Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Seltsames Verhalten OPA TLC27L2


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von Sebastian W. (wangnick)


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Liebe Leute,

im Rahmen meiner Experimente zur zentralen Ventilsteuerung für Gardena 
G1251-20 bistabile 9V-Ventile stoße ich auf ein mir unerklärliches 
Verhalten des OPA TLC27L2.

Ich möchte mit dem OPA den Strom durch das gewählte Ventil als 
Spannungsabfall über einen 1Ω-Shunt messen, und habe den OPA also als 
Differenzverstärker aufgebaut. Gain ist ~2.0 (22k, 44k5). Um jedoch 
Strom in beide Richtungen messen zu können ziehe ich den P-Eingang nicht 
auf GND sondern auf ~1/5 AREF (AREF - Buffer - 220k - P - 56k - GND).

Spannungsversorgung ist 15V, davon nehmen sich die SN754410 ~2V, so dass 
13V für die Ventile übrig bleiben. Beim Ausschalten eines Ventils darf 
jedoch nur eine gewisse Menge Strom (zur Entfernung der Remanenz) 
fließen, da ansonsten der Ventilstößel wieder anzieht. Ich begrenze den 
Strom daher auf ~65mA indem ich die Leitung zum gewählten Ventil mit 
einem 200kHz-PWM-Signal mit 40% Duty Cycle moduliere. Die Pegel der 
gemeinsamen Leitung aller Ventile (in die der 1Ω-Shunt eingeschleift 
ist) liegt dabei nach 2ms auf ~570mV and A1Y und ~580mV an VO, und nach 
60ms auf ~660mV an A1Y und ~725mV hinter dem Shunt an VO.

Anbei Schaltbild und Photo des derzeitigen Testaufbaus.

Ich hätte erwartet dass der Ausgang des TLC27L2 dann beginnend bei 
~200mV nach 2ms auf ~180mV und nach 60ms auf ~70mV fällt. Und oftmals 
passiert das auch so oder ganz ähnlich.

Manchmal jedoch fällt die Ausgangsspannung des TLC27L2 zunächst in 15ms 
von 200mV auf 100mV, steigt dann jedoch innerhalb von 3ms auf 400mV an 
und pegelt sich dann nach 60ms bei 480mV ein!

Ich beobachte dieses Phänomen sowohl auf dem Oszilloskop (DS1054) als 
auch mit dem Logic Pro bei 50Ms/s.

Was ist für diesen Wiederanstieg verantwortlich? Breadboard-Effekt? Die 
Stromverhältnisse über den Shunt können es eigentlich nicht sein, denn 
die Spannungen an A1Y und VO scheinen wie erwartet und beschrieben.

LG, Sebastian

PS: Ich weiss dass meine PWM-Frequenz recht hoch ist. Mir geht es hier 
vor allem darum mein (bisher minimales) Verständnis von 
Operationsverstärkern zu erweitern.

von Andras H. (kyrk)


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Den Schaltplan lieber umarbeiten. Sieht man ja fast nix, bisschen 
aufräumen und es wird auch verständlicher.

von Jens G. (jensig)


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Und dann würde man auch sehen, daß hier sämtliche Abblockkondensatoren 
wegrationalisiert wurden - kein Wunder, wenn da alles schwingt.
Und welchen Sinn hat die komische Beschaltuung mit den 22k, die meist 
zw. den Ausgängen des nano und des 47HC hängen?
Und wozu wird die gemeinsame Rückführung der Ventile ebvenfalls nochmal 
auf einen der 74SN-Driver geklemmt?
Und wo sind die Freilaufdioden?

: Bearbeitet durch User
von Tim D. (allahopp)


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Schwingt deine Schaltung vielleicht wegen der Steckbretter? Meine letzte 
Schaltung funktionierte auf diesen Billigdingern nicht. Auf Lochraster 
gelötet war da Schwingen dann weg.

von Sebastian (Gast)


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Andras H. schrieb:
> Den Schaltplan lieber umarbeiten.

Ok, aber das erklärt die spontane Spannungserhöhung am OPA-Ausgang wher 
nicht.

Jens G. schrieb:
> Und dann würde man auch sehen, daß hier sämtliche Abblockkondensatoren
> wegrationalisiert wurden - kein Wunder, wenn da alles schwingt.

