Ich beschäftige mich mit OpAmps und wie sie intern funktionieren. Perspektivisch möchte ich eine Spannung > 60V mit einem AVR + DAC regulieren, und dazu den Klassiker aus OpAmp und Leistungstransistor nutzen. Ja, es gibt fertige Lösungen. Ja, IC performen besser als diskrete Eigenkreationen.
Darum geht's mir gerade nicht.
Simu ist angehängt. Differentielles Paar mit Stromsenke, PNP + Ausgangsstufe, mit Kompensation. Minimaler geht's kaum noch. Trotzdem viel gelernt.
Die Konfiguration ist gerade die eines Spannungsfolgers.
Wenn man IN gegen OUT vergleicht, schwingt die Differenz zwischen +100 mA und -170 mA über den Regelbereich von 5-55 Volt. Das ist jetzt nicht so befriedigend.
Echte IC sind da wesentlich genauer. Bestehen aber auch aus einem Wald von Transistoren, Gain-Stufen, Stromquellen / senken und anderen Schaltungen, deren Zusammenspiel sich mir nicht erschließt.
Gibt es den einen Trick, um die Regelung präziser zu machen? Oder braucht es den Wald einfach?
Gibt es den einen Trick, um die Regelung präziser zu machen? Oder
braucht es den Wald einfach?
Mehr Verstärkung? Der Strom im differential pair ist nur 2* 18µA. Wenn man ihn erhöht, müssten aber auch R3 und R4 kleiner werden, damit die Arbeitspunkte stimmen. So gewinnt man nichts, daher verwendet man statt R3 und R4 besser einen Stromspiegel als Last.
die zweite Verstärkerstufe um Q4 sollte eigentlich einen sehr hohen gain liefern. ist bei deinem Arbeitspunkt wohl eher nicht der Fall (ohne die simu jetzt selbst ausprobiert zu haben)
und wenn der open loop gain nicht sehr hoch ist, dann ist der OPV ungenau
Q5 und Q6 leiten beide gar nicht, wenn die Spannung an Kollektor Q4 genau die Ausgangsspannung ist. Ich würde da einen Bypass-Widerstand bei Q5/Q6 von B nach E legen.
Q4 zieht den Kollektor von Q2 immer auf +59.4V. Q3 sieht am Kollektor immer 50k.
Die Stromquelle unten mit Q1 sorgt dafür, dass an einem 50k Widerstand maximal 4V abfallen können. Das Diff-Paar wird sehr asymmetrisch betrieben.
Wenn man IN gegen OUT vergleicht, schwingt die Differenz zwischen +100
mA und -170 mA
Gibt es den einen Trick, um die Regelung präziser zu machen?
Diese Abweichung besteht aus 2 Komponenten:
Ein Offset, also die Unsymmetrie, die wohl aus den unterschiedlichen Strömen in den Diff-Transistoren resultiert. Das liegt an der falschen Dimensionierung von R1. An ihm liegen 1,9V, am gleich großen R3 aber nur 0,6V, der Strom durch Q2 ist also deutlich kleiner als der Strom durch Q3.
Eine zu geringe Leerlaufverstärkung der Schaltung. Das liegt an der unsinnigen Dimensionierung der Schaltung. Man denke z.B. an Q4. Der belastet mit seinem Eingangswiderstand von etwa 2...3kOhm den R3.
Ich habe jetzt länglich mit verschieden Werten experimentiert. Die Endstufe aus den NPN/PNP rausgeworfen, da sie nicht zur Verbesserung beitragen konnte. Ich habe etliche Läufe mit ge-.step-ten-Parametern durchgeführten, keine Kombination von Werten brachte wirklich befriedigende Werte.
Nun ist mir die Mathematik hinter der Schaltung auch nicht wirklich klar. Gut möglich also, dass ich das Offensichtliche übersah. Für mich ist die Schaltung in dieser Form ausgereizt.
Zumal ein anderer Kandidat (https://www.sound-au.com/project231.htm) deutlich bessere Ergebnise brachte. Der hat +/- 15mA Abweichung über den Regelbereich von 5 - 75 Volt. Und noch nicht optimiert.
Mal schauen, was da geht. Und was am Ende in der Realität passiert.
Die
Endstufe aus den NPN/PNP rausgeworfen, da sie nicht zur Verbesserung
beitragen konnte.
