Push/Pull in spannungsgeregelter Stromquelle / Frage zur Auslegung

[Sebastian S. (dsebastian)]

Hallo zusammen

ich möchte oben beigefügte spannungsgeregelte Stromquelle auf einer 
kleinen PCB aufbauen und vorab austesten, bevor sie mehrfach auf einer 
größeren PCB zum Einsatz kommen soll.
U.a. möchte ich herausbekommen, ob der Push-Pull-Buffer wirklich 
notwendig ist, oder ob ich auf ihn verzichten kann. Das klappt natürlich 
nur, wenn der Buffer auch so dimensioniert/ausgelegt wurde, dass er den 
OpAmp U1 beim Ansteuern des MOSFET Q2 meßbar "entlastet" (etwa durch 
geringeres Überschwingen beim Ansteuern mit einem PWM Signal (Pin 3 des 
OpAmp)).

Die Stromquelle soll sowohl mit einer Gleichspannung (als "Ref_Current") 
also auch einem PWM-Signal betrieben werden. Die PWM-Frequenz beträgt 
2kHz bei 8-Bit Auflösung, der kürzeste Puls ist damit 2us; der darf 
allerdings schon an seiner Rechteckform eingebüßt haben (zu sehen auch 
an der gewählten Verstärkung des OpAmps, die per C4 und R5 bereits bei 
220kHz auf Eins abgesunken ist).

Folgende Gedanken zur Schaltung habe ich mir gemacht (bzw. 
zusammengelesen):

1) R3 derart, dass die Transitoren Q1A/B bei etwa einem Ausgangsstrom 
des OpAmp von 0.5mA anfangen zu leiten. R3 soll auch die Diodenkennlinie 
der Basis-Emitterstrecken der Transistoren überbrücken bzw. ein Stück 
weit kompensieren.
Ist der Wert für R3 sinnvoll gewählt?

2) R2/R4 finde ich zwar selten im Internet oder Literatur, aber sie 
können/sollen zur Stabilität beitragen. Als Anhaltspunkt wird die 
Transitfrequenz der Transistoren genannt, die mit 265MHz deutlich größer 
ist als die Unity-Gain-Bandwidth des OpAmps (4.5MHz) - womit sie 
wegfallen könnten. Ich habe als Dimensionierung mich eher am MOSFET 
orientiert: 0.5V Spannungsabfall für 100mA Gatestrom.
Ist das richtig so? Oder weglassen, da mit ihnen die Buffer-Wirkung 
deaktiviert wird?

3) Den OpAmp habe ich nach seiner Fähigkeit, kapazitive Lasten zu 
treiben, ausgewählt. GBW von 4.5MHz ist nicht der Kracher, könnte aber 
reichen. Oder kann/sollte wegen der Wirkung des Buffers auf einen OpAmp 
mit höherer Unit-Gain-Bandwidth eingesetzt werden?

Gibt es ggf. andere Dinge, auf die ich achten sollte? Oder ändern? 
Vielen Dank für eure Unterstützung.

Hinweis: Das Gesamtprojekt bzw. mein Problem mit der gesteuerten 
Stromquelle hat hier seinen Anfang genommen:
https://forum.arduino.cc/t/how-to-increase-phase-margin-for-voltage-controlled-current-source/1038040
Für die Auslegung der Stromregelung scheint mir allerdings - trotz der 
Hinweise die ich dort bekommen habe und in obiges Design Eingang 
gefunden haben - das nicht das richtige Forum zu sein, daher hier. Ich 
hoffe auf euer Verständnis.

Datenblätter habe ich beigefügt.

[Michael B. (laberkopp)]

Sebastian S. schrieb:
> Ist der Wert für R3 sinnvoll gewählt?

Ich find ihn zu hochohmig.

Bei mir würden die Transistoren erst ab 10mA leiten.

Sebastian S. schrieb:
> GBW von 4.5MHz ist nicht der Kracher, könnte aber reichen

Na ja, kommt auf die benötigte Geschwindigkeit an, ein OpAmp schneller 
als der MOSFET wird ja durch C4 wieder gebremst.

Sebastian S. schrieb:
> Oder weglassen, da mit ihnen die Buffer-Wirkung deaktiviert wird?

Deaktiviert nicht, aber gebremst, erzeugt weniger Störungen.