Der SN754410 hat keine definierte slew rate, da muss man wohl kleinere 
Schwinger beim Umschalten der Ausgänge in Kauf nehmen. Diese Schwinger 
sind auch nicht meine Frage. Aber tatsächlich lassen sie sich mit 100nF 
zwischen VCC2 und HGND noch etwas reduzieren.

Jens G. schrieb:
> Und welchen Sinn hat die komische Beschaltuung mit den 22k, die meist
> zw. den Ausgängen des nano und des 47HC hängen?

Für die Frage nicht relevant. Die 22k legen als Pullup bzw. Pulldown an 
den SN-Eingängen die Standard-Polarität der Ausgänge fest; über den 4067 
wird dann bei einem der Eingänge für das gewählte Ventil die Polarität 
überschrieben.

Jens G. schrieb:
> Und wozu wird die gemeinsame Rückführung der Ventile ebvenfalls nochmal
> auf einen der 74SN-Driver geklemmt?

Für die Frage nicht relevant. Es geht um bistabile Ventile, die zum 
Schliessen über umgepolten Strom entmagnetisiert werden.

Jens G. schrieb:
> Und wo sind die Freilaufdioden?

Im SN754410 sind pro Ausgang zwei Schutzdioden zu VCC2 und zu GND für 
induktive Lasten. Aber ich frage mich gerade auch ob der in der Spule 
induzierte Strom darüber in den PWM-Pausen (beide Ausgänge auf Low, oder 
auf High) darüber weiter kreisen wird ...

Tim D. schrieb:
> Schwingt deine Schaltung vielleicht wegen der Steckbretter?

Das mag auch sein, aber die kleinen Schwinger sind wie gesagt nicht mein 
Problem.

LG, Sebastian

von Sebastian W. (wangnick)


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Niemand eine weitere Idee für eine mögliche Ursache der spontanen 
Spannungserhöhung am OPA-Ausgang, oder wie die Ursache weiter 
eingegrenzt werden könnte? Ansonsten nehme ich mit dass ein fester 
Aufbau vor jeder weiteren Analyse zwingend ist ...

LG, Sebastian

von H. H. (hhinz)


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Sebastian W. schrieb:
> Ansonsten nehme ich mit dass ein fester
> Aufbau vor jeder weiteren Analyse zwingend ist ...

Vorher noch ein lesbarer Schaltplan.

von Thomas K. (thomas2021)


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Das Bild vom Aufbaue erinnert mich an Jim Williams

von Joe (Gast)


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Zuerst 100nF zwischen dem Ausgang des OP und seinem invertierenden 
Eingang.

Dann sehen wir weiter.

von Joe (Gast)


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... und an jedem IC 100nF zwischen VCC und GND !

von Sebastian W. (wangnick)


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Joe schrieb:
> Zuerst 100nF zwischen dem Ausgang des OP und seinem invertierenden
> Eingang.

Oh-keeey. Was genau bewirkt das? 100nF scheinen mir enorm viel an dieser 
Stelle ...

LG, Sebastian

von Content B. (contentblocker_da)


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Was für ein Saustall...

von Sebastian W. (wangnick)


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Joe schrieb:
> ... und an jedem IC 100nF zwischen VCC und GND !

Nano, CAN, Display, Mux und Buck sind Module (siehe Foto) und haben die 
Abblockkondensatoren drauf.

LG, Sebastian

von Sebastian W. (wangnick)


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Thomas K. schrieb:
> Das Bild vom Aufbaue erinnert mich an Jim Williams

Na ja, der wusste anscheinend was er tat, im Gegensatz zu mir ...

LG, Sebastian

von Tim D. (allahopp)


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Sebastian W. schrieb:
> Joe schrieb:
>> ... und an jedem IC 100nF zwischen VCC und GND !
>
> Nano, CAN, Display, Mux und Buck sind Module (siehe Foto) und haben die
> Abblockkondensatoren drauf.
>
> LG, Sebastian

Wenn Du meinst, dass sie überbewertet werden, lass sie halt weg. Das 
Ergebnis bestimmst letztendlich Du. Aber bei diesen China-Steckbrettern 
helfen auch die nicht mehr...

von Christian S. (roehrenvorheizer)


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Bei Jim Williams waren das Aufbauten auf kupferkaschierten Leiterplatten 
mit direkt in Inseltechnik aufgelöteten Bauteilen.


