Shunt Regulator Verstaendnissfrage

[Hendrik B. (hendrik_ber)]

Hallo zusammen,

ich hätte einmal eine kurze Fragen zu Shunt-Regulatoren bzw. genauer zu 
TL431 und LM4041.
Vereinfach hätte ich gedacht, dass Shunt-Regulatoren wie 
"programmierbare Z-Dioden" zu verstehen sind.
Bzw. die Ausgangsstufe der Shunt-Regulatoren treibt entsprechend den 
Strom (im Rahmen der Spec), der notwendig ist, um die Ausgangsspannung 
konstant zu halten.

Bei Shunt-Regulatoren kann ich die Ausgangsspannung z.B. über einen 
FB-Eingang (Ref) entsprechend wie bei LDOs oder DCDC-Wandlern 
einstellen.

In meiner Simulation des TL431 funktioniert dies auch wie erwartet.
Am FB-Eingang stellt sich die erwartete Referenzspannung von 2.5V ein 
und die Ausgangsspannung entspricht dem berechneten Wert.

Beim LM4041 hätte ich nun erwartet, dass dies genauso funktioniert, nur 
mit dem Unterschied, dass die Referenzspannung 1.23V beträgt.
In der Simulation funktioniert dies, wenn ich für das FB-Netzwerk zwei 
Mal denselben Widerstandswert einsetze. Ändere ich die Werte, steigt die 
Spannung auf mehrere Volt am FB-Eingang und die Ausgangsspannung ist 
nicht nachvollziehbar oder die FB-Spannung liegt bei wenigen mV(s. 
Anhang).

Habe ich hier einen Denkfehler oder ist mein Modell falsch (Quelle TI).