[Falk B. (falk)]

Sebastian S. schrieb:

> U.a. möchte ich herausbekommen, ob der Push-Pull-Buffer wirklich
> notwendig ist,

Eher nicht.

> Die Stromquelle soll sowohl mit einer Gleichspannung (als "Ref_Current")
> also auch einem PWM-Signal betrieben werden. Die PWM-Frequenz beträgt
> 2kHz bei 8-Bit Auflösung, der kürzeste Puls ist damit 2us;

Hmm, das ist schon sportlich, da muss der OPV schon etwas schneller sein 
und der MOSFET sollte nicht zuviel Gatekapazität haben. Muss es ein 
MOSFET sein? Ein NPN wäre besser, weil kapazitätsärmer.

> der darf
> allerdings schon an seiner Rechteckform eingebüßt haben (zu sehen auch
> an der gewählten Verstärkung des OpAmps, die per C4 und R5 bereits bei
> 220kHz auf Eins abgesunken ist).

Naja, fragen wir mal anders. Welche minimale Anstiegszeit soll 
rauskommen? Bei 2us Puls sollte die kaum größer 1us sein? Das sind 
~330kHz. Machbar, aber nur wenn alles paßt.

> 1) R3 derart, dass die Transitoren Q1A/B bei etwa einem Ausgangsstrom
> des OpAmp von 0.5mA anfangen zu leiten. R3 soll auch die Diodenkennlinie
> der Basis-Emitterstrecken der Transistoren überbrücken bzw. ein Stück
> weit kompensieren.
> Ist der Wert für R3 sinnvoll gewählt?

Diese Endstufe als solches ist fragwürdig. Die braucht man eigentlich 
nicht, denn du willst so oder so keine hunderte mA ins Gate schieben. 
SOOO viel braucht man da nicht.

> 2) R2/R4 finde ich zwar selten im Internet oder Literatur, aber sie
> können/sollen zur Stabilität beitragen.

Naja, die sind eher zum Kurzschlußschutz der Endstufe, aber nur, denn 
man den dann auch vollständig aufbaut. Da fehlt noch einiges. Braucht 
man hier aber sowieso nicht.

> Ist das richtig so? Oder weglassen, da mit ihnen die Buffer-Wirkung
> deaktiviert wird?

Der ganze Puffer ist Unsinn.

> 3) Den OpAmp habe ich nach seiner Fähigkeit, kapazitive Lasten zu
> treiben, ausgewählt. GBW von 4.5MHz ist nicht der Kracher, könnte aber
> reichen.

Könnte.

> Gibt es ggf. andere Dinge, auf die ich achten sollte? Oder ändern?

Lass den Puffer weg. R5 scheint mir unnötig hochohmig, ich würde da mal 
mit 10k anfangen, ggf. weniger. Dann mit einem Testpuls auf den 
REF-Einagng und die Sprungantwort anschauen. Wenn nix schwingt, C4 oder 
R5 verkleinern. Bis man die 1us Anstiegszeit erreicht. Oder bis er 
schwingt.

> Hinweis: Das Gesamtprojekt bzw. mein Problem mit der gesteuerten
> Stromquelle hat hier seinen Anfang genommen:
> 
https://forum.arduino.cc/t/how-to-increase-phase-margin-for-voltage-controlled-current-source/1038040
> Für die Auslegung der Stromregelung scheint mir allerdings - trotz der
> Hinweise die ich dort bekommen habe und in obiges Design Eingang
> gefunden haben - das nicht das richtige Forum zu sein, daher hier.

In der Tat. Arduino ist, ..., Arduino.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Konstantstromquelle#Konstantstromquelle_mit_Operationsverst%C3%A4rker_und_Transistor

Die -12V brauchst du nicht, der OPV kommt am Eingang auf 0V runter.

Welchen Maximalstrom willst du erreichen? Dein Q2 ist ein 600V 
Transistor. Brauchst du den WIRKLICH?

[Purzel H. (hacky)]

Allenfalls waere interessant um wieviel Strom es geht. Der R6 von 18 Ohm 
ist moeglicherweise zu gross und muss gekuehlt werden. Ueber einem Shunt 
wuerde ich vielleicht 100mV abfallen lassen.

Eine Stromquelle welche CW und Puls in dieser Geschwindigkeit koennen 
soll laesst auf eine Laserdiode als Last schliessen. Nur macht man sowas 
dann anders.

