
Stromstaerke kommt von einem DAC eine Spannung zwischen 0 und 4V, diese
soll umgesetzt werden zu 0-4A. Gemessen wird per 0.1 Ohm Shunt.

Also: Soll-Werte von 0-4V und Ist-Werte von 0-0.4V

Ich hab nun 2 verschiedene Varianten erstellt und in der Simulation
funktionieren beide einwandfrei:
-Den Ist-Wert um Faktor 10 per OP verstaerken.
-Den Soll-Wert per Spannungsteiler um Faktor 10 abschwaechen.

Aber was ist nun in der Praxis besser?
Ich vermute, dass Variante 1 langsamer reagiert und Variante 2 mehr
rauscht.

Wie ist eure Meinung dazu?

gruss, bjoern.

Autor: Bjoern Buettner (tishima)
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Hallo!

Kannst Du mir bitte mal erklären wofuer man eine Stromreglung in einem
Labornetzteil brauch ??
Ok, eine einstellbare Strombegrenzung möchte ich im meinem Netzteil
nicht mehr missen, aber mir verschlisst sich der Sinn in einer
Stromreglung.

mfg,
Bjoern

Autor: Reinhold Rabe (Gast)
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Naja, die meint er vermutlich. Eine Stromregelung ist nämlich wenig
sinnvoll, der Verbraucher nimmt sich nämlich so viel Strom wie er
braucht.

Autor: Bjoern M. (salival)
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Schaltet dein Labornetzteil bei erreichen der eingestellten Begrenzung
ab, oder bleibt der Strom konstant und die Spannung wird
runtergeregelt? Falls letzteres, dann verhaelt es sich wie 100% der
Netzteile, die ich bisher gesehen habe und hat eine Stromreglung.

Aber Sinn hin oder her, was ist nun geeigneter?

gruss, bjoern.

Autor: Bjoern M. (salival)
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Ach ja an Begriffen solls nicht scheitern:
Ich nenns von mir aus auch Strombegrenzung. Die Funktion bleibt gleich.

Autor: Bjoern Buettner (tishima)
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Ok,

Haette ja wirklich sein können das es dafuer eine sinnvolle Anwendung
gibt.
Ich kann beides bei mir einstellen entweder Abschaltung oder
Strombegrenzung und finde auch beides sinnvoll. Könnte auf die
Abschaltung aber verzichten.
Wuerde mir eher wuenschen das man beides nutzen kann, erst eine gewisse
Zeit Strombegrenzung und dann Abschalten. Falls man die Anzeige nicht im
Auge hat.

Ein zu schnelles reagieren der Strombegrenzung ist in einigen faellen
wichtig, ich finde aber das es auch laestig werden kann. Bei dem
Netzteil das ich bei meinem Arbeitgeber nutze ist die Strombegrenzung
sehr schnell, ein kurzen abrutschen mit Messspitzen oder das Geraet
schaltet Kondensatoren zu und die Strombegrenzung spricht an.
Soetwas ist ja aber immer Anwendungsabhaengig.

mfg,
Bjoern

Autor: Bjoern M. (salival)
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Nunja, Anwendungen fuer Konstantstrom gibt es schon:
-Styropor schneiden
-Akkus laden
-und dann verliessen sie ihn(aber es gibt sicher noch mehr)

Geplant ist das ganze uebrigens als universeller Analogteil fuer
Eigenbau-Labornetzteile. Soll heissen: Galvanisch getrennte
SPI-Schnittstelle fuer DAC/ADC. Damit kann sich dann jeder sein
Netzteil nach Wunsch in ein eigenes Gehaeuse mit eigenem Controller und
Display, Knoeppen und Schnittstellen nach Wahl bauen und braucht sich um
den Analogkram keine Gedanken machen. Wenn der erste Prototyp mal
laeuft, stell ich meine Unterlagen dann ins Wiki. Aber ich will noch
keinen grossen Rummel drum machen. Vielleicht wirds ja auch nichts.

Damit koenntest du deine verzoegerte Abschaltfunktion implementieren,
waehrend jemand anderes vllt ne eierlegende
USB-DDS-Funktionsgenerator-WoMiSa mit Datenlogger und
Knight-Rider-Lauflicht draus baut.

so long, bjoern.

