Linearer Spannungsregler mit Freilauf: Oszillationen?

[Dennis H. (decoder)]

Hallo zusammen,
aufgebaut habe ich obige Schaltung, die ja im Prinzip absolute 
Standardkost ist: ein linearer Spannungsregler, erweitert um einen 
Stromregler und einer "Darlington-Vorstufe". Das einzig Besondere: die 
Schaltung, wegen Platzmangels, arbeitet im Prinzip gepulst, da der 
Eingangskondensator C1 sehr klein ist im Gegensatz zum Laststrom bzw. 
des Ladekondensators, der dann am Ausgang angeschlossen wird. Die 
Eingangsspannung ist UE=250V, 50Hz Wechselspannung. Ist der 
angeschlossene Ladekondensator groß genug, ist für das Poti in 
Mittenstellung die Ausgangsspannung ca. 280V.
Damit die max. BE-Sperrspannung nicht überschritten wird, habe ich die 
Dioden D3 und D4 als "Freilaufdioden" hinzugefügt. D3 ist ja bekannt, D4 
ist notwendig, um den Durchbruch der BE-Diode von T2 zu verhindern, was 
ich allerdings noch nirgendwo sonst gesehen habe (was natürlich an der 
ungewöhnlich Anwendung eines linearen Spannungsreglers liegen kann).
Folgende Probleme:
1. Die BE-Diode von T3 legiert durch (Kurzschluss), wenn nicht eine 
Diode entgegengesetzt zur BE-Diode parallel zu R4 gelegt wird.
2. Ich bekomme extreme, hörbare (!) Oszillationen von einen oder 
mehreren Transistoren.
Die "Lautstärke" hängt von der de-facto Größe von C2 ab. Also man hört 
die Schwingungen schon, wenn man noch keinen großen Ladekondensator 
anhängt, also die 100nF am Ausgang reichen schon aus, was aber 
dementsprechend leiser ist. In beiden Fällen passiert das aber schon 
ohne Laststrom!
Das Merkwürdige: Die Ausgangsspannung ist korrekt, auch auf dem 
Oszilloskop sehe ich genau die gleichen Kurven wie in der 
LTSpice-Simulation. In der Simulation werden auch keine max. 
Basis-/Kollektorströme überschritten.

Habt ihr irgendwelche Ideen, woran es liegen könnte und/oder Vorschläge, 
wo ich weitersuchen kann?

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Dennis H. schrieb:
> 2. Ich bekomme extreme, hörbare (!) Oszillationen von einen oder
> mehreren Transistoren.
Mir wäre neu, dass sich Transistoren als Tongeber eignen. Bei 
kapazitiven Kondensatoren ist das aber ein gern genutzter Effekt.

> Habt ihr irgendwelche Ideen, woran es liegen könnte
Am Aufbau der Schaltung. Und den dort verwendeten Bauteilen.

> und/oder Vorschläge, wo ich weitersuchen kann?
Ich würde mal den Stromregler deaktivieren und nur den Spanungsregler 
testen.

> Das Merkwürdige: Die Ausgangsspannung ist korrekt, auch auf dem
> Oszilloskop sehe ich genau die gleichen Kurven wie in der
> LTSpice-Simulation.
Ja, auch diese Informationen wären interessant.

[MaWin (Gast)]

Dennis H. schrieb:
> aufgebaut habe ich obige Schaltung, die ja im Prinzip absolute
> Standardkost ist: ein linearer Spannungsregler, erweitert um einen
> Stromregler und einer "Darlington-Vorstufe

Zu faul, deine Erweiterungen im Schaltplan aufzumalen ?

Der gezeigte Schaltplan ist ein klassischer diskreter Spannungsregler. 
Deine! Erweiterungen sind an der Fehlfunktion schuld.

[MiWi (Gast)]

Dennis H. schrieb:

> Habt ihr irgendwelche Ideen, woran es liegen könnte und/oder Vorschläge,
> wo ich weitersuchen kann?

Welche Frequenz hat das Hörbare? Ich nehme an das es die 100Hz sein 
werden mit denen der Ausgangskondensator geladen wird, immerhin wird im 
Moment des Ladens reichlich Strom fließen...

T3: Du hast einen Pfad über D4, T2 und D2 der sehr niederohmig werden 
kann... dann fällt die ganze Spannung an R4 ab - und das wird die 
EB-Strecke von T3 nicht packen.

[MiWi (Gast)]

MiWi schrieb:
> Dennis H. schrieb:


> T3: Du hast einen Pfad über D4, T2 und D2 der sehr niederohmig werden
> kann... dann fällt die ganze Spannung an R4 ab - und das wird die
> EB-Strecke von T3 nicht packen.