Das halte ich für einen Fehler, denn die macht die Transformation der Last an den Hochimpedanzknoten Kollektor Q4. Du könntest so mit kleineren Arbeitspunktströmen niederohmige Lasten treiben. Indem man den pnp Q4 durch einen PMOS und seinen Kollektorwiderstand durch eine Stromquelle ersetzt, bekommt man bei noch geringerer Stromaufnahme gegenüber deiner Version eine mehr als 1000-fach höhere Leerlaufverstärkung. Siehe Anhang.
Das ist doch genau das selbe in grün (also die gleiche Struktur in komplementär), nur hast du die Ströme in den Stufen um einen Faktor >100 vergrößert und damit viel größere Steilheiten in den Stufen und außerdem den Kollektorwiderstand des ursprünglichen Q4 durch eine Stromquelle ersetzt. Das ergibt eine viel größere Leerlaufverstärkung und damit eine kleinere Abweichung in der Betriebsverstärkung.
Vielen Dank für die Aufarbeitung. Tatsächlich funktioniert Dein Design ganz hervorragend.
Mit den vorgeschlagenen 50k/82k meldet zumindest LtSpice eine Differenz von 220 mV zwischen eingestellter und geregelter Spannung.
Wenn ich etwas mehr Strom verheize, wozu ich durchaus willens bin, kann ich das mit 20k/47k auf unter 10 mV reduzieren. Wenn ich durch den PMOS auch mehr durchleite geht die Differenz noch weiter runter. Ich muss halt schauen, was die Transistoren aushalten.
Das Verhältnis zwischen den beiden Widerständen muss ziemlich genau eingestellt werden. Das schreit in der Umsetzung nach einem Trimmer.
Mit einem matched Pair im Differenzverstärker sollte das gut funktionieren.
Tatsächlich funktioniert Dein Design ganz hervorragend.
Ich würde da nicht von meinem Design sprechen, diese Schaltungsart ist uralt. Es sollte nur mit minimalen Änderungen verdeutlichen, was ich vor ein paar Tagen sagte.
Mit den vorgeschlagenen 50k/82k meldet zumindest LtSpice eine Differenz
von 220 mV zwischen eingestellter und geregelter Spannung.
Bei mir ist es genau so wie es sein sollte. Die Leerlaufverstärkung ist bei 10Hz um den Faktor ~100 größer als in deiner Dimensionierung, und dementsprechend ist auch der die Differenz zwischen eingestellter und geregelter Spannung nur ein paar mV.
Bei mir ist es genau so wie es sein sollte. Die Leerlaufverstärkung ist
bei 10Hz um den Faktor ~100 größer als in deiner Dimensionierung, und
dementsprechend ist auch der die Differenz zwischen eingestellter und
geregelter Spannung nur ein paar mV.
Ich habe jetzt nochmal die Schaltung kontrolliert. Die Verbindungen stimmen. Die Komponenten sind andere. 2N5550 statt 2N5551. Den BSP92 hat LtSpice auch nicht. Und nach diversen Versuchen ist mein Eindruck, dass es u.a. auf den PMOS ankommt.
Ich bin weit davon entfernt, Deine Mathematik in Frage zu stellen. Und gleichzeitig vermittelt mir die Simu, dass es auch auf die verbauten Teile ankommt.
Beispiel, die Stromsenke wird mit 50k betrieben:
Der PMOS RSJ250P10 ist mit 93k im Kollektor des diff. Paares optimal eingestellt.
Der Si7113DN eher so bei 130k.
Je nach PMOS geht das bis zu 0,3 Volt nach oben oder unten. Ich suche noch den relevanten Parameter.
60V ist natürlich eine Herausforderung, wenn man einen Operationsverstärker braucht. Die meisten gehen bis max. 36V darüber wird es sehr dünn. Wenn es sein muss, bekommt man aber Typen bis 2500V, siehe https://www.apexanalog.com/products/matrix_high-voltage.html . Ist halt teuer, aber bevor ich anfange, einen OPV selbst zu konstruieren, gebe ich lieber das Geld aus.
aber bevor ich anfange, einen OPV selbst zu konstruieren, gebe ich lieber
das Geld aus.
Interessanter Hinweis.
Mouser ruft für die PA8x durchgehend 150 Euro+ auf. Da überlege ich doch schon.
Und mir gehts halt gerade darum, ins Innenleben zu schauen. Und herauszufinden, was alles geht. Scheitern inbegriffen. Das wiederum ist mir das (Lehr)Geld wert.
Schaltung.png
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