Autor: Pieter (Gast)
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moin moin,

da das Bild eine Spicesimu zeigt, rechne es mal durch.
Die Schaltung selber erinnert mich sehr stark an das Doppelnetzteil aus
dem Elektronischen Jahrbuch 1978(?).
Bei meiner Rechnung verwende ich als Regeltransi einen FET IRFP250.
Welche Auflösung sollen AD/DA haben?

Mit Gruß
Pieter

Autor: Marco S (Gast)
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Hallo Björn

Habe mal was ähnliches unter Spice simuliert und dann nachgebaut. Da
sind Welten zwischen Simulation und Realität. Musste haufenweise
Kondensatoren nachlöten, damit es nicht schwingt.

Bei deiner Schaltung vermisse ich Regelkreise. O.k., aber die beiden
P-Regler mit der Verstärkung der OPs und den Nichtlinearitäten dürften
das wohl schwingen lassen.

Am besten ist immer noch den Kram per Lötleiste/Freiluft zu verdrahten
und mit einem Oszi unter Einsatz zu messen.

Gruß
Marco

Autor: Bjoern M. (salival)
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Das die Schaltung aus der Simulation nie und nimmer in der Realitaet
funktioniert ist mir schon klar. Da muss noch ein I-Anteil rein und
dann mal weiter schauen. Ich orientier mich da an diversen
ELV-Netzteilen und Peters Lieblingsnetzeil von linuxfocus.org, die
letztlich auf Tietze-Schenk zurueckzufuehren sind. Daher auch die
Aehnlichkeiten zu diversen anderen Labornetzteilen.
Bei der Simu gings nur drum, dass ich das Regelkonzept verstehe. Auf
lange Parametriesierung hatte ich keine Lust und kanns auch nicht. Und
am Ende sieht die Realitaet sowieso anders aus.
Die echte Schaltung ensteht auf dem Steckbrett und wird durch
"probieren" ermittelt.

Geplant sind "LTC 1446 CS8" (2x12bit,10.15Euro) als DAC und "ADS
7822 UB" (12bit,3.35Euro) oder "ADS 1286 U" (12bit,4.75Euro) als
ADC. Wobei ich beim ADC noch nicht sicher und fuer Vorschlaege offen
bin. Dazu noch rauscharme OPs mit wenig Offset, moeglichst Burr-Brown,
aber noch nichts konkretes.

Maximale Spannung/Stromstaerke sowie die ganze Versorgung steht auch
noch nicht wirklich fest. Mir wuerden 0-20V 0-2A reichen. DAC/ADC sind
fuer 40V/4A gedacht, wobei man sicherlich auf mV bzw. mA Genauigkeit,
zumindest beim DAC, verzichten kann.

Interessant finde ich die Versorgung vom "ELV PPS 7330". Da wird
nicht zwischen Parallel-/Serienschaltung vom Trafo, sondern zwischen
normaler Gleichrichtung und Spannungsverdopplung umgeschaltet. Das
wuerde gut zu den guenstigen 12V-Ringkernen von Pollin passen.

Nunja, ich seh mal zu, dass ich spaetestens am Wochenende nen
funktionierenden Prototypen aus "Ersatzteilen" fertig hab. Dann seh
ich weiter.

Ach ja, einen alten gescheiterten Versuch mit anderem Regelkonzept(nur
eine einzige Versorgungsspannung noetig(die zwischendurch mal "etwas"
zu hoch war, siehe letzte bilder)) kann man hier bewundern:
http://www.lania.de/salival/bilder/powersupply/
http://www.lania.de/salival/bilder/powersupply2/

gruss, bjoern.

Autor: Bjoern M. (salival)
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nachtrag:
-Aufloesung Spannung ist sowieso schon 10mV.
-Natuerlich fehlen da auch noch diverse "Sicherheitsschaltungen".
-Auf Diskussionen zu max U/I gehe ich nicht ein. Es gibt das, was ich
fuer sinnvoll halte. Ansonsten bin ich fuer konstruktive Vorschlaege
offen, muss sie aber, selbst wenn ich sie gut finde, nicht zwingend
umsetzen --> Das Ding soll stabil laufen und keinen Schnick-Schnack
haben.

btw: was war nochmal Thema des Threads? Ein einfaches: "Vergiss
Variante x, weil ..." wuerde mir schon reichen. Ich favorisiere
uebrigens mittlerweile die Spannungsteilermethode.

