Hallo zusammen, mein Ziel ist es eine Stromquelle mit max. 2A AC sowie einstellbarer Frequenz und Amplitude zu bauen. Dazu erzeuge ich derzeit mit dem 8038 etwa 6V AC passender Frequenz, über einen Poti/Spannungsteiler erzeuge ich daraus etwa 0.5 V. Mit dem LM741 (als Voltage to Current Amplifier) versuche ich das dann auf einen entsprechenden Strom zu übersetzen. Zwei konkrete Fragen habe ich dazu: 1) Grundsätzlich funktioniert der Aufbau, der Leistungsopamp wird aber sehr schnell warm, sodass ich mich nicht recht traue das ganze länger zu betreiben. Wie schätzt man am besten die Verlustleistung ab? 2) Gibt es Ideen für eine bessere Bauweise der Stromquelle? Viele Grüße Markus
Quiche Lorraine schrieb: > Wie schätzt man am besten die Verlustleistung ab? Subtrahiere den Effekt-Wert der Ausgangsspannung von der 15V Versorgungsspannung. Multipliziere das dann mit dem effektiven Ausgangsstrom. Da sollte ungefähr die Verlustleistung ergeben. Beim Sinus ist der Effekt-Wert ungefähr Spitzwenwert x 0,71. > Gibt es Ideen für eine bessere Bauweise der Stromquelle? Mit einer Class-D Endstufe kann man die Verluste reduzieren, aber die haben dafür eine Menge Nachteile.
LM741 oder LM675 ? Bei 15V macht schon 0.1A zu viel für DIP8, und 1A zu viel für TO220 auf Kühlkörper. Brauchst du keine 12V am Ausgang, kann man weniger als 15V nehmen.
Quiche Lorraine schrieb: > > mein Ziel ist es eine Stromquelle mit max. 2A AC sowie einstellbarer > Frequenz und Amplitude zu bauen. Wozu? Hast du Langeweile? Oder müssen Bauteile weg? Schon einstellbare AC Konstantspannungsquellen sind exotisch und dementsprechend teuer. Aber AC Konstantstromquellen? > Dazu erzeuge ich derzeit mit dem 8038 etwa 6V AC passender Frequenz, > über einen Poti/Spannungsteiler erzeuge ich daraus etwa 0.5 V. > Mit dem LM741 (als Voltage to Current Amplifier) versuche ich das dann > auf einen entsprechenden Strom zu übersetzen. Mit der Betonung auf versuche. Es gibt eine kanonische Schaltung für eine spannungsgesteuerte Stromquelle. In der einfachen Variante hängt die Last zwischen OPV-Ausgang und dem Shunt nach GND. Wenn deine Last einseitig direkt an GND hängen muß, dann bleibt nur Variante 2 aka Howland-Stromquelle. guckstu: https://www.ti.com/lit/an/snoa474a/snoa474a.pdf > 1) Grundsätzlich funktioniert der Aufbau Du meinst jetzt: außer daß der Strom nicht geregelt wird? > der Leistungsopamp wird aber > sehr schnell warm, sodass ich mich nicht recht traue das ganze länger zu > betreiben. Wie schätzt man am besten die Verlustleistung ab? Kommt auf die Last an. Im schlimmsten Fall ist die Last ein Kurzschluß und dann fallen Betriebsspannung × Ausgangsstrom an der Ausgangsstufe des OPV an. Ansonsten unterscheidet sich die Situation nicht von der einer NF-Endstufe. Formeln dazu findest du in jedem einschlägigen Lehrbuch. > 2) Gibt es Ideen für eine bessere Bauweise der Stromquelle? Kommt drauf an. Wenn es nur niedrige Frequenzen sein müssen und die Regelung langsam sein darf, wäre ein Class-D Amp statt des Leistungs-OPV die bessere Wahl. Aber bei spannungsgesteuerten Stromquellen und speziell der Variante nach Howland und insbesondere wenn die Steuerspannung AC ist, ist das Hauptproblem immer die dynamische Stabilität. Wie groß das Problem wird, hängt nicht unerheblich von deiner Last ab.
Quiche Lorraine schrieb: > Grundsätzlich funktioniert der Aufbau, der Leistungsopamp wird aber > sehr schnell warm, Die Erwärmung könnte auch daran liegen, daß der LM675 schwingt. Seine Kompensation verlangt nämlich mindestens zehnfache Spannungsverstärkung. Als Spannungsfolger, wie in Deinem Schaltplan, ist er nicht geeignet.
