Elektronische Last Schwingung verringern

[bastler 9. (Gast)]

Hallo zusammen,

habe eine elektronische Last wie in den angehängten Bildern aufbaut. Der 
Sollwert wird über einen Arduino und einen DAC am positiven Eingang des 
TLC272 OPVs angelegt (0 bis 200mV). Die Schaltung, wie sie auf dem Bild 
zu sehen ist, wurde insgesamt sechs mal aufgebaut um einen Strom von 
maximal 12A zu ziehen. Diese elektronische Last wird grundsätzlich nur 
benutzt, um Superkondensatoren mit ca. 24V und 140F zu entladen. Maximal 
48V bei 170F. Nach den ersten Versuchen hat sich herausgestellt, dass ab 
einer Spannung von ca. 18V die Schaltung anfängt zu schwingen. Auf dem 
eigentlichen DC Signal ist ein Sinus mit rund 120kHz zu sehen, der den 
eingestellten Strom doch sehr stark verfälscht. Danach habe ich einen 
Kondensator von 470µF zwischen Drain und Source von einem Mosfet 
geklemmt und jetzt funktioniert die Regelung wirklich super. Der Elko 
von 470µF ist aber nur einer der sechs Stufen verbaut, die restlichen 
fünf Stufen sind wie im ersten Bild ohne Elko.
Meine Frage ist nun, ob ich mir durch andere Maßnahmen den Elko an 
dieser Stelle sparen und durch andere Optimierungen das Schwingen 
vermeiden kann?

Hoffe mir kann jemand weiter helfen.

Grüße
bastler

[MiWi (Gast)]

mach R2 niederohmiger, 10-47Ohm damit der Opamp den FET auch wirklich 
kontrolliert, so steuert er ihn nur und die um den Fet liegenden Teile 
wie lange Leitungen etc fangen über die im FET vorhandenen KApazitäten 
lustig zu schwingen an.

[Elliot (Gast)]

bastler 9. schrieb:
> Danach habe ich einen
> Kondensator von 470µF zwischen Drain und Source von einem Mosfet
> geklemmt

Ohje, auch das noch. Keine Ahnung von dynamischer Stabilität und auch 
sonst alles falsch gemacht was möglich ist. Der TLC kommt höchstens bis 
10V am Ausgang hoch, und die teilst du nochmal durch 2. Der IRFP bekommt 
also nur max. 4,8V Ugs.

bastler 9. schrieb:
> Meine Frage ist nun, ob ich mir durch andere Maßnahmen den Elko an
> dieser Stelle sparen und durch andere Optimierungen das Schwingen
> vermeiden kann?

Bau R1-R3 und C3-C5 aus und schon wird die Schaltung stabil sein, nicht 
schön, aber es geht so, allerdings nur bei niederohmigem Lastkreis. Wenn 
die ohne Überschwinger arbeiten soll, bau einen kleineren Fet ein.

[bastler 9. (Gast)]

OK. Erstmal danke für schnellen Antworten. Was heißt alles falsch 
gemacht? Was hätte man noch anders machen können als deine Vorschläge 
von oben? Sorry bin mit der Regelungsgeschichte nicht so bewandert.
Aber wenn du es vielleicht noch etwas genauer erklären könntest wäre das 
super für mich.
Gruß

[MaWin (Gast)]

bastler 9. schrieb:
> das Schwingen vermeiden kann?

R1 und C3 sind n.b., was hast du denn eingebaut ?

Damit kompensiert man.

Viel schlauer wäre es aber erstmal, den Basiswiderstand deutlich zu 
verkleinern, oder gleich einen ordentlichen OpAmp zu benutzen der bei 
kapazitiven Lasten von 2.5nF deines MOSFETs stabil bleibt wie MC34071

Dann legt man R1, C3 auf optimale Nächtegeldgeschwindigkeit bei 
minimalem Überschwinger aus.

Noch besser nutzt man einen NPN Transistor, der das Gate schnell 
runterzieht, wenn die Spannung am shunt über 0.65V steigt.

