Opamp / Mosfet - heftige Oszillation

[Holger L. (symetron)]

Moin

Und wieder mal stehe ich da und begreife es nicht...

Im "Internet" gibt es etliche Vorschläge für eine simple elektronische 
Last. Ein Opamp treibt einen N-Kanal Mosfet.
Das Signal kommt von einem Funktionsgenerator / DAC. Das Feedback von 
einem Shunt. Eine simple steuerbare Stromsenke.

Jetzt habe ich fleißig die Datenblätter von den MOSFET gelesen. Die 
meisten sind für den Schaltbetrieb optimiert.
Da gib es die Safe Operation Area nicht her, im linearen Betrieb 
Leistung zu verheizen. Deswegen der  IXTP15N50L2
von Littlefuse, der ist für sowas gemacht.

https://www.mouser.de/datasheet/2/240/ixyss05801_1-2272383.pdf

Problem: Heftige Oszillation am Shunt, gemessen per SMB-Buchse U9. Siehe 
Grafik. Gemessen bei 500mV
am Opamp(+)-Eingang und 1 Ohm Shunt, also einem Laststrom von
500 mA. Die Messung variiert mit der Spannung am Drain und eingestelltem
Strom.

Der Schaltplan ist anbei. Meine bisherigen Reperaturversuche sind gelb 
hinterlegt. Als da wären

- 100 Ohm zwischen Opamp und Gate. Eigentlich eine sichere Bank...
- Ein Snubber(?) zwischen Gate und Source. Experimentell.
- Erhöhung der Ausgangskapazität der Ladungspumpe zur Erzeugung der neg. 
Hilfsspannung zwecks Ripple-Minimierung.

Die Hilfsspannung erlaubt auch Nicht-RR-Opamps GND zu erreichen. Das 
ganze soll dann von einem 9V-Block gespeist werden, um vom Labornetzteil 
unabhängig zu sein.

Der Opamp ist gesockelt, steckt also auf einer daumennagelgroßen 
Platine. Dadurch kann ich einfach verschiedene Opamps testen.

Möglicherweise ein Holzweg.

Gelernt:

Der NE5532 bringt die Ladungspumpe ordentlich zum Zirpen. Und 
Oszilliert.

Der COS077 ebenso. Zieht aber weniger Strom.
https://datasheet.lcsc.com/lcsc/2006301914_COSINE-COS77SR_C693064.pdf

Der AD817 ("Drives Unlimited Capacitive Load") schwingt auch fröhlich
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD817.pdf

Ich kriege diese Schwingung nicht gedämpft. Hab ihr Lösungsideen?

Gruß
Holger

[Falk B. (falk)]

Holger L. schrieb:

> Jetzt habe ich fleißig die Datenblätter von den MOSFET gelesen. Die
> meisten sind für den Schaltbetrieb optimiert.
> Da gib es die Safe Operation Area nicht her, im linearen Betrieb
> Leistung zu verheizen. Deswegen der  IXTP15N50L2
> von Littlefuse, der ist für sowas gemacht.
>
> https://www.mouser.de/datasheet/2/240/ixyss05801_1-2272383.pdf
>
> Problem: Heftige Oszillation am Shunt, gemessen per SMB-Buchse U9. Siehe
> Grafik. Gemessen bei 500mV

Weine nicht, wenn dein Mosfet schwingt, Tam, Tam, Tam, Tam ;-)

> am Opamp(+)-Eingang und 1 Ohm Shunt, also einem Laststrom von
> 500 mA. Die Messung variiert mit der Spannung am Drain und eingestelltem
> Strom.
>
> Der Schaltplan ist anbei.

Fail. Deine Frequenzgangkompensation taugt nix. 1 (EIN) Ohm und 10 uF? 
NO!!!
Es fehlt der Reihenwiderstand zwischen Shunt und OPV! Siehe

Und der Kondensator gehört DIREKT an den Ausgang de OPV, nicht ans Gate 
hinter den Längswiderstand!

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

> Der Opamp ist gesockelt, steckt also auf einer daumennagelgroßen
> Platine. Dadurch kann ich einfach verschiedene Opamps testen.

Wozu der Kram? Ein oller LM358 reicht und ist handzahm. Der braucht auch 
keine negative Versorgung, 0V reichen.