Sorry: der Pfad geht über D4, T4, D2

[Egon D. (Gast)]

Lothar M. schrieb:

> Dennis H. schrieb:
>> 2. Ich bekomme extreme, hörbare (!) Oszillationen
>> von einen oder mehreren Transistoren.
>
> Mir wäre neu, dass sich Transistoren als Tongeber
> eignen.

Sei eignen sich nicht besonders -- aber dennoch
wirken sie manchmal als solche.

Frag' jetzt nicht nach dem physikalischen Mechanismus.
Ich weiss es nicht.

[Egon D. (Gast)]

MaWin schrieb:

> Dennis H. schrieb:
>> aufgebaut habe ich obige Schaltung, die ja im
>> Prinzip absolute Standardkost ist: ein linearer
>> Spannungsregler, erweitert um einen Stromregler
>> und einer "Darlington-Vorstufe
>
> Zu faul, deine Erweiterungen im Schaltplan aufzumalen ?

Moment mal... die dargestellte Schaltung ist also gar
nicht exakt die, die beim TO nicht funktioniert?

Warum verplempere ich dann hier meine Zeit?

[Elliot (Gast)]

MaWin schrieb:
> Dennis H. schrieb:
>> aufgebaut habe ich obige Schaltung, die ja im Prinzip absolute
>> Standardkost ist: ein linearer Spannungsregler, erweitert um einen
>> Stromregler und einer "Darlington-Vorstufe
>
> Zu faul, deine Erweiterungen im Schaltplan aufzumalen ?

Ich denke, der gezeigte Plan ist schon vollständig. Mit seinen 
Erweiterungen ist wohl T1 (Stromregler) bzw. T2 (Darlington-Vorstufe) 
gemeint.

Daß man sich die Bauteilewerte aus einer Tabelle zusammensuchen soll, 
ist allerdings eine Frechheit. Die gehören in den Schaltplan.

[Das bin ich (Gast)]

Ist es so, dass t2 t3 npn Typen sind?

[Dennis H. (decoder)]

Natürlich rede ich in meinem Beitrag nicht von zufälligen Bauteilen 
sondern von dem exakt gleichem Schaltplan, den ich sinnigerweise 
beigefügt habe. "Fehlende" Bauteilwerte jetzt als Frechheit zu 
bezeichnen, naja... Zum Verständnis finde ich es in jedem Fall sinniger, 
wenn die Bauteile ihrer Funktion nach geordnet sind. Beim Aufbau auf 
eine Platine musst du dir die Bauteilwerte ja auch zusammensuchen und 
dabei ist der exakte Bauteiltyp ja zentral, damit die Bauform auch exakt 
zur Platine passt. Wenn ich das in ein Dokument packe, finde ich das 
übersichtlicher, die Zuordnungen in einer Tabelle zusammenzufassen.
Auch kann man sich jetzt über meine Formulierung streiten, aber im Text 
habe ich ja explizit gesagt, dass ich D3 und D4 hinzugefügt habe, 
wobei D3 ja schon oft in Datenblättern linearer Spannungsregler erwähnt 
wird, falls ein am Ausgang angeschlossener Kondensator einen bestimmten 
Wert übersteigt. Dass dann "meine" D4 durchaus ein Problem darstellen 
könnte ist mir völlig klar, deswegen frage ich hier ja und setze auf 
eure Erfahrung/Wissen/Können und dafür schäme ich mich ehrlichgesagt 
auch nicht (wieso auch immer man das jemanden in einem Forum versucht 
einzureden).
Vom "klassischen Spannungsregler" bin ich von demjenigen ausgegangen, 
den man bspw. in der Wikipedia findet oder in "Bild 3.2.3 A" in 
https://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Kap3/Kapitel3.html. Hier 
(http://2016.hems.de/fileadmin/_migrated/content_uploads/SpannungsUndStromreglerschaltungen_01.pdf) 
ist fast die gleiche drinnen, aber es gab noch eine ähnlichere deren 
Link ich auf die Schnelle nicht finde.
Wen es interessiert: Anstelle eines Vorwiderstands einen "Stromsteller" 
bestehend aus D1, R1, T1 & R2 zu verwenden und anstelle eines einfachen 
Längstransistors T3 ein Darlington-Paar bestehend aus T3 & T2 hat in 
meiner Anwendung einfach den Vorteil, dass beim Ladevorgang 
angeschlossener Kondensatoren die Verlustleistung minimiert wird 
(niedrige Kollektor-Emitter-Spannung an T3).

