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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Verständnisfrage zu OpAmp und MOSFET-Treiber in Konstantstromquellen schaltung


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Autor: Marc (Gast)
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Hallo zusammen,

Ich bin relativ neu im Elektronik Bereich. Ich möchte zurzeit folgende 
einstellbare Konstantstromquelle für eine LED testen: 
http://www.instructables.com/id/DIY-WiFi-RGB-LED-Lamp/.
Ich habe die Schaltung auf einem Steckbrett nachgebaut.  Da ich den 
vorgeschlagenen MOSFET-Treiber (TC4420) nicht finden konnte, habe ich 
ihn durch ein MCP1407 ersetzt. Dieser sollte laut Datenblatt 
Pin-kompatibel sein. Die Referenzspannung am Pin 5 des OpAmp habe ich 
zurzeit durch ein Potentiometer ersetzt, mit dem ich von 0-5V stellen 
kann. Außerdem verwende ich eine andere LED. Die Last an sich, sollte 
aber ja generell egal für die Konstantstromquelle sein.?
In dem Video auf Instructables wird vorgerechnet, dass wenn die 
Referenzspannung auf 1V eingestellt wird und der Verstärkungsfaktor des 
OpAmp 11 ist, 91mA über den 1Ω Widerstand abfließen sollte. (Minute 7)
Bei mir haben sich jedoch zwei Problemstellen ergeben.


1.  Wie beschrieben habe ich den TC4420 nicht direkt kaufen können. Ich 
verwende stattdessen einen MCP1407. Im Datenblatt des MCP1407 steht:“ 
These devices are pin-compatible and are improved versions of the 
TC4420/TC4429 MOSFET drivers.”. Daher dachte ich, dass die Beschaltung 
für die MOSFET gleich sein sollten und habe das MOSFET an Pin 7 
angeschlossen. Nachdem ich jedoch die Schaltung getestet habe, merkte 
ich, dass das Gate vom MOSFET nie entladen wird. Im „Functional Block 
Diagram“ http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/20002019C.pdf 
(Seite 3)
http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21419D.pdf (Seite 2)
habe ich gesehen, dass der Output in meinen MCP1407 aufgeteilt ist. 
Außerdem steht auf Seite 2, “Duplicate pins must both be connected for 
proper operation.” Also habe ich Pin 7 und 6 Verbunden. Dies scheint 
auch so zu funktionieren. Habe ich das Datenblatt hier richtig 
verstanden, oder mache ich an der Stelle etwas grob falsch?

2.  Der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers.
Ich habe die Schaltung wie gesagt mit einem Poti als Referenzspannung 
nachgebaut. Leider ist mein Labornetzteil sofort, nachdem ich minimal an 
dem Poti gedreht habe, in den C.C. betrieb gewechselt (400mA).  Ich habe 
sehr lange überlegt, warum das so passiert.
Letztendlich habe ich eine Verstärkung von 151 eingebaut ( R1:150KΩ 
R2:1KΩ).
Wenn ich die Schaltung so aufbaue, kann ich die LED mit dem Poti auf 
passende Werte einstellen. Bei einer Referenzspannung (Pin 5 vom OpAmp) 
von 1.51V bekomme ich eine Spannung von 122mV an R2 (1Ω). Also 122mA. Da 
mir die Erklärung im Video (Ab Minute 7) mit einer Verstärkung von 11 
aber plausibel erscheint, frage ich mich, was genau bei mir falsch 
läuft, bzw. was ich nicht richtig verstanden habe. Vor allem verstehe 
ich nicht, wie ich es so falsch machen kann, dass ich einen Faktor von 
13 brauche um in einen Ähnlichen Bereich zu kommen.

Außerdem habe ich mir noch einiges zu dem 10Ω Widerstand zwischen 
MOSFET-Treiber und Gate-Pin des MOSFETs durchgelesen. Vor allem das 
Topic Beitrag "Gatewiderstände bei MOSFET Treibern?" war für mich da sehr 
Hilfreich. Wenn ich das ganze richtig verstanden habe, kann ich diesen 
Widerstand weglassen, wenn der MOSFET und Treiber sehr nahe zueinander 
platziere und die beiden Komponenten gut aufeinander abgestimmt sind. 
Woran genau sieht man aber, ob MOSFET und Treiber richtig zusammen 
passen? An dem Peak-Strom des Treibers?