Autor: Pieter (Gast)
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moin moin,

anbei mal meine Version, soll auch für 0..40V/0..4A ausgelegt sein.
Der AD/DA Teil wird mit einem eigenen 89C2051 potentialgetrennt seriell
angesteuert. Die 12V für die OPVs dann auch mit Transverter.
Als ADU verwende ich MAX186, als DAU auch den LTC1446.
Eigendlich würde als Doppelnetzteil schon 20V/2A reichen. Wenn dann die
Möglichkeit bestände die Netzteile parallel zu schalten, also eins
stellt die Spannung ein und beide liefern je den halben Strom, dann
reicht es schon für viele Fälle.

Mit Gruß
Pieter

Autor: Bjoern M. (salival)
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So ich hab mal versucht, durch die Schaltung durchzusteigen. Das
Regelkonzept ist leicht anders. Muesste ich mir nochmal ohne den
"Kompensationklimbim" aufmalen, damit ichs wirklich durchschaue. Das
einzige, was mir nicht so ganz zusagt, ist der FET als Endstufe. Wenn
ich das richtig im Hinterkopf hab, sollen die nicht schnell genug
reagieren um Lastwechsel auszugleichen.

Kannst Du was zur Genauigkeit der internen Referenz des LTC1446 sagen?
Hab leider noch keinen hier.

Und der MAX186 ist mir, zumindest in der ACPP-Variante, mit 39.95Euro
entschieden zu teuer. Die anderen sind bei Reichelt zur Zeit nicht
lieferbar. (Nicht, dass ich auf Reichelt angewiesen waere, aber da es
nachbaubar werden soll, wollte ich mich auf einen einzigen Lieferanten
beschraenken.)
Beim ADC kann man meiner Meinung nach auch auf "Low-Cost"
zurueckgreifen, da er ja nur fuer die Anzeige der Ist-Werte gebraucht
wird. Da laesst sich mit Mittelung oder Oversampling in die eine oder
andere Richtung noch was rausholen.

Das mit dem eigenen Controller fuer den Analogteil muss ich mir auch
noch ueberlegen. SPI(5)+Standby(1)+Limit(1) macht schon 7 Leitungen,
die ueber schnelle OK getrennt werden muessten. Aber darueber mach ich
mir noch keine Gedanken. Erstmal muss die Reglung vernuenftig laufen.

Zur Seriell-/Parallelschaltung der Netzteile: da sollte ich mir mal
Doppelnetzteile anschauen, wie es da geloest ist. Seriell sollte kein
Problem sein, aber parallel hab ich irgendwo im Forum mal gelesen, dass
es da boese Ueberraschungen geben kann. Allerdings hatte ich persoenlich
nie vor, mehrere parallel zu schalten. Das Ding soll eher moeglichst
genau und stabil werden. 20V/2A wuerden mir wiegesagt reichen. Aber da
ist ja im Prinzip unbegrenzt Spielraum bei entsprechender
Dimensionierung. Wenn ich mehr Power brauch, bau ich mir lieber gleich
was grobes bzw nen Schaltnetzteil auf.

gruss, bjoern.

Autor: Pieter (Gast)
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Hi Bjoern,

habe mir für zuhause ein Fluke 189 geleistet, das zeigt z.B. die 4,096V
noch mit 4,0960V an. Bei den LTC1446 habe ich bei 4Stück Werte zwischen
4,090 und 4,100 gemessen. Muss zuhause noch mal nachsehen, hatte aber
auf bessere Werte gehofft.
Die MAX186A stammen aus verschrotteten Platinen;-))
Der eigene MC für eine Regeleinheit ist je genau wegen der "vielen"
Leitungen. So brauche ich 3 OKs für Tx/Rx/CS. Je Wert werden max. 3Byte
übertragen, da reicht schon 19200 -> 2ms für Wert einstellen oder
abfragen.
Als Transverter nutze ich eine DIL24-3W-12V Version, liefert also
250mA, davon gehen max. 50mA für MC+OKs drauf und 200mA sollten für die
OPVs ud den RegelFET/Transi reichen.
In der Simu sehe ich keinen Unterschied ob FET/Transi. Wenn der FET zu
langsam sein sollte, liegt das an der Ansteuerung. Vergleiche mal
Schaltregler mit FET und mit Transi. Die FETs haben immer wesendlich
höhere Schaltfrequenzen. Hab auf Arbeit einen 4A FET-StepDown Wandler
laufen, der ungekühlt (nur Leiterplatte) in einem SO8 realisiert ist.