> Ich kriege diese Schwingung nicht gedämpft. Hab ihr Lösungsideen?

KISS!

[Holger L. (symetron)]

Also doch nur wieder hoffnungslos overengineerter Bullshit!

[Michael B. (laberkopp)]

Holger L. schrieb:
> Problem: Heftige Oszillation am Shunt,

Du wirst schon zwischen shunt und Kompensationsnetzwerk Ci Rp einen 
Widerstand Rx machen müssen, sonst degradierst du das 
Kompensationsnetzwerk zum Boucherot-Glied

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

Und natürlich sind OpAmps stabil für kapazitive Lasten nicht zu 
verachten

OpAmp für hohe kapazitive Last: LT1363 (LT), 
LM8261/8272/6161/6261/6361/6362/6364/6365 (NS), TLE2141/2142/2144 (TI 
single supply 44V 0.5mV 10nF 27V/us) AD817/826/827/847/848/849 (Analog) 
http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/31-2/appleng.html 
MC34071/MC34072 (OnSemi single supply) 
http://www.ti.com/lit/an/sloa013a/sloa013a.pdf 
http://designtools.analog.com/dt/stability/stability.html MIC920 (5-18V 
3000V/us 80MHz Micrel) LTC6260 (1.8-5.25V, 20uA 400uV) OPA197/2197/4197 
(36V 1nF 20V/us 100uV)

Und der 'R6' ist bei dir falsch.

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Was ist eigentlich der Grund, da einen MOSFet zu nehmen? Die Schaltung 
mit einem klassischen BJT ist viel einfacher zu handeln und braucht 
lediglich ein wenig Steuerstrom. Mit einem kräftigen  Transistor ist das 
in Nullkommanichts spielbereit.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Matthias S. schrieb:
> Was ist eigentlich der Grund, da einen MOSFet zu nehmen?

Die Genauigkeit.

> Die Schaltung mit einem klassischen BJT ist viel einfacher zu handeln

Was ist daran einfacher? Der Aufbau ist ja (bis auf die Dimensionierung
der passiven Komponenten) praktisch gleich. Wenn man die Schaltung (wie
der TE) grob falsch aufbaut, funktioniert sie auch mit einem BJT nicht.
Macht man alles richtig, funktioniert sie auch mit einem Mosfet.

[Nils S. (wall-e)]

Achte auf die Polung von C4.

[Armin X. (werweiswas)]

Matthias S. schrieb:
> Was ist eigentlich der Grund, da einen MOSFet zu nehmen

Evtl der Wunsch die Last mit einer 9V Batterie betreiben zu können.
Ich wūrde jedoch für Batteriebetrieb der Erzeugung des Sollwert 
unbedingt noch eine Referenz spendieren. Sonst kann man sich für 
längeren Betrieb am Stück den Feineinstellungspoti sparen.

[Holger L. (symetron)]

> Evtl der Wunsch die Last mit einer 9V Batterie betreiben zu können.

Richtig geraten. Alles was Strom zieht ist böse. Was spätestens bei 
notwendiger aktiver Kühlung ad Akta gelegt werden kann. Aber für ein 
paar Watt kurz zum Durchtesten reicht es so allemal.

C4 hängt richtig rum. GND ist der Pluspol. Immerhin einen Fehler nicht 
gemacht :-)

Ich hatte mittlerweile die -9V-Schiene unterbrochen, und den Opamp 
direkt an GND angeschlossen. Gleicher Effekt - Schwingt wie gehabt. 
Trotzdem Danke für den Tip mit der Referenz.

Als nächstes einen LM358 zu Einsatz gebracht - Kaum Veränderung. Alle 
durchgetesteten Opamps zeigen mehr oder weniger ausgeprägte Artefakte.

Dann - Es stellte sich pure Verzweiflung ein - den ziemlich teuren 
IXTP15N50L2 (9 Euro bei Mouser) durch einen Chinesen (NCE65TF130) aus 
der Bastelkiste ersetzt

Works like a Charm.

Heute Abend kann ich nicht mehr den Datenblattvergleicher machen, und - 
vielleicht - ergründen, warum der Littlefuse (war mal IXYS) so rumzickt.