>Ja, auch diese Informationen wären interessant.
Oben als Beispiel ein Oszillogramm mit C2=100nF und keinen weiteren 
angeschlossenen Kondensatoren. Zum Vergleich dann die LTSpice-Simulation 
im gleichen Szenario. Außer einem kleinen Knick bei der ansteigenden 
Flanke sehe ich da nicht wirklich etwas ungewöhnliches drauf. Andere 
Spannungen entsprechen auch der Simulation.
Habe das hier noch nie gesehen, aber falls gewünscht/erlaubt kann ich 
auch die Simulation hier hochladen?

>Welche Frequenz hat das Hörbare? Ich nehme an das es die 100Hz sein  werden mit 
denen der Ausgangskondensator geladen wird, immerhin wird im Moment des Ladens 
reichlich Strom fließen...
Ja sorry, es hat auf jeden Fall eine Frequenz von 100Hz.

>T3: Du hast einen Pfad über D4, T4 und D2 der sehr niederohmig werden kann... 
dann fällt die ganze Spannung an R4 ab - und das wird die EB-Strecke von T3 nicht 
packen.
Ich denke das ist eine wichtige Beobachtung, danke dafür. Ich hatte die 
Schaltung auch schon ohne T3 untersucht und einen großen Spannungsabfall 
an R4 gesucht, der einen Durchbruch rechtfertigen würde. Immerhin 
müssten 75mA durch ihn fließen, damit die BE-Durchbruchspannung von T3 
erreicht würde. Aber mit C2=100nF ist die Zeitkonstante vllt. auch 
einfach zu klein?
Aber du redest auch vom Entladevorgang von Ausgangskondensatoren (oder 
kurz davor), oder? Beim Laden ist der Regeltransistor T4 ja gesperrt und 
an T2 fällt ja eine seiner Kennlinie entsprechende Spannung von 
Kollektor zu Emitter ab (die im Datenblatt angegebene geringe 
Sättigungsspannung wird wegen kleinerem Basis-Strom nicht erreicht).

>Ist es so, dass t2 t3 npn Typen sind?
Ja, ich habe absichtlich keinen Schaltungsentwurf mit PNP-Transistoren 
verwendet (obwohl die Sättigungsspannung geringer wäre), weil in der 
Wikipedia unter "Low-Drop-Längsregler" als Nachteil eine Schwingneigung 
genannt wird, was ich natürlich -- ironischerweise -- absolut vermeiden 
wollte.

Offtopic
>Sei eignen sich nicht besonders -- aber dennoch wirken sie manchmal als solche.
Da ich, wie gesagt, sehr sparsam mit Platz umgehen muss, muss ich 
Leiterbahnen auch unter Bauteilen hindurch leiten. Das ist ja eigentlich 
nie ein Problem. Anders hier: Hier benutze ich ja Transistoren im 
SOT223-/Package/. Wie üblich ist der tab, der Kollektoranschluss als 
Kühlfahne mit dem unteren, mittleren Pin verbunden. Nirgendwo im 
Datenblatt steht etwas von einem maximalen Strom über diese Verbindung 
und im Internet hatte ich Zeichnungen gesehen, in denen der Pin mittels 
bondwire durchkontaktiert wurde. Also habe ich "sicherheitshalber" 
eine Leiterbahn zusätzlich vom tab zum pin gelegt. Allerdings lassen 
sich die Transistoren so dermaßen schlecht löten, dass (auch wenn man 
versucht die 260°C über max. 10sec einzuhalten) das schon ausgereicht 
hat, das Plastik offenbar zu schmelzen, siehe Bild. Auf der Platine 
sieht man auch, dass sich an diesen Stellen die Verzinnung "gelöst" hat 
(auf Fotos sieht man das leider sehr schlecht). Der Transistor hat sich 
ziemlich ähnlich angehört (nur viel lauter), bis es geknallt hat und er 
vollkommen kurzgeschlossen war. Seitdem habe ich das Layout natürlich 
geändert und benutzte zusätzlich viel Flussmittel. Aber aufgrund dieses 
Erlebnisses habe ich jetzt einfach mal auf einen der Transistoren 
getippt.

[Der schreckliche Sven (Gast)]

Genau hier ein Kondensator mit 1-10 nF wird Dein Problem lösen.

[Elliot (Gast)]

Dennis H. schrieb:
> Nirgendwo im
> Datenblatt steht etwas von einem maximalen Strom über diese Verbindung

Wozu auch? Diese "Verbindung" ist ein Stück Metall (der Trägerstreifen) 
und hält 1000-mal mehr Strom aus als der Transistor.

> Fehlende" Bauteilwerte jetzt als Frechheit zu bezeichnen, naja...