Zur P/S-Schaltung, U/I kann nie genug sein (ist wie mit Geld), bei der
2. Aufgabe reicht das Netzteil nicht. Ist eine frage des Aufwandes.
Mein bisheriges Doppelnetzteil hat folgende Betriebsarten:
U1     U2, getrennt regelbar
U1 GND U2, getrennt regelbar -/+ Spannung
U1 GND U2, U1 gibt Spannung vor, bei U2 wird das Verhältnis beider
Spannungen eingestellt-> U2=k*U1, damit beide Spannungen mit 1 Regler
einstellbar. Gut bei OPV-Schaltungen.

Mit Gruß
Pieter

Autor: Pieter (Gast)
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moin moin,

hier nun die Daten, jeweils 4 BE gemessen mit einem kalibierten
FLUKE189:

MAX186: Uref
1. 4,0984V
2. 4,1010V
3. 4,0993V
4. 4,0988V

LTC1446:
Ausgabe 100
     UA1        UA2
1.   0,09748V   0,10018V
2.   0,09781V   0,10064V
3.   0,09915V   0,09658V
4.   0,09920V   0,09975V

Ausgabe 2000
     UA1        UA2
1.   1,9964V    1,9994V
2.   1,9939V    1,9975V
3.   1,9922V    1,9905V
4.   1,9990V    2,0007V

Ausgabe 4095
     UA1        UA2
1.   4,0892V    4,0890V
2.   4,0897V    4,0897V
3.   4,0838V    4,0784V
4.   4,0906V    4,0904V

Zur Eingangsfrage:
>>-Den Ist-Wert um Faktor 10 per OP verstaerken.

Bei der Stromregelung habe ich da Probleme den richtigen Wert zu
begrenzen.

>>-Den Soll-Wert per Spannungsteiler um Faktor 10 abschwaechen.

Hier habe ich eine fast konstanten Fehler von ca. 3mA. Stelle ich 10mA
ein, wird auf ca. 13mA begrenzt. Bei 1A wird auch bei ca. 1,005A
begrenzt.


Mit Gruß
Pieter

Autor: Unbekannter (Gast)
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Zur Eingangsfrage:

Persönlich würde ich die Variante mit nur einem OPV bevorzugen.

Jeder zusätzliche OPV bringt eine neue Phasenverschiebung mit. Nicht
dass man das in den Griff bekommt, zum einem mit entsprechend
großzügigen (und teuren OPV), zum anderem mit viel rechnerei und
kompensiererei, aber es ist IMHO unnötig kompliziert.

Autor: Unbekannter (Gast)
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> >>-Den Soll-Wert per Spannungsteiler um Faktor 10 abschwaechen.

> Hier habe ich eine fast konstanten Fehler von ca. 3mA. Stelle
> ich 10mA ein, wird auf ca. 13mA begrenzt. Bei 1A wird auch bei
> ca. 1,005A begrenzt.

Offsetspannung des OPVs.

Autor: Bjoern M. (salival)
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@Pieter
Danke fuer die Messwerte. Sehen ja verhaeltnismaessig schlecht aus.
Oben deine Messwerte, unten das Verhaeltnis "Messwert*1000/Vorgabe":

      A1      A2      A3      A4       B1      B2      B3      B4
100   0.09748 0.09781 0.09915 0.09920  0.10018 0.10064 0.09658 0.09750
2000  1.99640 1.99390 1.99220 1.99900  1.99940 1.99750 1.99050 2.00070
4095  4.08920 4.08970 4.08380 4.09060  4.08900 4.08970 4.07840 4.09040

100   0.97480 0.97810 0.99150 0.99200  1.00180 1.00640 0.96580 0.97500
2000  0.99820 0.99695 0.99610 0.99950  0.99970 0.99875 0.99525 1.00035
4095  0.99858 0.99871 0.99726 0.99893  0.99853 0.99871 0.99595 0.99888

Mit einem Offset koennte ich noch gut leben, aber wenn die Dinger nicht
linear sind, wirds schon schwieriger. Fuer 10,15Euro haette ich mehr
erwartet. Hab mittlerweile auch einen hier liegen, bin aber noch nicht
dazu gekommen, ihn auszuprobieren.