Viele Grüße und einen schönen Sonntag
Marc

Autor: Christian S. (roehrenvorheizer)
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Hallo,

D2 muß mit der Kathode an die +12V.

Die Schaltung stellt eine selbst schwingende Konstantstromquelle als 
Zweipunktregler dar. Am Eingang des rechten OPVs sollte eine Spannung 
anliegen, die Du später am Sense-Widerstand von 1 Ohm wieder finden 
möchtest. Also im Bereich 0...150mV in etwa. Es fehlt noch eine sinnvoll 
eingestellte Hysterese.

Den linken OPV bräuchte man gar nicht, wenn da mehr als 5 mV am Shunt 
abfallen.

Der MCP dürfte hier vollkommen überdimensioniert sein. Es müßten ein NPN 
und PNP-Transistor vollkommen ausreichen. Dann allerdings an mehr als 
5V, um das Gate voll aufsteuern zu können.

Sind am MCP geeignete keramische Abblock-Kondensatoren dran? Kurze 
Verbindungen?

Hier wurde die selbe Aufgabe mit anderen Standardbauteilen gelöst.
http://www.led-treiber.de/html/getaktete_treiber.html#Treiber-555-MOSFET

MfG

: Bearbeitet durch User
Autor: Marc (Gast)
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Hallo Christian,

Danke für dein Feedback.

> D2 muß mit der Kathode an die +12V.

Ich weiß nicht warum, aber ich drehe die Diode in der Zeichnung 
normalerweise immer falsch rum. Hier müsste sie Jedoch richtig 
eingetragen sein oder? Kathode liegt an der 12V (nach der LED).

> Sind am MCP geeignete keramische Abblock-Kondensatoren dran? Kurze
> Verbindungen?

Wie bei Instructables vorgeschlagen, habe ich zurzeit einen 470µF Elko 
direkt vor dem MCP. Einen kermaischen Kondensator habe ich momentan 
nicht im Steckbrett. Du Sprichst von dem 0.1µF Kondensator, der im 
Abschnitt 4.3 (Seite 12) des Datenblatts des MCP1407 erwähnt wird 
richtig? Werde ich gleich Einbauen.

> Der MCP dürfte hier vollkommen überdimensioniert sein. Es müßten ein NPN
> und PNP-Transistor vollkommen ausreichen. Dann allerdings an mehr als
> 5V, um das Gate voll aufsteuern zu können.

Spricht denn irgendetwas gegen einen richtig dimensionierten 
MOSFET-Treiber? Eine 5V Spannungsquelle Brauche ich irgendwann sowieso 
(Wenn alles läuft möchte ich noch einen Mikrocontroller versorgen). 
Einen zweiten Spannungswandler würde ich gerne Vermeiden. Oder ist das 
aus deiner Sicht auf jeden Fall die sinnvollste Wahl? Obwohl, denn 
könnte ich ja sonst an der 12V leitung anschließen.

> Die Schaltung stellt eine selbst schwingende Konstantstromquelle als
> Zweipunktregler dar. Am Eingang des rechten OPVs sollte eine Spannung
> anliegen, die Du später am Sense-Widerstand von 1 Ohm wieder finden
> möchtest. Also im Bereich 0...150mV in etwa. Es fehlt noch eine sinnvoll
> eingestellte Hysterese.

> Den linken OPV bräuchte man gar nicht, wenn da mehr als 5 mV am Shunt
> abfallen.

Letztendlich würde ich gerne ein PWM-Signal von einem Mikrocontroller 
verwenden. Der Zielbereich war also 0V - 3.3V. Hierfür dachte ich, wäre 
die Verstärkung des linken OpAmp notwendig, um am Sense-Widerstand nur 
einen Teil, der von mir vorgegebenen Spannung zu bekommen. Hab ich das 
falsch verstanden? An eine Hysterese habe ich gar nicht gedacht. Mit 
Hysterese würde ich letztlich die Schaltfrequenz des MOSFET verringern 
richtig? Ich muss mir mal ansehen, wie ich das implementiere.