+12V
         |
  +------(---------R------------+--o Last
  |      |                      |
Poti----|+\                     |
  |     |  >--+--R6---+--------|I PowerMOSFET
  |  +--|-/   |       |         |S  auf KK
  |  |   |    Ci      |BC547    |
  |  |   |    |       >|--100R--+
  |  |   |    Rp     E|         |
  |  |   |    |       |         |
  |  +---(----+--Rx---(---------+
  |      |            |         |
  |      |            |       Shunt
  |      |            |         |
  +------+------------+---------+--o

[Elliot (Gast)]

bastler 9. schrieb:
> Was heißt alles falsch
> gemacht? Was hätte man noch anders machen können als deine Vorschläge
> von oben?

Der TLC272 hat bis zu 10mV Offsetspannung, was in deiner Schaltung einen 
Stromfehler von 5% bei 2A und schon 10% bei 1A ausmacht. Bei 6 
parallelen Schaltungen kann sich das aufheben oder aufsummieren. Viel 
besser wäre z.B. ein LT1013.

Für den Betrieb mit einer so großen kapazitiven Last wie dem IRFP250 ist 
der TLC272 zu schnell, hat zu wenig Phasenreserve und ist zu hochohmig 
bei deiner Beschaltung mit Betrieb der Ausgangsstufe am oberen Anschlag. 
Viel besser wäre z.B. ein LT1013 ohne weitere Beschaltung. (Bild 1)

Der IRFP250 verträgt 200V Uds, was willst du mit dem Klumpen bei max. 
48V? Der IRFP140 hat die gleichen Strom- und Leistungsparameter wie der 
IRFP250, aber nur die halben Kapazitäten. Damit würde deine Schaltung 
nicht schwingen.

Die beim TLC272 nötige externe Korrektur macht die Schaltung etwa um den 
Faktor 10 langsamer als eine Schaltung mit dem LT1013 ohne jegliche 
Korrekturmaßnahmen. (Bild 2)

[bastler 9. (Gast)]

Momentan ist nur C4 mit 100p eingebaut. R1 und C3 sind momentan nicht 
eingebaut, also nicht bestückt. Nochmal zu meinem Verständnis:
Durch die hohe Gatekapazität meines Mosfets wird die Phasenreserve von 
dem TLC272 sehr stark reduziert, was dann zu dem unerwünschten Schwingen 
der Schaltung führt? Dem kann man durch hinzufügen den Kondensators C4 
und Widerstands R2 entgegen wirken, also das ganze kompensieren.
In der Schaltung wurde ein TLC272BID mit einer Offsetspannung von 2mV 
eingebaut.
Den IRFP250 habe ich ausgewählt, da dieser einen kleineren Junction to 
Case Übergangswiderstand hat und ich somit die Wärme besser abführen 
kann. Außerdem war die Schaltung später evtl. auch für größere 
Spannungen angedacht. Zum jetzigen Zeitpunkt werden aber eben Elkos mit 
einer maximalen Spannung von 48V entladen.
Das was du mit dem Spannungsteiler am OPV Ausgang geschrieben hast macht 
natürlich absolut sinn. Dann werde den Widerstand R3 komplett weg lassen 
und den Widerstand R2 zu testzwecken auf 100 Ohm verkleinern. Der LT1013 
kommt erstmal nicht in Betracht, da ich hier schon eine bestehende 
Platine habe und somit das Pinout nicht passen würde.

Könnest du das evtl. nochmal mit dem Simulationsprogramm simulieren wenn 
R3 weg ist und R2 verkleinert wird?
Schonmal vielen Dank für euere super Hilfe.

[MaWin (Gast)]

bastler 9. schrieb:
> R1 und C3 sind momentan nicht eingebaut

Nach Bedarf heißt für dich wohl, alles was du nicht verstehst, lässt du 
weg. Aber bei Fehlfunktion jammern, das kannst du. Bau da die passenden 
(kann man schlussendlich nicht simulieren, muss man am Aufbau messen) 
Teile ein.