Hier noch meinen Senf dazu:

Das Foto vom Aufbau ist toll! Nur offenbart es leider, daß diverse 
Massekabel der heiligen Tastköpfe nicht an Masse angeschlossen sind. Für 
diese besteht nicht Maskenpflicht, sondern Massepflicht, genauso wie die 
Abblockkondensatoren an jedem IC Pflicht sind. Darüber hinaus empfehle 
ich klare, saubere und geradlinige, mit dickem Draht ausgeführte 
Masse/GND-Verlegung. Gelötet ist das normalerweise besser, muß aber 
nicht zwangsweise die Lösung des beobachteten Phänomens sein.

Nächstens die Tastköpfe besser maskieren, damit das keiner sieht.

>sondern auf ~1/5 AREF (AREF - Buffer - 220k - P - 56k - GND).

Und hier sollte am besten nochmal ein Abblockkondensator hin, wenn ich 
die Geschichte mit dem Spannungsfolger richtig interpretiere. Die Stelle 
ist ganz schön hochohmig.


mfG

: Bearbeitet durch User
von Sebastian W. (wangnick)


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H. H. schrieb:
> Vorher noch ein lesbarer Schaltplan.

Ok, anbei der OPA-Saustall grob durchgespült ...

LG, Sebastian

von Joe (Gast)


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Ein Abblockkondensator kann nicht zu groß sein.
Probiere es aus, wie ich bereits angegeben habe, dann reden wir weiter.

von Joe (Gast)


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Sebastian W. schrieb:
> Oh-keeey. Was genau bewirkt das? 100nF scheinen mir enorm viel an dieser
> Stelle ...
>
> LG, Sebastian

Der Kondensator macht aus dem OP einen Tiefpass und verhindert somit 
jedes schwingen.
10nF genügen auch.
Lediglich die Schaltgeschwindigkeit des OPs wird dadurch langsamer, aber 
das ist ja kein Problem bei deinem Vorhaben.

von Sebastian W. (wangnick)


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Christian S. schrieb:
> Darüber hinaus empfehle
> ich klare, saubere und geradlinige, mit dickem Draht ausgeführte
> Masse/GND-Verlegung. Gelötet ist das normalerweise besser, muß aber
> nicht zwangsweise die Lösung des beobachteten Phänomens sein.

Anbei ein Bild des Aufbaus ohne die Instrumentierung. GND und VCC2 sind 
mit 0.8mm-Draht verlegt, obwohl die Federn dabei gut strapaziert werden.

Christian S. schrieb:
>>sondern auf ~1/5 AREF (AREF - Buffer - 220k - P - 56k - GND).
>
> Und hier sollte am besten nochmal ein Abblockkondensator hin, wenn ich
> die Geschichte mit dem Spannungsfolger richtig interpretiere. Die Stelle
> ist ganz schön hochohmig.

Die Stelle hat ~45k Impedanz, die soll identisch mit dem 
Rückkoppelwiderstand sein und bei 22k an den Eingängen einen Gain von ~2 
herstellen.

Tim D. schrieb:
> Wenn Du meinst, dass sie überbewertet werden, lass sie halt weg.

Auf den Modulen sind sie drauf. Am relevanten SN754410 hab ich sie 
gestern hinzugefügt.

Sebastian W. schrieb:
> Joe schrieb:
>> Zuerst 100nF zwischen dem Ausgang des OP und seinem invertierenden
>> Eingang.
>
> Oh-keeey. Was genau bewirkt das? 100nF scheinen mir enorm viel an dieser
> Stelle ...

Joe schrieb:
> Ein Abblockkondensator kann nicht zu groß sein.
> Probiere es aus, wie ich bereits angegeben habe, dann reden wir weiter.

Ein Kondensator zwischen OPA-Ausgang und invertierendem Eingang ist 
meines angelesenen Wissens nach kein Abblockkondensator, sondern bewirkt 
einen Tiefpassfilter. Und die Größe spielt dabei sehr wohl eine Rolle. 
Was möchtest du bewirken?