> Hier wurde die selbe Aufgabe mit anderen Standardbauteilen gelöst.
> http://www.led-treiber.de/html/getaktete_treiber.html#Treiber-555-MOSFET
Danke für das Beispiel. Sieht sehr interessant aus! Findest du diese 
Schalung besser? Wenn Ja warum?  Ich werde mal schauen, ob ich irgendwo 
diese Doppel-Transistoren finden kann, und sie auch mal nachbauen. Mein 
Ziel ist dennoch auch diese Schaltung richtig zum laufen zu bekommen, um 
zu verstehen was ich falsch mache.


Viele Grüße
Marc

Autor: Harlekin (Gast)
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Die gezeigte Schaltung lässt nur während der ON-Dauer einen Strom durch 
die LED fliessen. In der Spule gespeicherte Energie wird verschwendet. 
Für eine optimale Funktion sollten der Messwiderstand und die LED 
innerhalb des Loops L1 und D2 eingebaut werden. Wie es in den von Marc 
verlinkten Beispielen gelöst wurde.
http://www.led-treiber.de/html/getaktete_treiber.html#Treiber-555-MOSFET

Autor: ArnoR (Gast)
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Marc schrieb:
> Mein
> Ziel ist dennoch auch diese Schaltung richtig zum laufen zu bekommen, um
> zu verstehen was ich falsch mache.

Ich denke nicht, dass du was falsch machst, die Schaltung ist einfach 
Mist.

Nehmen wir mal an, der Mosfet wurde gerade eingeschaltet. Der Strom 
durch Q1 und die LED steigt an und ebenso die Spannung an R4 und die 
Ausgangsspannung von U2.1. Sobald die die Referenzspannung übersteigt, 
schaltet der Komparator U2.2 den Treiber U5 und Q1 wieder ab. Der Strom 
durch Q1 wird null und der Treiber U5 müsste sofort wieder eingeschaltet 
werden usw..

Die Schaltfrequenz und das Tastverhältnis sind so nicht gut definiert 
und ergeben sich nur durch Laufzeiteffekte und Erholzeiten. Wenn du z.B. 
die Verstärkung des U2.1 erhöhst, übersteuert der Komparator stärker und 
braucht länger zum Umschalten, außerdem nimmt der Hub am Ausgang von 
U2.1 zu, beides führt zum absinken der Schaltfrequenz bzw. zur 
Verschiebung des Tastverhältnisses.

Autor: Marc (Gast)
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Hallo,

Harlekin schrieb:
> Die gezeigte Schaltung lässt nur während der ON-Dauer einen Strom durch
> die LED fliessen. In der Spule gespeicherte Energie wird verschwendet.
> Für eine optimale Funktion sollten der Messwiderstand und die LED
> innerhalb des Loops L1 und D2 eingebaut werden. Wie es in den von Marc
> verlinkten Beispielen gelöst wurde.

Wenn ich deine Aussage richtig verstehe, meinst Du, dass der 
Messwiderstand und die LED in eine Loop müssen, so wie Christian dass in 
seinem Beispiel zeigt oder (Also nicht ich(Marc))? Nur um ganz sicher zu 
gehen =)

ArnoR schrieb:
> Nehmen wir mal an, der Mosfet wurde gerade eingeschaltet. Der Strom
> durch Q1 und die LED steigt an und ebenso die Spannung an R4 und die
> Ausgangsspannung von U2.1. Sobald die die Referenzspannung übersteigt,
> schaltet der Komparator U2.2 den Treiber U5 und Q1 wieder ab. Der Strom
> durch Q1 wird null und der Treiber U5 müsste sofort wieder eingeschaltet
> werden usw..

Danke für die Aufklärung. Macht natürlich sinn. Sobald das MOSFET 
ausschaltet, sollte an dem 1Ω keine Spannung abließen und der OpAmp 
müsste sofort wieder schalten.