Geht:

https://datasheet.lcsc.com/lcsc/2004201606_Wuxi-NCE-Power-Semiconductor-NCE65TF130_C502883.pdf

Geht nicht:

https://www.mouser.de/datasheet/2/240/ixyss05801_1-2272383.pdf

Gruß
Holger

[Falk B. (falk)]

Holger L. schrieb:
> Als nächstes einen LM358 zu Einsatz gebracht - Kaum Veränderung. Alle
> durchgetesteten Opamps zeigen mehr oder weniger ausgeprägte Artefakte.

Weil du weder gelesen noch verstanden hast. Es fehlt der Längswiderstand 
R3!
Außerdem sind moderne MOSFETs mit verdammt hoher Steilheit eher 
kontraproduktiv.

[Armin X. (werweiswas)]

Da gibts wohl, wie ich mir mal hab sagen lassen müssen einen sogenannten 
Spiritoeffekt.
Beitrag "MOSFET Linearbetrieb möglich?"
Dieser hat mich mal beim Experimentiern meinen einzigen  BSM111 bei nur 
25V und ein paar wenigen Ampere gekostet...
https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/44696/SIEMENS/BSM111.html

[Holger L. (symetron)]

Wenn ich das richtig mitgenommen habe, bestehen moderne Schalt-MOSFET 
aus vielen kleinen Zellen mit begrenzter Tragfähigkeit. Und die brennen 
gerne mal durch. Deswegen auch mein Hinweis auf das vorherige Studium 
der SOA.

Bei Richi gibt es immer wieder beeindruckende Darstellung dazu:

https://www.richis-lab.de/FET08.htm

[Holger L. (symetron)]

> Weil du weder gelesen noch verstanden hast. Es fehlt der Längswiderstand
> R3!
> Außerdem sind moderne MOSFETs mit verdammt hoher Steilheit eher
> kontraproduktiv.

Geduld bitte. Kann nicht alles auf einmal machen.

Wenn ich einen MOSFET finde der passt und ohne aufwendige Kompensation 
funktioniert wäre das doch eine tolle KISSte.

Tatsächlich sind Kompensationsnetzwerke für mich immer noch 
Raketenwisschenschaft. Hier taucht in des Laberkopfes Diagramm zu allem 
Überfluss noch ein BC547 auf, dessen Wirken sich mir noch so ganz 
erschließt. Da wäre ich für eine erläuternde Zeile noch sehr dankbar.

Rx, Ci, Rp kriege ich mit etwas Kratzen und löten noch unter. Der Rest 
wird etwas anstrengend. Das schiebe ich ggf. in die nächste Revision.

Gruß
Holger

[Michael B. (laberkopp)]

Holger L. schrieb:
> Hier taucht in des Laberkopfes Diagramm zu allem
> Überfluss noch ein BC547 auf, dessen Wirken sich mir noch so ganz
> erschließt. Da wäre ich für eine erläuternde Zeile noch sehr dankbar.

Verhindert zu viel Überstrom im kurzen Moment wo die Last angeschlossen 
wird, denn da ist der OpAmp noch voll aufgesteuert und bringt erst mit 
etwas Verzögerung das MOSFET-Gate runter.

[Holger L. (symetron)]

> Verhindert zu viel Überstrom im kurzen Moment wo die Last angeschlossen
> wird, denn da ist der OpAmp noch voll aufgesteuert und bringt erst mit
> etwas Verzögerung das MOSFET-Gate runter.

Danke. Das werde ich mir erst mal in der Simu zu Gemüte führen.

Mit der Kompensation (im Sinne der Verhinderung einer Schwingung) hat 
das also nichts zu tun, sondern ist eher eine Schutzmaßnahme?! Wenn man 
das überhaupt trennen kann...

[Peter D. (peda)]

Michael B. schrieb:
> Verhindert zu viel Überstrom im kurzen Moment wo die Last angeschlossen
> wird, denn da ist der OpAmp noch voll aufgesteuert und bringt erst mit
> etwas Verzögerung das MOSFET-Gate runter.

Ja, der begrenzt die Spannung am Shunt auf etwa 0,5..0,7V.