LG, Sebastian

von Sebastian W. (wangnick)


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Joe schrieb:
> Der Kondensator macht aus dem OP einen Tiefpass und verhindert somit
> jedes schwingen.
> 10nF genügen auch.
> Lediglich die Schaltgeschwindigkeit des OPs wird dadurch langsamer, aber
> das ist ja kein Problem bei deinem Vorhaben.

Mmh. Wie gesagt, Schwingen ist nicht mein Problem, es ist dieser 
spontane Spannungsanstieg am OPA-Ausgang den ich nicht verstehe. Dazu 
kommt dass meine Präsenzmessung den Anstieg des Stroms durch die 
Magnetspule über 650us beobachtet, und ein eventueller Tiefpass sollte 
diesen Anstieg nicht wesentlich beeinflussen ...

LG, Sebastian

von Joe (Gast)


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Sebastian W. schrieb:
> Ein Kondensator zwischen OPA-Ausgang und invertierendem Eingang ist
> meines angelesenen Wissens nach kein Abblockkondensator, sondern bewirkt
> einen Tiefpassfilter. Und die Größe spielt dabei sehr wohl eine Rolle.
> Was möchtest du bewirken?
>
> LG, Sebastian

Sehr gut!
Ich habe dir zwei verschiedene Maßnahmen empfohlen.
Deine angelesene Erkenntnis habe ich dir oben beschrieben - einfach 
genauer lesen.
Lies nach, wie ein Abblockkondensator funktioniert und was eine Tiefpass 
mit Schwingungen zu tun hat, dann findest du sicher dir richtige Lösung.

(50 Jahre Elektronik und graue Haare sind mehr wert als angelesene und 
nicht verstandene Hinweise.)

von Joe (Gast)


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So lange die Schaltung schwingt geht nicht normal !

von Rainer V. (a_zip)


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Sebastian W. schrieb:
> Anbei ein Bild des Aufbaus ohne die Instrumentierung. GND und VCC2 sind
> mit 0.8mm-Draht verlegt, obwohl die Federn dabei gut strapaziert werden.

Himmel Herrgott...ich bitte um Verzeihung...

von Sebastian W. (wangnick)


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Joe schrieb:
> So lange die Schaltung schwingt geht nicht normal !

Aber die Schaltung schwingt doch gar nicht! Wir sehen in den Messungen 
kleinere Schwinger bei jeder PWM-Flanke, die mir aber erwartbar 
scheinen.

Ich werde noch mal eine zeitliche Vergrößerung eines PWM-Zyklus als Bild 
einstellen.

LG, Sebastian

PS: Diese Textbausteinkultur (Saustall, Abblock, Schaltplan) ist schwer 
zu ertragen. Möchte nicht noch jemand das Format der Bilder anmahnen?

: Bearbeitet durch User
von Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)


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Dem linken OP darfst Du zum 56k noch einen Kondensator spendieren und 
dem rechten OP darfst Du zum 220k noch einen Kondensator spendieren.

Beitrag #6782296 wurde von einem Moderator gelöscht.
von Sebastian W. (wangnick)


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Anbei eine zeitliche Vergrößerung der Spannungen am Shunt und am OPA. 
Das sieht mir alles gut aus.

Dieter D. schrieb:
> Dem linken OP darfst Du zum 56k noch einen Kondensator spendieren und
> dem rechten OP darfst Du zum 220k noch einen Kondensator spendieren.

Gerne, wenn ich wüsste was das bewirken soll ...

Ich werde jetzt versuchen den Problemfall noch einmal zu reproduzieren. 
Aber womöglich haben die Abblockkondensatoren an den SN754410 ja schon 
geholfen ...

LG, Sebastian

: Bearbeitet durch User
von Tim D. (allahopp)


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Sebastian W. schrieb:
> Auf den Modulen sind sie drauf.

Mal ein anderes Beispiel, was nützt es Dir bei der Motorradtour wenn 
Deine Kumpels alle Bremsen am Bike haben und Du nicht...

>Am relevanten SN754410 hab ich sie gestern hinzugefügt.

Immerhin. Als ob die weh tun...