[Sebastian S. (dsebastian)]

Hallo zusammen

vielen Dank für die Antworten. Und fange mal von hinten an:

Purzel H. schrieb:
> Allenfalls waere interessant um wieviel Strom es geht.

Falk B. schrieb:
> Welchen Maximalstrom willst du erreichen? Dein Q2 ist ein 600V
> Transistor. Brauchst du den WIRKLICH?

Nein, ich brauche ihn nicht wirklich. In der Tat völlig 
überdimensioniert. ABER: einer der wenigen MOSFETS zu denen ich in der 
SOA eine DC-Kurve (bzw. Gerade) finden konnte. Alternativ ziehe einen 
TK6A60W in Betracht (immer noch ein 600V-Typ, aber etwas geringere 
Gate-Kapazitäten).
Der Strom ist recht klein: Maximal 120mA bei einer Lastspannung von 36V.

Purzel H. schrieb:
> Eine Stromquelle welche CW und Puls in dieser Geschwindigkeit koennen
> soll laesst auf eine Laserdiode als Last schliessen.

Fast, Diode schon, aber eine LED zur Beleuchtung. Die LED ist im Modul 
"nackt" verbaut, weswegen der Strom extern eingestellt werden muss. Mit 
entweder einem Konstantstrombetrieb und Puls wird die Helligkeit 
eingestellt.

Michael B. schrieb:
>> Ist der Wert für R3 sinnvoll gewählt?
>
> Ich find ihn zu hochohmig.

Falk B. schrieb:
> Eher nicht.

Falk B. schrieb:
> Hmm, das ist schon sportlich, da muss der OPV schon etwas schneller sein
> und der MOSFET sollte nicht zuviel Gatekapazität haben.

Diese Aussagen sind etwas schwierig unter einen Hut zu bekommen ;-)

Nach meinem Verständnis (und Recherche, und eigene Untersuchung) wirkt 
sich ein hoher Gate-Widerstand (R3) bei nicht installierten Q1A/B 
nachteilig aus während gleichzeitig eine niedrige Impendanz zur 
Ansteuerung von Q2 eben positiv ist. Der Buffer hat damit die Aufgabe 
eine Impedanz zum Treiben des Mosfets Q2 bereit zu stellen, die kleiner 
ist als die des OPs.
Insofern war meine obige Design-Überlegung unvollständig. Und daher die 
Frage: Wie kann ich die Impedanz des Buffers ermitteln? Wobei ich den 
Eindruck habe, dass man irgendeinen Tod sterben muss: Entweder ein 
kleiner Wert für R3 (z.B. sodaß 700mV erst bei 10mA) abfallen, was im 
Konstant-Strom-Modus wohl nie Q1A/B aktiv werden lässt, oder großer Wert 
für R3, um stets/häufiger von der niedrigen Impedanz des Buffers zu 
profitieren ...?

Also, unter dem Aspekt des Impedanzwandlers und konstant und 
Pulsbetrieb, und unter Vernachlässigung ob das nun alles Sinn macht oder 
nicht (das soll ja Ziel des Tests werden), wie den Buffer auslegen? R3 = 
unendlich/offen, R2, R4 = 0R? Oder R3 = 70R und R2, R4 = 0R? Oder?

Falk B. schrieb:
> Ein NPN wäre besser, weil kapazitätsärmer.

Ich suche mir mal einen raus ...

Falk B. schrieb:
> R5 scheint mir unnötig hochohmig

Mit C4 und dem genannten Wert für R5 ergibt sich die angegebene 
Verstärkung von 1 bei f1 = 220kHz, da
V = 1 = 1/(2*pi*f1*C4*R5)
und bei vorgegebenen C4 und f1 eben
R5 = 1/(2*pi*f1*C4) = 33k

Ich werde einen zweiten Widerstand parallel vorsehen (über Jumper o.ä. 
zuschaltbar), also z.B. f1 = 50kHz und 220kHz

Falk B. schrieb:
> Welche minimale Anstiegszeit soll rauskommen?

Da es um eine LED geht, ist letztendlich die Anstiegszeit nicht soo 
wichtig. Wenn eine übliche 8-Bit-Auflösung im Strom erreicht werden 
kann, und beim letzten Bit Fehler auftreten, dann ist das ok. 
Letztendlich eine Frage davon was sich mit vertretbaren Aufwand 
erreichen läßt. 10€ für einen Dual-OpAmp wäre dann z.B. doch etwas viel.