[bastler 9. (Gast)]

MaWin schrieb:
> Nach Bedarf heißt für dich wohl, alles was du nicht verstehst, lässt du
> weg. Aber bei Fehlfunktion jammern, das kannst du. Bau da die passenden
> (kann man schlussendlich nicht simulieren, muss man am Aufbau messen)
> Teile ein.

Oh man ich Frage doch leidglich nur um Hilfe und gejammert habe ich 
schon zwei mal nicht. Mein Gott, jeder fängt mal klein an und ist somit 
das ein oder andere Mal auf die Hilfe von Leuten mit viel Erfahrung 
angewiesen. Aus diesem Grund habe ich nachgefragt, was man besser machen 
kann mit einer entsprechenden Erklärung dazu....damit jemand der noch 
nicht so viel Erfahrung es auch verstehen kann. Warum man sich dann 
immer solche Kommentare anhören muss verstehe ich absolut nicht. Für das 
ist ein Forum schließlich da, um zu helfen und zu erklären.

[Ach Du grüne Neune (Gast)]

bastler 9. schrieb:
> Könnest du das evtl. nochmal mit dem Simulationsprogramm simulieren wenn
> R3 weg ist und R2 verkleinert wird?

bastler 9. schrieb:
> Dann werde den Widerstand R3 komplett weg lassen und den Widerstand R2
> zu testzwecken auf 100 Ohm verkleinern.

Das ist der richtige Weg. Der 100 Ohm sorgt für ein schnelleres Umladen 
der Gatekapazität. Lass R3 komplett weg. Der OPV hat bereits einen 
vollwertigen Push-Pull-Ausgang.
Der ganze Kokolores mit R1, R5, C3 und C4 kann ebenfalls entfallen.
Lediglich die Verbindung von R4 zum invertierten OPV-Eingang muss 
bleiben.

[Elliot (Gast)]

bastler 9. schrieb:
> Nochmal zu meinem Verständnis:
> Durch die hohe Gatekapazität meines Mosfets wird die Phasenreserve von
> dem TLC272 sehr stark reduziert, was dann zu dem unerwünschten Schwingen
> der Schaltung führt?

Die Ausgangsimpedanz des OPV bildet mit den weiteren Widerständen vor 
dem Gate und der am Gate wirksamen Kapazität einen Tiefpass, der die 
Phase dreht und die Phasenreserve aufzehrt. Wobei die Gatekapazität aus 
verschiedenen Komponenten besteht. Die Gate-Source-Kapazität wird nur 
reduziert wirksam, weil durch den Sourcewiderstand ein Bootstrap-Effekt 
wirkt. Die Gate-Drain-Kapazität hängt stark von der Lastkreis-Impedanz 
ab.

> Dem kann man durch hinzufügen den Kondensators C4
> und Widerstands R2 entgegen wirken, also das ganze kompensieren.

Da wird nichts kompensiert. C4 bildet sozusagen eine "Abkürzung" für die 
hohen Frequenzen, die in der normalen Schleife (also über den Mosfet) in 
der Phase gedreht werden. R2 koppelt den OPV für hohe Frequenzen vom 
Mosfet ab. Allerdings kann die normale Schleife nun keine hohen 
Frequenzen mehr verarbeiten, die Schaltung wird also durch diese 
Korrektur langsamer.

bastler 9. schrieb:
> Könnest du das evtl. nochmal mit dem Simulationsprogramm simulieren

Warum machst du das nicht selbst? Ist schließlich dein Projekt. Beachte 
aber, daß die Simulation nur als grobe Näherung zu betrachten ist, weil 
u.a. die Modellparameter sehr oft nicht stimmen, die Modelle das reale 
Verhalten nicht gut abbilden (besonders die OPV-Modelle) und auch die 
realen Umgebungsbedingungen eingehen (z.B. Leitungsinduktivitäten im 
Lastkreis).