Sebastian W. schrieb:
> Schwingen ist nicht mein Problem, es ist dieser
> spontane Spannungsanstieg am OPA-Ausgang den ich nicht verstehe.

Da hat Dir Joe (Gast) doch schon eine mögliche Lösung vorgeschlagen. Das 
ist mit verschiedenen Werten schnell ausprobiert.

Und wegen den Steckbrettern, ich weiß dass die Löterei auf Lochraster 
ein Aufwand ist, aber diese Bretter haben mir schon eine Menge böser 
Überraschungen bereitet. Gerade wenn Du erwähnst (wenn ich das in Deinem 
Eingangsbeitrag richtig verstanden habe) dass das Problem nur manchmal 
auftritt. Ich habe genau die gleichen China-Bretter. Da hab ich mich mal 
halb tot gesucht, warum ein Drehgeber nicht flüssig läuft. Am Ende waren 
es Kontaktprobleme und auf Lochraster gelötet war das Problem wie durch 
ein Wunder weg. Einmal wo am Draht gewackelt, schwingts irgendwo oder 
schon gleich beim Einschalten. Diese Billig-Bretter sind bestenfalls gut 
um ein paar Leds drauf zu stecken.

von Jörg H. (sonichazard)


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Hallo Sebastian

Hier wird eine Ventilspule mit PWM angesprochen.
Und auch noch mit relativ hoher Frequenz.
In der Spule des Ventils sitz ein remanenter Eisenkern, welcher sich 
auch noch bewegt.
Also keineswegs eine konstante R-L Kombination wie so schön im 
Schaltplan dargestellt.
Ich denke es wird einige Verluste im Eisenkern geben.

Bei monostabilen Relais habe ich schon PWM eingesetzt.
Sinnvolle PWM-Frequenz lag hier bei ca. 7kHz.
Bei remanentem Material ???
Möglicherweise musst du mit der Frequenz runter und noch 
Ausgangsdrosseln setzen um eine PWM-Stromregelung zu realisieren.

Kannst Du nicht die Last nicht einmal durch einen Widerstand ersetzen?
Die Messungen würden Dir erstmal ein Ergebnis für diesen Aufbau ohne die 
Effekte des Ventils zeigen!

: Bearbeitet durch User
von Christian S. (roehrenvorheizer)


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>Möchte nicht noch jemand das Format der Bilder anmahnen?

Nein, die Bildformate samt Inhalt sind OK, sogar recht gut sind die 
Fotos. Man könnte bemängeln, daß´die Holzmaserung nicht ganz parallel 
zum Steckbrett verläuft ;-)

Nunja, es wird gerne ungehemmt losgeschossen, wenn im Schaltbild gleich 
so grobe Schnitzer enthalten sind wie die fehlenden 
Abblockkondensatoren. Die gehören halt immer an jedes IC, zumindest in 
Versuchsaufbauten sowie in Einzelstücken, bei denen der Kostenfaktor 
nicht relevant ist.

Masse hast Du verbessert oder bereits von Anfang an vorbildlich gehabt.

Ein solches Ventil hatte ich noch nicht in Händen, wie sich das bei 
PWM-Ansteuerung verhält, bleibt mir verborgen. Die Idee des Vorredners 
war recht interessant. Andererseits könnte man ebenso separat nur das 
Verhalten eines solchen Ventils untersuchen, bevor man es zusammen mit 
der ganzen Schaltung betreibt. Also nur die 13V, 40% PWM über FET, 
Freilaufdiode besser spendieren, Strom klassisch messen mit Amperemeter 
mit Drehspulinstrument oder eben mit DMM. Und dann erst die ganze 
Schaltung drauf los lassen mit den beiden OPVs.

Bei der Auswahl des OPVs sehe ich erstmal keinen Fehler. Manchmal 
allerdings bewirkt der Austausch gegen andere Typen Wunder, wenn sonst 
alles stimmt.

Was kommt eigentlich aus dem Abwärtswandler heraus? Irgendwelche Peaks 
auf den 5V? Die könnten irgendwelche Schwinger anregen. Schonmal nur 
eine Batterie angeschlossen für die Logik?