Ich hoffe ich habe nix vergessen.

EDIT: Den Buffer kann ich leicht weglassen. Den ZXTC2045 im Test-Layout 
berücksichtigen, aber ggf. einfach nicht bestücken und R3 anpassen. So 
wird ein Vergleich mit/ohne Buffer leicht möglich.

[Falk B. (falk)]

Sebastian S. schrieb:

> Nein, ich brauche ihn nicht wirklich. In der Tat völlig
> überdimensioniert.

Was oft Probleme macht. Man fährt auch nicht mit dem Tieflader zum 
Bäcker.

> ABER: einer der wenigen MOSFETS zu denen ich in der
> SOA eine DC-Kurve (bzw. Gerade) finden konnte. Alternativ ziehe einen
> TK6A60W in Betracht (immer noch ein 600V-Typ, aber etwas geringere
> Gate-Kapazitäten).
> Der Strom ist recht klein: Maximal 120mA bei einer Lastspannung von 36V.

Ach wie süß! ;-) Und dafür so ein Monster? Nimm einen NPN. Du hast max. 
4,3W Verlustleistung, da schafft ein TO220 mit kleinem Kühlkörper. 
BD911 oder ähnlich.

> Fast, Diode schon, aber eine LED zur Beleuchtung. Die LED ist im Modul
> "nackt" verbaut, weswegen der Strom extern eingestellt werden muss. Mit
> entweder einem Konstantstrombetrieb und Puls wird die Helligkeit
> eingestellt.

Dafür braucht man keine präzise Konstantstromquelle mit OPV, es 
reicht ein schnöder Transistor mit Emitterwiderstand. Und der sieht auch 
keine 36V, denn die meiste Spannung fällt über deiner LED-Kette ab.

Siehe Netiquette!

" Gerade am Anfang ist es immer gut zu sagen, was man insgesamt 
erreichen will und nicht so sehr Annahmen darüber zu treffen, wie man es 
erreichen könnte und dann das Wie zu hinterfragen. Oft ist der 
Denkfehler nämlich schon im Ansatz und man kann besser helfen, wenn man 
das Ziel des Fragenden kennt."

> Nach meinem Verständnis (und Recherche, und eigene Untersuchung) wirkt
> sich ein hoher Gate-Widerstand (R3) bei nicht installierten Q1A/B
> nachteilig aus während gleichzeitig eine niedrige Impendanz zur
> Ansteuerung von Q2 eben positiv ist. Der Buffer hat damit die Aufgabe
> eine Impedanz zum Treiben des Mosfets Q2 bereit zu stellen, die kleiner
> ist als die des OPs.

Theoretisch richtig, praktisch aber eher hier nicht nötig bzw. sinnvoll.

[Sebastian S. (dsebastian)]

Falk B. schrieb:
> es reicht ein schnöder Transistor mit Emitterwiderstand

Also rein steuern; das dürfte in der Tat einiges einfacher machen! 
Allerdings glaube ich nicht, dass es ganz ohne Rückkoplung gehen wird.

Dazu die angehängte Schaltung (den vorgeschlagenen BD911 habe ich wg. 
Verfügbarkeit durch einen BD243C ersetzt), die letztendlich einfacher 
Stromspiegel ist.
Ohne D2 und R6 hängt der Strom durch R7 recht stark von der 
Stromverstärkung des Transistors Q3 ab. So zieht, zum Beispiel, eine 
Verringerung der Spannung "Ref_Current" möglicherweise gar keine 
Stromänderung nach sich, weil der Basisstrom noch immer ausreichen 
(kann) den vollen Laststrom fliessen zu lassen.

Ich werde die modifizierte Variante ausprobieren (danke für den Tipp der 
reinen Steuerung). Da, wie erwähnt, die Ansteuerung mehrfach verbaut 
werden soll muss ich aber prüfen, ob sich Bauteiltoleranzen speziell im 
unteren Aussteuerungsbereich in einer sichtbarem Helligkeitsunterschied 
auswirken.

[Alfred B. (alfred_b979)]

Sebastian S. schrieb:
> Also rein steuern; das dürfte in der Tat einiges einfacher machen!
> Allerdings glaube ich nicht, dass es ganz ohne Rückkoplung gehen wird.

Was meinst Du mit "es"? Doch Konstantstrom?