[bastler 9. (Gast)]

Elliot schrieb:

> Die Ausgangsimpedanz des OPV bildet mit den weiteren Widerständen vor
> dem Gate und der am Gate wirksamen Kapazität einen Tiefpass, der die
> Phase dreht und die Phasenreserve aufzehrt. Wobei die Gatekapazität aus
> verschiedenen Komponenten besteht. Die Gate-Source-Kapazität wird nur
> reduziert wirksam, weil durch den Sourcewiderstand ein Bootstrap-Effekt
> wirkt. Die Gate-Drain-Kapazität hängt stark von der Lastkreis-Impedanz
> ab.
> Da wird nichts kompensiert. C4 bildet sozusagen eine "Abkürzung" für die
> hohen Frequenzen, die in der normalen Schleife (also über den Mosfet) in
> der Phase gedreht werden. R2 koppelt den OPV für hohe Frequenzen vom
> Mosfet ab. Allerdings kann die normale Schleife nun keine hohen
> Frequenzen mehr verarbeiten, die Schaltung wird also durch diese
> Korrektur langsamer.
>

Danke für die Erklärung. Werde mich heute Abend nochmal genauer 
einlesen.

> Warum machst du das nicht selbst? Ist schließlich dein Projekt. Beachte
> aber, daß die Simulation nur als grobe Näherung zu betrachten ist, weil
> u.a. die Modellparameter sehr oft nicht stimmen, die Modelle das reale
> Verhalten nicht gut abbilden (besonders die OPV-Modelle) und auch die
> realen Umgebungsbedingungen eingehen (z.B. Leitungsinduktivitäten im
> Lastkreis).

Bin schon die ganze Zeit mit LTspice am simulieren. Dann hätte ich nur 
meine Ergebnisse nochmal mit deinen Vergleichen können, da du ja so wie 
es aussieht ein anderes Programm nutzt. ( Tina v12 Circuit Simulation?)
Aber dann werde ich mit den neuen Werten in der Praxis ein paar Versuche 
starten und mit dem Oszi schauen wie es sich verhält. Gegebenenfalls mit 
den Werten noch ein bisschen herum experimentieren und schauen welche 
Auswirkung dies auf das Verhalten der Schaltung hat.

[Elliot (Gast)]

bastler 9. schrieb:
> Dann hätte ich nur
> meine Ergebnisse nochmal mit deinen Vergleichen können, da du ja so wie
> es aussieht ein anderes Programm nutzt. ( Tina v12 Circuit Simulation?)

Ja, ist TINA, aber eine ältere Version. Bei mir läuft z.B. das 
mitgelieferte Modell des TLC272 nicht richtig als Single-Supply, 
deswegen musste ich eine -1V Hilfsversorgung einbauen, soviel zu den 
Modellen. Die Simulatoren selbst liefern m.W. gleiche Ergebnisse, wenn 
auch die gleichen Modelle verwendet werden, was aber hier wohl nicht so 
ist.

[Heizer II (Gast)]

bastler 9. schrieb:
> Diese elektronische Last wird grundsätzlich nur
> benutzt, um Superkondensatoren mit ca. 24V und 140F zu entladen.

Also die Ladung der Caps in einem Linearregler verheizen? Sonst nichts?

Ein (Leistungs-)R (+Fet) könnte die Caps auch entladen: Geringere u.
sicherlich weit in die Zukunft verschobene Fehlermöglichkeiten, maximal
simpel und haltbar mit minimalem finanziellen Einsatz.

Ohne auch_nur_irgendeine Anforderung ist zuallermindest egal, ob das
Resultat "Entlade-Schaltung" div. Pulslasten streicheln könnte. (Zeitl.
völlig freier Verlauf: Nicht mal festgelegte Maximaldauer, geschweige
denn irgendein festgelegter/festzulegender Parameter (ob I, U oder P).
Und schon gar keine Anforderung an Slewrate und Ausschwingzeit - und
nicht eine konkrete Anwendung - genannt. Zumindest deutet das darauf.)

bastler 9. schrieb:
> Außerdem war die Schaltung später evtl. auch für größere
> Spannungen angedacht.