Bei mir steht das gleiche Oszi wie Du benutzt hast und wenn ich nicht an 
allen Tastköpfen die Masseklemme anschließe, sieht das Signal immer 
wieder anders aus.

Noch eine Vermutung:
"Maximum output-swing bandwidth" ist mit etwa 1 bis 6 kHz angegeben. Mit 
Deiner PWM bist Du da ganz weit drüber und ich würde das nicht mehr als 
Kleinsignalbetrieb ansehen.

mfG

: Bearbeitet durch User
von Michel M. (elec-deniel)


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Christian S. schrieb:

> "Maximum output-swing bandwidth" ist mit etwa 1 bis 6 kHz angegeben. Mit
> Deiner PWM bist Du da ganz weit drüber und ich würde das nicht mehr als
> Kleinsignalbetrieb ansehen.

... Schaltung in Blöcke zerlegen,
simulieren mit LTspice oder Tina könnte das Problem aufzeigen und
das Lesen der OP-Schaltung vereinfachen. :-)

: Bearbeitet durch User
von Sebastian W. (wangnick)


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Tim D. schrieb:
> Sebastian W. schrieb:
>> Schwingen ist nicht mein Problem, es ist dieser
>> spontane Spannungsanstieg am OPA-Ausgang den ich nicht verstehe.
> Da hat Dir Joe (Gast) doch schon eine mögliche Lösung vorgeschlagen. Das
> ist mit verschiedenen Werten schnell ausprobiert.

Nein, für den spontanen Spannungsanstieg hatte bisher keiner eine 
Erklärung und dementsprechend auch keiner eine Lösung (ausser von 
Steckbrettern auf Lötaufbau zu wechseln).

Jörg H. schrieb:
> Möglicherweise musst du mit der Frequenz runter und noch
> Ausgangsdrosseln setzen um eine PWM-Stromregelung zu realisieren.

Die Spulen in den Magnetventilen sind ja schon Induktivitäten, die die 
PWM-Spannungen in einen sehr gemächlichen Stromanstieg bzw. -abfall 
umsetzen. Aber ja, ich habe die PWM-Frequenz jetzt auf 30kHz reduziert, 
die Verluste sind viel geringer, und der Strom schwankt immer noch nur 
minimal im PWM-Takt.

Christian S. schrieb:
> "Maximum output-swing bandwidth" ist mit etwa 1 bis 6 kHz angegeben. Mit
> Deiner PWM bist Du da ganz weit drüber und ich würde das nicht mehr als
> Kleinsignalbetrieb ansehen.

Die PWM liegt an VI, der Shunt liegt in VO, also "hinter" der 
Magnetspule, und dort ist die PWM-Frequenz wie gesagt kaum noch 
sichtbar.

Tim D. schrieb:
> Und wegen den Steckbrettern, ich weiß dass die Löterei auf Lochraster
> ein Aufwand ist, aber diese Bretter haben mir schon eine Menge böser
> Überraschungen bereitet.

Ich war ich in der Zwischenzeit damit beschäftigt den Analogteil auf 
Streifenraster zu löten. Die aktuelle Schaltung ist anbei. Die Messwerte 
sind jetzt viel näher am von mir erwarteten. Nachdem ich einen TLC27 
gehimmelt habe habe ich VO auch noch Dioden zurück zum Netzteil 
spendiert.

Dank allen für ihre Beiträge. Für weitere Anliegen würde ich einen neuen 
Thread starten.

LG, Sebastian

: Bearbeitet durch User
von Tim D. (allahopp)


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Sebastian W. schrieb:
> Ich war ich in der Zwischenzeit damit beschäftigt den Analogteil auf
> Streifenraster zu löten. Die aktuelle Schaltung ist anbei. Die Messwerte
> sind jetzt viel näher am von mir erwarteten. Nachdem ich einen TLC27
> gehimmelt habe habe ich VO auch noch Dioden zurück zum Netzteil
> spendiert.

Schön zu lesen, dass Du weiter gekommen bist. Mag sein dass ich nerve, 
aber hast Du auch die 100nF an die Versorgungsspannungs-Pins der OPs 
gelötet? Um das Wort Abblock-Cs zu vermeiden ;) Im Schaltbild vermisse 
ich die noch.

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