ArnoR schrieb:
> Die Schaltfrequenz und das Tastverhältnis sind so nicht gut definiert
> und ergeben sich nur durch Laufzeiteffekte und Erholzeiten. Wenn du z.B.
> die Verstärkung des U2.1 erhöhst, übersteuert der Komparator stärker und
> braucht länger zum Umschalten, außerdem nimmt der Hub am Ausgang von
> U2.1 zu, beides führt zum absinken der Schaltfrequenz bzw. zur
> Verschiebung des Tastverhältnisses.

Das bedeutet, dadurch dass ich an der Verstärkung rum gepfuscht habe, 
habe ich Die Schaltfrequenz in dem Maße verringert, dass ich einen 
passenden Bereich gelangt bin. Richtig?

Dies könnte ich also lösen, in dem ich den 1Ω Widerstand in die LED-Loop 
mit hinein ziehe (So wie es Harlekin und Christian empfehlen) und dann 
noch die Beschaltung am OpAmp anpasse. Das werde ich gleich mal Testen!

Vielen Dank für Eure Antworten.
Marc

Autor: Harlekin (Gast)
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Marc schrieb:
> so wie Christian dass in
> seinem Beispiel zeigt oder (Also nicht ich(Marc))? Nur um ganz sicher zu
> gehen =)

Sorry, für die Namensverwechslung.

Autor: Alexxx (Gast)
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Immer wieder erstaunlich dass die Leute die schrottigsten Schaltungen 
aus dem Internet raussuchen, wie ArnoR schon geschrieben hat.
Aber das willst du (Marc) nicht hören...
Also viel Erfolg.

Autor: MaWin (Gast)
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Marc schrieb:
> Bei mir haben sich jedoch zwei Problemstellen ergeben.

Die Schaltung ist grober Unsinn.

Auch der TC4420 hat 2 Ausgänge die verbunden werden müssten (oder mit 
unterschiedlichen Widerständen zum MOSFET-Gate gehen um unterschiedliche 
ein und aus-Schaltzeiten zu bekommen, dafür ist er eigentlich gedacht, 
hier also fehl am Platze).

Und, da der Ausschaltstrom nicht über den shunt R4 fliesst sondern mit 
der viel zu langsamen 1N4007 Diode sogar um die LED drumrum geleitet 
wird, schaltet das Ding nicht mal seriös aus.

So sieht ein Hystereseregler aus: Schottky-Diode, kleiner (SOT23) 
MOSFET, kein Treiber nötig.
  +----------------------------+----------o Akku
  |                            |
  |               +--|+\       |S
  |               |  |  >--+--|I IRLML6401
TLV3012--12k--+---(--|-/   |   |
  |   Ref     |   |        |   +--|<|--+ BAV100
  |           |   |        |   |       |
  |           |   +--270k--+  LED      |
  |           |   |            |       |
  |           |   |          100uH     |
  |           |   |            |       |
  |           1k  +----1k------+       |
  |           |                |       |
  |           |              0.27R     |
  |           |                |       |
  +-----------+----------------+-------+--o
Aus
http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm

Autor: Marc (Gast)
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Hallo Harlekin,
Harlekin schrieb:
> Sorry, für die Namensverwechslung.

Das ist wirklich kein Problem, ich wollte nur sicher gehen, dass ich 
alles richtig verstanden habe. =)

Alexxx schrieb:
> Immer wieder erstaunlich dass die Leute die schrottigsten
> Schaltungen
> aus dem Internet raussuchen, wie ArnoR schon geschrieben hat.
> Aber das willst du (Marc) nicht hören...
> Also viel Erfolg.

Hi Alexxx, Danke für deine Hilfestellung :).
Ich möchte sehr gerne jetwede Kritik hören, um zu lernen, was ich wie 
und wo falsch mache. Ich habe auch schon geschaut (wie bereits 
geschrieben) wo ich diesen DoppelTransistor her bekomme. Mir ist klar, 
dass alle die hier Antworten, ihre private Zeit inevestieren und dafür 
bin ich wirklich dankbar.