Und trotzdem einzig zwecks passiver Entladung (/Vernichtung selbiger)?

Dann (!) brauchst Du evtl. gar keine E-Last, sondern die (kurz- sowie
langfristig z. d. bisher genannten Anforderungen passende) Wahl würde
wohl auf schon genannten Leistungs-R (+Mosfet/SSR/Triac/Thyristor/...)
fallen - zumindest bei mir. (So sehr ich auch auf E-Lasten stehe, und
so günstig auch schon zu kaufen/so spannend auch Eigenbauten solcher.)

Oder sollten die fehlenden Anforderungen/"Argumente dafür" ein wenn
auch seltener so doch nicht auszuschließender Zufall sein...? Könnte
durchaus sein, aber ich hatte das Gegenteil wegen der eben fehlenden
Parameter (kein echter Hinweis darauf) "mal mit abdecken wollen". Und
für letzteres tut's ein simpler Heizwiderstand (/oder mehrere davon).

[Armin X. (werweiswas)]

Wenn nun die Leistung bzw der Strom so hoch und mit mehreren parallel 
geschalteten FETs geregelt werden soll, empfiehlt es sich für jeden FET 
einen eigenen OPV zu verwenden. Sonst kann sein, dass Du das Schwingen 
gar nicht in den Griff bekommst.

[Tany (Gast)]

Armin X. schrieb:
> Wenn nun die Leistung bzw der Strom so hoch und mit mehreren
> parallel geschalteten FETs geregelt werden soll, empfiehlt es sich für
> jeden FET einen eigenen OPV zu verwenden. Sonst kann sein, dass Du das
> Schwingen gar nicht in den Griff bekommst.

Ja, ich weiß was!
Guten Morgen :-)

[bastler 9. (Gast)]

Heizer II schrieb:

> Ein (Leistungs-)R (+Fet) könnte die Caps auch entladen: Geringere u.
> sicherlich weit in die Zukunft verschobene Fehlermöglichkeiten, maximal
> simpel und haltbar mit minimalem finanziellen Einsatz.

Genau so hat der vorherige Aufbau bzw. die Entladung funktioniert. Mit 
der elektronischen Last kann ich aber mit konstanter Leistung entladen 
und somit auch den Cap grob vermessen.

Armin X. schrieb:
> Wenn nun die Leistung bzw der Strom so hoch und mit mehreren
> parallel geschalteten FETs geregelt werden soll, empfiehlt es sich für
> jeden FET einen eigenen OPV zu verwenden. Sonst kann sein, dass Du das
> Schwingen gar nicht in den Griff bekommst.

Habe ich oben erwähnt, dass ich sechs einzelne Regelungen haben um die 
Mosfets zu betreiben.

[Kevin K. (nemon)]

Probiere mal aus dem Bauch heraus aus:
R2: 100 Ohm
R1: 1 k
R3: n.a. (oder mindestens 10 k)
C3: 10 n

Was ist R4 für ein Widerstand? Mach mal ein Foto von deinem Aufbau.

[bastler 9. (Gast)]

Kevin K. schrieb:
> Probiere mal aus dem Bauch heraus aus:
> R2: 100 Ohm
> R1: 1 k
> R3: n.a. (oder mindestens 10 k)
> C3: 10 n
>
> Was ist R4 für ein Widerstand? Mach mal ein Foto von deinem Aufbau.

Habe heute noch ein bisschen probiert und gemessen. Mit den Werten 120 
Ohm für R2 und C4 mit 2,2nF hat sie Schaltung zum Schluss super 
funktioniert. R3 dabei komplett ausgebaut.
R4 ist ein normaler SMD Strommesswiderstand mit 100mOhm, 1% und 7 Watt 
Pv.

[Kevin K. (nemon)]

Was lernt man: OpAmps gegenkoppeln!

[M. K. (sylaina)]

Kevin K. schrieb:
> Was lernt man: OpAmps gegenkoppeln!

Hast aber gesehen, dass hier jede Schaltung gegengekoppelt ist, oder? ;)