Die Funktion einer Schaltung wird wesentlich durch die Dimensionierung 
bestimmt. Beispielsweise kann der Wert eines einzelnen Widerstands 
darüber entscheiden, ob man einen Oszillator oder einen sauberen Regler 
hat. Daher ist es immer, wichtig die Bauteilwerte einzutragen, die 
Schaltungsstruktur allein sagt nicht alles wichtige aus.

[Elliot (Gast)]

Elliot schrieb:
> Diese "Verbindung" ist ein Stück Metall
 --> Diese "Verbindung" ist ein durchgehendes Stück Metall

und das Komma nach "immer" muss natürlich weg

Bin beim schreiben leider mehrmals unterbrochen worden.

[Michael M. (michaelm)]

Dennis H. schrieb:
> dass beim Ladevorgang
> angeschlossener Kondensatoren die Verlustleistung minimiert wird
> (niedrige Kollektor-Emitter-Spannung an T3).

Was sagen denn die Ströme (I-C von T3) a) in der Simu und b) in der 
Schaltung?

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Der schreckliche Sven schrieb:
> Genau hier ein Kondensator mit 1-10 nF wird Dein Problem lösen.

Um das besser zu verstehen, wäre die Empfehlung den Abschnitt zu C3 und 
R5 zu lesen:
https://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/kdarl2.htm

[Leseschwäche (Gast)]

Dennis H. schrieb:
> Das einzig Besondere: die
> Schaltung, wegen Platzmangels, arbeitet im Prinzip gepulst, da der
> Eingangskondensator C1 sehr klein ist im Gegensatz zum Laststrom bzw.
> des Ladekondensators, der dann am Ausgang angeschlossen wird.

Und Du wolltest uns damit "durch die Blume" sagen:
>> Das hier sollte einen Schaltregler darstellen. <<

[ ]    Ja
[ ]    Nein


Eine reine Vermutung, wegen Freilauf (bliebe so oder
so die Frage, für welche Drossel der [antiparallel
zum Leistungsschalter eh falsch platzierte] Freilauf
dienen sollte, denn die sehe ich nirgends).

Wovon Du genau redetest bisher, bleibt mir ein Rätsel,
deshalb rate ich einfach mal - irgendwas muß es sein.

[Dennis H. (decoder)]

Frohes Neues noch von mir und danke für die Antworten bis hier hin. 
Sorry für die späte Antwort, ich hatte noch auf andere 
SOT223-Transistoren gewartet, da die von Taiwan Semiconductor zwar 
mittels Dioden-Prüfer vom Multimeter (MM) als gut geprüft wurden, aber 
beim Anschluss einer 9V-Blockbatterie -- auch im Niederimpedanzmodus des 
MMs (400k Innenwiderstand) -- doch einiges an Spannung durchließen. Mit 
den "neuen" Nexperia-Transistoren haben ich das Problem nicht mehr. An 
meinem Problem hat das aber leider absolut nichts geändert.

Zu den letzten Antworten
> Das hier sollte einen Schaltregler darstellen.
Nein, die Schaltung darf auf gar keine Fall HF ausstrahlen.
> Freilauf
Ja, ein Teil einer Schaltung läuft frei, ohne den anderen. Es gibt ja 
auch Bipolartransistoren mit Freilaufdiode (obwohl diese, anders als 
MOSFETs keine interne Body-Diode haben). Im Datenblatt des LM340 u.a. 
wird diese Diode(n) als protection diode bezeichnet.
Der dargestellte Regler regelt "gepulst", da erst geregelt wird, wenn 
die Spannung am Gleichrichter über der des Ausgangs liegt. Wie im 
Oszillogramm ersichtlich, sind das gut geschätzte 2/5 bis 1/2 der Zeit, 
das reicht mir bei dieser Anwendung.
Im Übrigen rede ich natürlich immer noch von genau dieser Schaltung.

>Was sagen denn die Ströme (I-C von T3) a) in der Simu und b) in der
Schaltung?
Die Eingangsspannung wird von einem Transformator geliefert. Die hier 
verwendete Sekundärwicklung hat einen mittels MM ermittelten 
Gleichstromwiderstand von 46Ohm, die Primärwicklung habe ich gar nicht 
gemesssen. In der Simulation habe ich 40Ohm und einen Spannungspuls von 
360V (>250VRMS) mit schneller Anstiegszeit (bei Anstiegszeit = 0 buggt 
LTSpice wohl etwas rum) verwendet, was also der ungünstigsten 
Einschaltsituation entspricht. Da bekomme ich 7.6A Kollektorspitzenstrom 
raus, was also innerhalb der erlaubten 8A liegt.
Die tatsächliche Stromaufnahme kann ich leider nicht messen, da ich kein 
MM mit Min/Max-Funktion habe. Der Ladekondensator ist aber auf jeden 
Fall korrekt.
Außerdem habe ich das "Brummen" (eher so eine Art "Brattzeln", also 
obertonreich, definitiv aber doppelte Netzfrequenz) auch ohne 
abgekoppeltem großem Ladekondensator (obwohl das natürlich zwei 
unterschiedliche Fehler sein können, klar).