Quiche Lorraine schrieb:
>Wie schätzt man am besten die Verlustleistung ab?
Braucht man nicht schätzen, kann man genau ausrechnen.
Spannung mal Strom am Bauteil.
P = U * I
Worst Case wäre die Verlustleistung 30 Watt und da sagt schon die gefühlsmäßige Erfahrung, dass es mit einem einzigen TO220-Bauteil fast unmöglich ist. Die Angaben im Datenblatt (siehe auch Absatz bzw ganze Seite zum Thema) und ein Diagramm weiter oben zeigen, dass es überhaupt nur mit Ventilator möglich ist. Selbst mit 1K/W reicht die beste natürliche Konvektion nur bis Umgebung maximal 25 Grad.C, die Luft wird aber garantiert wärmer, mindestens 50 Grad.C, also langer Rede kurzer Sinn: 2A mit Vin +/-15V geht mit diesem Bauteil nicht!! Anbei eine Application mit anderem OPV. Vorteile: 1) Die Last ist GND-bezogen 2) Die Verlustleistung ist aus dem OPV heraus gezogen (Temperaturdrift Geschichten viel weniger) und verteilt sich auf ZWEI, somit bessere Kühlung möglich, zB auch ZWEI Kühlkörper und einzelne Transistoren haben einen viel niedrigeren Wärmewiderstand Junction/Case als ICs. Nur meine Idee, ohne Gewähr...
Danke für die konstruktiven Antworten! Am Ausgang brauche ich weniger als 1V, werde mir einen DC-DC Wandler mit +/-5V besorgen um nicht alles zu verheizen, das erklärt die Temperatur. Dummer Fehler, eine gewisse Vorahnung, dass das ein Problem ist hatte ich schon. Die +/-15V wollte ich eigentlich für einen anderen OpAmp mit nutzen, aber da lässt sich auch eine Lösung mit 5V finden. Angestrebter Frequenzbereich ist 30Hz-100kHz, auch wenn ich vorerst vor allem zwischen 30Hz und 10kHz bleiben werde. Grundsätzlich kann ich auch mit einer Spannungsquelle arbeiten, Stromquelle erleichtert aber die Einstellung erheblich und schien mir auf dem Papier nicht soo viel aufwändiger. Mal sehen. Schwingung habe ich geprüft, ist bei den niedrigen Spannungen nicht sichtbar. Trotzdem sollte ich wohl auf den OPA541 wechseln (LM675 hatte ich zufällig; LM741 war ein Schreibfehler, sorry). Danke auch für die Hinweise auf die Howland Pump und die Lösung mit den zwei Transistoren statt OpAmp (hatte danach sogar gesucht aber nur ohne symmetrische Versorgung gefunden und mich deshalb nicht getraut das zu probieren, danke!). Axel S. schrieb: > Es gibt eine kanonische Schaltung für > eine spannungsgesteuerte Stromquelle. In der einfachen Variante hängt > die Last zwischen OPV-Ausgang und dem Shunt nach GND. --> Genau das will ich machen, ich denke die Zeichnung war da etwas unklar, habe das nochmal angepasst. Viele Grüße Markus
Quiche Lorraine schrieb: > Axel S. schrieb: >> Es gibt eine kanonische Schaltung für >> eine spannungsgesteuerte Stromquelle. In der einfachen Variante hängt >> die Last zwischen OPV-Ausgang und dem Shunt nach GND. > > --> Genau das will ich machen, ich denke die Zeichnung war da etwas > unklar, habe das nochmal angepasst. Ah, ja. Jetzt ergibt das einen Sinn. > Am Ausgang brauche ich weniger > als 1V, werde mir einen DC-DC Wandler mit +/-5V besorgen um nicht alles > zu verheizen, das erklärt die Temperatur. Bei lediglich 1V am Ausgang wird der Wirkungsgrad immer unterirdisch bleiben. So ein Leistungs-OPV hat um die 3V [1] Sättigungsspannung am Ausgang. D.h. um +/-1V raus zu bekommen, brauchst du mindestens +/-4V Versorgung. Das bedeutet aber auch, daß dann der Wirkungsgrad bestenfalls 25% beträgt. Ohnehin braucht der LM675 mindestens +/-8V. Schon bist du bei nur noch 12% Wirkungsgrad. [1] der LM675 sogar typisch 4V, maximal 7V (siehe: output voltage swing) > Angestrebter Frequenzbereich ist 30Hz-100kHz Im Leben nicht. Der LM675 hat nur 70kHz Bandbreite. Und wie gesagt: dein Problem wird die dynamische Stabilität. Sobald deine Last nicht mehr rein ohmsch ist, kriegst du eine Phasenverschiebung in der Gegenkopplung. Aus der Gegenkopplung wird eine Rückkopplung und die ganze Chose schwingt. Der Hinweis bezüglich der minimalen Verstärkung des LM675 von 10 ist ebenfalls ernst zu nehmen. Datenblatt lesen! Bei dir bilden die Last und R_set die Gegenkopplung. Für eine konstante Last hast du überschaubare Verhältnisse. Aber sobald die Last variiert, kommst du in Schwierigkeiten.