[Falk B. (falk)]

Holger L. schrieb:
>> Weil du weder gelesen noch verstanden hast. Es fehlt der Längswiderstand
>> R3!
>> Außerdem sind moderne MOSFETs mit verdammt hoher Steilheit eher
>> kontraproduktiv.
>
> Geduld bitte. Kann nicht alles auf einmal machen.
>
> Wenn ich einen MOSFET finde der passt und ohne aufwendige Kompensation
> funktioniert wäre das doch eine tolle KISSte.

Nö. Denn das ist ein Zufallstreffer, der dir eine falsche Sicherheit 
vermittelt.

> Tatsächlich sind Kompensationsnetzwerke für mich immer noch
> Raketenwisschenschaft.

Kann sein, ist aber nicht das Problem.

> Hier taucht in des Laberkopfes Diagramm zu allem
> Überfluss noch ein BC547 auf, dessen Wirken sich mir noch so ganz
> erschließt. Da wäre ich für eine erläuternde Zeile noch sehr dankbar.

Pack den R3 mit 10k und C1 mit 1nF rein und erhöhe C1 so lange, bis es 
stabil ist. Dann ggf. C1 nochmal verdoppeln, gut ist.

[Vanye R. (vanye_rijan)]

> Ich kriege diese Schwingung nicht gedämpft. Hab ihr Lösungsideen?

Gegenfrage: Wofuer brauchst du sowas?

Ich hab sowas vor ein paar Jahren auch mal gebaut, allerdings noch
etwas komplexer. Weiterer OP fuer die Verstaerkung am Shunt
ausserdem auch modulierbar.
Man bekommt das grundsaetzlich hin.

Aber im Prinzip hat man dann eine Regelung wo dir die Regelstrecke
nicht immer bekannt ist. Weil die Regelstrecke ja die externe
Schaltung ist die du mit einem Strom belasten willst.
Da ist es immer denkbar das sowas instabil sein kann weil
du halt heute nicht weisst was du uebermorgen dran klemmst.

Letztlich kommt man dann irgendwann zu der Erkenntnis das es doch
einfacher ist nur mehrere Widerstaende da zu haben und die dran zu 
schalten.
Jedenfalls wenn du damit komplexe unbekannte Stromversorgungen
testen willst. Aber klar, wenn es nur um die Entladung eines Akkus
geht ist das alles machbar.

Vanye

[Thorsten S. (thosch)]

Holger L. schrieb:
> C4 hängt richtig rum. GND ist der Pluspol. Immerhin einen Fehler nicht
> gemacht :-)

Fail. Schau mal in deinen Schaltplan:
Da hängt der Minuspol vom C4 an GND und der Pluspol an -VDC.
Klassisch verpolt!

[Holger L. (symetron)]

> Fail. Schau mal in deinen Schaltplan:
> Da hängt der Minuspol vom C4 an GND und der Pluspol an -VDC.
> Klassisch verpolt!

Stimmt. Der Elko im echten Leben hängt aber richtig rum. Beim 
Modifizieren des Schaltplanes hatte ich dann nicht aufgepasst.

[Holger L. (symetron)]

> Letztlich kommt man dann irgendwann zu der Erkenntnis das es doch
> einfacher ist nur mehrere Widerstaende da zu haben und die dran zu
> schalten.

Da war ich gedanklich auch schon. Aber das wäre eine veritable Dekade 
von Leistungswiderständen geworden. Mit entsprechendem Platz- und 
Geldverbrauch.
Bei der jetzigen Lösung ist der Mosfet das teuerste Bauteil, der Rest 
"lag halt so rum". Und bietet maximale Flexibilität. Mit bekannten 
Risiken. Zwei Loops koppeln und sowas.

Hab gerade "Deathloop" durch. Was da so alles passieren kann...

Aber, Du hast recht: Die einfache ohmsche Lösung ist natürlich die am 
einfachsten beherrschbare.

[Holger L. (symetron)]

Tatsächlich haben die vogeschlagenen 1nF Kapazität und 10k Widerstand 
den Mosfet im Nu gezähmt.

Vielen Dank an alle Beteiligten :-)

[Falk B. (falk)]

Holger L. schrieb:
> Tatsächlich haben die vogeschlagenen 1nF Kapazität und 10k Widerstand
> den Mosfet im Nu gezähmt.

NEIN! Doch! OHHHHH!!! ;-)