Mit dem Netzteilmodul bin ich auf Simulationsebene schon ein gutes
Stueck weiter. Auf Hardwareebene allerdings noch nicht, da ich das
ganze nicht auf dem Steckbrett testen wollte und noch keine Zeit fuer
einen vernuenftigen Prototypen hatte. Im Anhang mal die aktuelle
Schaltung(die 3Nxxx sind in der Realitaet andere und die beiden
OP-Schaltungen fuer den ADC sind nicht richtig dimensioniert). Ich hab
mich stark an einem USB-Labornetzteil von ELV orientiert...

Das Projekt lag jetzt auch schon ein paar Wochen brach, aber vielleicht
mache ich am Wochenende mal wieder was dran. Mittlerweile bin ich zwar
einsichtig geworden, dass es guenstiger und nervenschonender waere ein
fertiges zu kaufen, aber da ich jetzt alle Teile schon hier habe, werde
ich es wohl trotzdem durchziehen muessen :)

gruss, bjoern.

Autor: Bjoern M. (salival)
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...und noch das LTSpice-file

Autor: Pieter (Gast)
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moin moin,

@Björn

die letzen Tage habe ich mich verstärkt die OptoADDA mit der Kopplung
zum Master hin realisiert. So kann ich vom Hyperterminal aus U/I
einstellen und abfragen.
Als Regler nutze ich jetzt einen MJ11016. Basisstrom bei 4A ist <0,5mA,
also fast wie ein FET.
Den Rest sehe ich mal heute abend an.

Mit Gruß
Pieter

Autor: Pieter (Gast)
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anbei das unscharfe Bild der OptoADDA.

Autor: Pieter (Gast)
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moin moin,

@Björn

beim LTC verwendest Du ideale OPVs. Damit wird natürlich das Ergebnis
sehr schön, aber nutzlos. Verwende mal reale OPVs, den Typ den Du
nehmen willst und dann lass nochmal simulieren.

Zur OptoADDA, das Modul ist 52x32mm. Der 89C4051 fragt alle 5ms die 4
ADUs ab und speichert den Wert. Über MOSI empängt er Kommandos und
führt sie bei aktiven CLK aus. Das Reset ist davon unabhängig und alle
Module können mit einem Befehl ausgeschaltet werden. Wurde ein ADU Wert
abgefragt, wird diese über MISO als 12Bit SPI gesendet. Der Takt kommt
dabei vom Master. Taktrate ist 19200Baud.

Mit Gruß
Pieter

Autor: Bjoern M. (salival)
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Hab ich erwaehnt, dass ich mich SwCad nicht besonders gut auskenne? Ich
wollte erstmal den LM358 fuer den Regelkreis verwenden. Wenn du mir
sagst, wie ich das anstelle, simulier ich das ganze auch mit dem.

Ich hatte schonmal ein Spice-Model fuer LM324 runtergeladen und
halbwegs geschafft einzubinden, aber sicher bin ich mir nicht. Muss man
da nicht noch was mit .op oder so in das Schematic schreiben? Das seh
ich zumindest bei vielen anderen. Da ich aber nicht genau weiss, was
dahintersteckt(im Grunde schon; das sind Spice-Befehle?), hab ich bis
jetzt mit den idealen OPs gearbeitet.
Die wirkliche Dimensionierung findet eh am Prototypen statt und die
Schaltung ansich ist so OK. Stammt ja groesstenteils von ELV und hat
sich seit vielen Netzteilgenerationen nicht grossartig geaendert.

Nunja, ich hab sowieso erstmal keine Zeit fuer das Netzteil. Bauen
werde ich es auf jeden Fall, aber nicht heute und nicht morgen.

gruss, bjoern.

PS: der MJ11016 sieht interessant aus, aber TO3 passt mir nicht ins
Konzept. Ich hatte bis jetzt BD137+BD245 vorgesehen, sollte zumindest
fuer 20V/2A ausreichend sein. Aber das wollte ich sowieso nochmal
durchrechnen.

Autor: Pieter (Gast)
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moin moin,

so mal etwas weitergebaut und über 4 Module mal die Ausgangsspannung
per Ansteuerung/Messung im Anhang abgelegt.
Beim MAX186 (was billigeres als Ersatz finde ich einfach nicht) wurde
die Ref auf 4,0960V eingestellt und im Usoll Zweig ist ein Trimmer
drin. Dieser wurde bei Usoll=2V (Ua=20V) genau abgeglichen.
Bei 2 Modulen habe ich mir mal die arbeit gemacht, je Volt die
Ausgangsspannung mit Fluke189 nachzumsssen.

Mit Gruß
Pieter

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