Vom TO geplant ist inzwischen nicht mehr LM675 sondern OPA541. Dieser gefällt durch eine zigfach bessere Wärmeableitung, aber die sonstigen Probleme bleiben. Bei 2A ist die Drop-Spannung typ 3.6V, max 4.5V Als Bastler eines Einzelstücks kann man sich +-9V als Versorgung trauen, gewerblich müssten es +-10V sein, um den Output-Swing garantieren zu können. Leistungs-Bandbreite nur 45 kHz (Sinus -3dB) Für einen "Funktions"-Generator bis 100kHz reicht das natürlich zehnmal nicht. Das Ganze war auch für mich sehr interessant, die Recherchen haben mir gezeigt, dass ich es mir bisher zu einfach geträumt hatte (...)
Willi S. schrieb: > Leistungs-Bandbreite nur 45 kHz (Sinus -3dB) > Für einen "Funktions"-Generator bis 100kHz reicht das natürlich > zehnmal nicht. Die Frage bleibt im Raum, denn nicht immer benötigt man 100 KHz...
Um realistisch zu bleiben werde ich also bei 30Hz-10kHz bleiben. Das ist recht nah am hörbaren Bereich, man könnte wohl normale Audioverstärker nutzen (ich hatte an den OPA548 gedacht). Ich probiere das jetzt mal zweigleisig und werde die Bauteile bestellen (auch aus Neugierde, möchte auf dem Gebiet gerne etwas dazulernen). Der miserable Wirkungsgrad ist dabei erstmal zweitrangig solange die thermischen Probleme noch in den Griff zu bekommen sind. Die Last ist mehr oder weniger konstant und bis auf Kabeleffekte etc. rein ohmsch. Willi S. schrieb: > Bei 2A ist die Drop-Spannung typ 3.6V, max 4.5V > Als Bastler eines Einzelstücks kann man sich +-9V als Versorgung > trauen, gewerblich müssten es +-10V sein, um den Output-Swing > garantieren zu können. --> Als Bastler würde ich Probieren mit +/-5V als Versorgung auszukommen (um bis zu 1 V am Ausgang zu erreichen, meist wohl weniger); Das ist OK (also +/-5V statt +/-10V), oder habe ich einen Denkfehler? Axel S. schrieb: > dein Problem wird die dynamische Stabilität. Sobald deine Last nicht mehr > rein ohmsch ist, kriegst du eine Phasenverschiebung in der > Gegenkopplung. Aus der Gegenkopplung wird eine Rückkopplung und die > ganze Chose schwingt. --> Auf dem Gebiet fühle ich mich ziemlich unsicher, hat jemand einen Tipp wo man am besten etwas zu den Stabilitätsproblemen von OpAmps lernt? Viele Grüße Markus
@Markus OPA548 gefällt mir sehr gut! UCEsat ist etwas besser als beim 546 und sind +/-5V ok. Bandbreite und Slewrate sollte dir bei fgo 10-20kHz auch reichen. Genial ist die Möglichkeit zur Einstellbarkeit der Strombegrenzung, das geht sogar auch mit einem DAC ganz simpel. Siehe Datenblatt. Du brauchst für deinen Konstantstrom keine extra Mimik. Würde ich mal behaupten. Bin mir nicht sicher, ob diese Betriebsart mit Iconst und AC auch eine genügende Bandbreite hat. Normalerweise ist das ja nicht so gedacht sondern nur für DC oder Schutz. Aber probieren würde ich es auf jeden Fall. Einen R/C Snubber braucht der OPA548 normalerweise gar nicht und fallweise nur bei kapazitiven/induktiven Lasten, ggfs sogar noch einen so genannten Isolationswiderstand am Ausgang. Auf einer PCB würde ich die drei Bauteile vorsehen, aber die Notwendigkeit und auch die Dimensionierung ist völlig offen. Nach Datenblatt typisch sind Riso 0 Ohm und Snubber 10 Ohm 10nF.
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