Ich suche mir schrottige Schaltungen raus, weil ich es einfach nicht 
besser weiß. Aus diesem Grund fragte ich hier nach Ratschlägen und habe 
wirklich sehr viele nützliche gelesen.
Außer von Dir (Alexxx)


MaWin schrieb:
> Die Schaltung ist grober Unsinn.
>
> Auch der TC4420 hat 2 Ausgänge die verbunden werden müssten (oder mit
> unterschiedlichen Widerständen zum MOSFET-Gate gehen um unterschiedliche
> ein und aus-Schaltzeiten zu bekommen, dafür ist er eigentlich gedacht,
> hier also fehl am Platze).

Hallo MaWin, vielen Dank für Dein Feedback.
Bedeutet das, dass der Treiber wirklich nur genutzt werden soll, damit 
man diese Verschieden Schaltzeit-punkte genau einstellen kann? Warum 
auch immer hatte ich gedacht, dass er nur genutzt wird um das Gate 
möglichst schnell zu laden.

MaWin schrieb:
> Und, da der Ausschaltstrom nicht über den shunt R4 fliesst sondern mit
> der viel zu langsamen 1N4007 Diode sogar um die LED drumrum geleitet
> wird, schaltet das Ding nicht mal seriös aus.

Mir war nicht bewusst, dass Dioden eine Geschwindigkeit haben. Ich werde 
mir dazu noch etwas durchlesen.
Verstehe ich Dich richtig, dass Du auch den Widerstand R4 auch in die 
Spulen/Diodenschaltung mit hinein ziehen würdest, damit der richtige 
Strom geregelt wird? So, wie das in der von Christian gezeigten Lösung 
funktioniert?

Danke für den Schaltplan mit Hysterese. Ich hatte bisher nur Zeichnungen 
gefunden, wo das mit positivem Feedback am OpAmp gezeigt wurde. Hier 
wurde es ja an am negativen Eingang des Comparators gelöst. (Wenn ich 
den Schaltplan richtig verstehe). Ich muss den Plan mal Nachvollziehen.


Ich versuche zurzeit all eure Kritik in die Schaltung einfließen zu 
lassen, und eine passable Schaltung zu verwirklichen. Den MOSFET-Treiber 
habe ich rausgeschmissen, den 1 Ohm Widerstand und die Diode so 
angeordnet, wie das in Christians Vorschlag umgesetzt wurde.

Viele Grüße
Marc

Autor: Marc (Gast)
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Marc schrieb:
> Danke für den Schaltplan mit Hysterese. Ich hatte bisher nur Zeichnungen
> gefunden, wo das mit positivem Feedback am OpAmp gezeigt wurde. Hier
> wurde es ja an am negativen Eingang des Comparators gelöst.

Jetzt wo ich mir den Plan nochmals in Ruhe angeschaut habe, sehe ich, 
dass die "(" wohl dazu dient die Leitung zu überspringen. Interessant 
finde ich dann vor allem den 1k Widerstand vor dem .27 Ohm Widerstand 
und die Anordnung der Diode. Muss ich auch unbedingt mal Testen. Besten 
Dank!

Autor: MaWin (Gast)
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Marc schrieb:
> Verstehe ich Dich richtig, dass Du auch den Widerstand R4 auch in die
> Spulen/Diodenschaltung mit hinein ziehen würdest, damit der richtige
> Strom geregelt wird?

Natürlich, man muss den Strom auch im Ausschaltmoment über R4 fliessen 
lassen, damit man entscheiden kann wann er wieder gering genug zum 
Einschalten ist. Die einzig andere Variante wäre ein Regler mit einer 
konstanten toff Ausschaltzeit, aber dazu bräucht man ein zweites 
zeitbestimmendes Bauteil, einen Kondensator, nicht nur die Spule.

> So, wie das in der von Christian gezeigten Lösung
> funktioniert?

Die mit dem TLC555 ?

Na ja, die "Lösung" ist halt superaufwändig.

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