T mit R_E = Stromgegenkopplung wenn R_B weggelassen wird,

Sebastian S. schrieb:
> Spannung "Ref_Current"

somit tatsächlich = U_B (= gewünschte Spannungssteuerung
einer Stromquelle bzw. -senke, LED zw. C und U_Betrieb(+))

I_LED = (U_B - U_BE(ca. 0,7V)) / R_E

Offset wg. U_B = 0,7V, aber kann sowohl mit PWM als auch
analog/stufenlos spannungsgesteuert werden.

[Sebastian S. (dsebastian)]

Alfred B. schrieb:
> Was meinst Du mit "es"? Doch Konstantstrom?

"es" steht hier für den Vorschlag von Falk.

Alfred B. schrieb:
> T mit R_E = Stromgegenkopplung wenn R_B weggelassen wird,

Ahh! Also wie im Schaltplan dargestellt? Ich habe noch eine OpAmp 
hinzugefügt, der wohl für jede LED vorzusehen wäre; ein Basiswiderstand 
soll/darf gerade nicht hin.

Alfred B. schrieb:
> = U_B (= gewünschte Spannungssteuerung einer Stromquelle bzw. -senke, LED
> zw. C und U_Betrieb(+))
>
> I_LED = (U_B - U_BE(ca. 0,7V)) / R_E

Ja, der Bezeichner "Ref_Current" ist eine Spannung, in deiner Gleichung 
U_B.

[Sebastian S. (dsebastian)]

Hallo zusammen,

da ich ja auch dieses Forum für Fragen zur Stabilisierung einer 
spannungsgesteuerten Stromquelle genutzt habe, möchte ich euch meine 
Ergebnisse nicht vorenthalten.
Meine Frage habe ich auch im Arduino-Forum gestellt, und dort habe ich 
auch die Ergebnisse gepostet. Auf Englisch, aber ich hoffe, der oder die 
Interessierte versteht es trotzdem.

Link: 
https://forum.arduino.cc/t/how-to-increase-phase-margin-for-voltage-controlled-current-source/1038040/75?u=dsebastian

Letztendlich geht es ohne Push/Pull, dafür nur mit einem Zobelnetzwerk, 
und 1.x us Anstiegszeit reichten mir dann.

Die NPN-Variante habe ich am Ende nicht getestet, da es einem 
(alternativen) MOSFET funktionierte.

Danke für eure Hilfe
Gruß
Sebastian

[Peter D. (peda)]

Sebastian S. schrieb:
> Die Stromquelle soll sowohl mit einer Gleichspannung (als "Ref_Current")
> also auch einem PWM-Signal betrieben werden.

Und was soll die PWM bringen?
Die Leistung wird so oder so verheizt, da keine Speicherdrossel 
vorhanden ist für einen Schaltregler.
Eine PWM läßt die LEDs flackern und erzeugt Störungen wie Sau.

Einfach aus der PWM mit einem RC-Filter DC machen und gut.

[Sebastian S. (dsebastian)]

Peter D. schrieb:
> Und was soll die PWM bringen?

Vermeidung von Farbverschiebungen im Bereich kleiner Ströme [1].

Peter D. schrieb:
> Eine PWM läßt die LEDs flackern

Nicht, wenn man es richtig macht [2]. Und das es kommerzielle Geräte für 
gewöhnlich nicht tun [3] (ich bin der TO dort).

[1] 
https://www.licht.de/fileadmin/Publikationen_Downloads/ZVEI-Schriften/1410_ZVEI_Schrift_LED_Dimmen.pdf

[2] 
https://www.dial.de/en-GB/projects/ieee-1789-a-new-standard-for-evaluating-flickering-leds

[3] 
https://knx-user-forum.de/forum/%C3%B6ffentlicher-bereich/knx-eib-forum/1607406-flickern-flimmern-co-die-ieee-p1789-aktuelle-netzteile-und-eine-spezielle-led

[Peter D. (peda)]

Sebastian S. schrieb:
> Vermeidung von Farbverschiebungen im Bereich kleiner Ströme [1].

Ich würde das als Erbsenzählerei einordnen. Der Mensch kennt keinen 
absoluten Farbeindruck, sondern gewöhnt sich schnell an eine 
Beleuchtung. Außerdem sind die verschiedenen Sehzellen nichtlinear, d.h. 
der Farbeindruck ist helligkeitsabhängig.
Glühlampenlicht ändert beim Dimmen die Farbe ja auch sehr stark, alles 
wird rotstichig.