>Wozu auch? Diese "Verbindung" ist ein Stück Metall (der Trägerstreifen)
und hält 1000-mal mehr Strom aus als der Transistor.
Ja, davon gehe ich jetzt auch aus bzw. glaube dir. Hätte ich halt nur 
gerne mal in einem Datenblatt als Randnotiz gesehen.
Hier 
https://www.richtek.com/Design%20Support/Technical%20Document/AN044?sc_lang=zh-CN 
sieht man in Fig. 7 beispielsweise ein Bondingwire zum mittleren Pin, 
was im Nachhinein bei Planartransistoren wohl wirklich wenig Sinn macht.
Hier 
https://www.artekit.eu/products/breakout-boards/bbadapters/sot-to-dip/sot223-3-package-breakout-board-pack-of-4/ 
kann man auch "SMD-Adapter" kaufen, die den von mir als erstes 
verwendeten, "gefährlichen" SOT223 footprint benutzen.

Derzeitiger Stand
>Genau hier ein Kondensator mit 1-10 nF wird Dein Problem lösen.
>Um das besser zu verstehen, wäre die Empfehlung den Abschnitt zu C3 und
R5 zu lesen:
Vielen Dank für eure Antworten. Das klingt auf jeden Fall sehr 
lesenswert, das kannte ich noch nicht.
In diesem Fall habe ich einen 2.2nF Folienkondensator benutzt, leider 
ohne Erfolg.
Stattdessen habe ich beobachtet, wie auch zuvor, dass die 
Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors T3 durchlegiert ist 
(Kurzschluss). *Das habe ich jetzt bei allen zerstörten Transistoren 
beobachtet* Und das jetzt auch, obwohl die Diode über R4, antiparallel 
zur B-E-Diode auch nach dem "Versuch" noch funktioniert. Bei einer Last 
von ca. 60mA hörte das Geräusch dann auf, aber dafür brachte T2 dann das 
restliche Flussmittel unter sich zum Kochen.
Wenn die B-E-Diode zerstört wird, kommt ja eigentlich "nur noch" ein zu 
hoher Basisstrom im Ladevorgang in Frage? In der Simulation benutze ich 
irgendeinen "mitgelieferten" Transistor, der sogar eine höhere 
Verstärkung (Parameter Bf) hat und da komme ich bei einem Puls nur auf 
weniger als max. 140mA. Und was hätte das dann mit den Oszillationen 
zutun, die auch ohne großen Ladeelko auftreten. Und wieso hören die auf, 
wenn T2 gequält wird?

Falls jemand drüberschauen kann und möchte, habe ich das Platinenlayout 
mit Bestückungsplan, die Pinbelegung der Transistoren und Bilder 
beigefügt. Der Aufbau wird dann auf ein Metallchassis als Kühlkörper 
aufgeschraubt.

[Andrew T. (marsufant)]

Dennis H. schrieb:
> Natürlich rede ich in meinem Beitrag nicht von zufälligen Bauteilen
> sondern von dem exakt gleichem Schaltplan, den ich sinnigerweise
> beigefügt habe.

Nun ja, der Schaltplan ist halt schlecht designed, sagten die Vorposter 
bereits ganz richtig.

Ein Widerstand 10 Ohm in die Emitterleitung von T4 verhindert weiteren 
Verdruß und Halbleitersterben.
Begründung steht ja bereits weiter oben.


> Stattdessen habe ich beobachtet, wie auch zuvor, dass die
Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors T3 durchlegiert ist
(Kurzschluss). *Das habe ich jetzt bei allen zerstörten Transistoren
beobachtet*


Wenn ein Transistor stirbt, sollte der Denkprozeß einsetzen WARUM dies 
geschieht. Erklärt wurde es bereits.
Offensichtlich wiederholst Du schlichtweg mehrfach den Sterbeprozeß, 
ohne die Ursache (s.o.) nachvollzogen zu haben.


Es wäre hilfreich, wenn Du das hier Gesagte nun endlich  umsetzt.

[Dennis H. (decoder)]

>Begründung steht ja bereits weiter oben.
Von welcher Antwort redest du?