* PSpice Model Editor - Version 16.0.0
*
*$
*LM4041_N
*****************************************************************************
*  (C) Copyright 2013 Texas Instruments Incorporated. All rights reserved.
*****************************************************************************
** This model is designed as an aid for customers of Texas Instruments.
** TI and its licensors and suppliers make no warranties, either expressed
** or implied, with respect to this model, including the warranties of
** merchantability or fitness for a particular purpose.  The model is
** provided solely on an "as is" basis.  The entire risk as to its quality
** and performance is with the customer
*****************************************************************************
*
** Released by: WEBENCH Design Center,Texas Instruments Inc.
* Part: LM4041_N
* Date: 08APR2013
* Model Type: TRANSIENT
* Simulator: PSPICE
* Simulator Version: 16.0.0
* EVM Order Number: N/A
* EVM Users Guide: N/A
* Datasheet: SNOS641D-MAY 2004-REVISED APRIL 2005
*
* Model Version: Final 1.00
*
*****************************************************************************
*
* Updates:
*
* Final 1.00
* Release to Web.
*
******************************************************************************
.SUBCKT LM4041_N_ADJC1P233 FB V+ V- PARAMS: TOL=1
C_Cstart         V- START  60nF  TC=0,0
Q_Q22         N03098 N01931 V- NPN1X
Q_Q7         N02184 VC_Q2 N01786 NPN1X
Q_Q12         N02229 N03098 N04190 NPN1X
Q_Q13         N04160 N04160 N04190 NPN1X 10
Q_Q3         VC_Q3 VB_Q3 VE NPN1X 10
Q_Q5         VC_Q3 N01129 N01136 PNPL1X 1.8
Q_Q6         N01129 N01129 N01136 PNPL1X 1.8
C_C3         N03098 N01136  3pF  TC=0,0
Q_Q23         N01136 N01136 N08107 NPN1X
R_R10         N01129 N01786  60K TC=0,0
Q_Q15         N04160 N02229 N01136 PNPL1X 10
R_R1toR5         N07686 N01136  30.5K TC=0,0
R_R15         N01931 Q20B  66K TC=0,0
Q_Q14         N02229 N02229 N01136 PNPL1X 1
Q_Q20         N01533 Q20B V- NPN1X
R_R6         VB_Q2 N07686  20K TC=0,0
C_Cx         V- N01136  150pF  TC=0,0
C_C2         VC_Q3 N02514  6pF  TC=0,0
E_Estart         N30465 V- VALUE { max(0.4*(1-V(VB_Q2, VB_Q3)/.05), 0)+V(Q20B)
+  }
Q_Q1         V- FB Q1E PNPV1X 5
Q_Q17         N01533 FB Q1E PNPL1X 1
R_Rx6         V+ N01136  40 TC=0,0
Q_Q19         Q20B VE N08426 PNPL1X 1
R_R8         Q1E VB_Q3  45K TC=0,0
Q_Q16         N01136 N04160 V- NPN1X 10
Q_Q4         VC_Q2 N01129 N01136 PNPL1X 1.8
R_R13         Q20B N01533  40K TC=0,0
R_Rstart0         START N30465  100 TC=0,0
R_R11         N02514 N02184  100K TC=0,0
R_R14         N01755 V- {IF({TOL}>0,7K ,4.95K)} TC=0,0
Q_Q11         N03098 N02514 N01136 PNPL1X 1.8
Q_Q21         N01786 Q20B N01755 NPN1X 6.75
Q_Q24         N01136 N07686 N08116 NPN1X
Q_Q8         N02514 VC_Q3 N01786 NPN1X
Q_Q2         VC_Q2 VB_Q2 VE NPN1X
Q_Q10         N02514 N02184 N01136 PNPL1X 3.1
Q_Q9         N02184 N02184 N01136 PNPL1X 3.1
R_R18         Q1E N08116  138K TC=0,0
R_R59         N01136 N08426  51K TC=0,0
R_R12         N01505 V-  6K TC=0,0
L_Lx1         N01136 V+  10uH
R_R16         N04190 V-  1K TC=0,0
Q_Q18         VE Q20B N01505 NPN1X
R_Rstart1         Q20B START  20K TC=0,0
R_R17         N08116 N08107  260K TC=0,0
R_R7         VB_Q3 VB_Q2  10K TC=0,0
C_C1         VC_Q2 N03098  3pF  TC=0,0
*
.model Menable NMOS LEVEL 1
+ VTO 0
+ KP 20.000000E-06
+ PHI 0.6
+ IS 10.000000E-15
+ PB     .8
+ PBSW     .8
+ UCRIT   10.000000E+03
+ DIOMOD    1
*+ VDD    5
*+ XPART    0
*
.model NPN1X  NPN Is=13.84e-18 Bf=130 TR=8ns
*+ ne=3 CJE=.2pF CJC=4pF TF=8ns
*
*+ Bf=40
*
.model PNPV1X  PNP Is=261.8e-18 Bf=222
*
.model PNPL1X  PNP  Is=48e-18 Bf=63
*+ CJE=1pF
*
*
.model Dideal D Is=0.001p N=0.01 Rs=0 Ikf=0 Xti=2 Eg=1.11 Cjo=0
+               M=0.33 Vj=1 Fc=0.5 Isr=0.1n Nr=2 Bv=75 Ibv=1e-10 Tt=0
*
.ENDS  LM4041_N_ADJC1P233
*$

Viele Grüße

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

Hendrik B. schrieb:
> Ändere ich die Werte, steigt die Spannung auf mehrere Volt am
> FB-Eingang und die Ausgangsspannung ist nicht nachvollziehbar oder die
> FB-Spannung liegt bei wenigen mV(s. Anhang).
Leider ist kein Anhang zu sehen, wo man das Problem nachvollziehen 
könnte.

[Hendrik B. (hendrik_ber)]

Tut mir Leid, hier der Anhang.

[Rainer W. (rawi)]

Hendrik B. schrieb:
> Beim LM4041 hätte ich nun erwartet, dass dies genauso funktioniert,

Das kommt drauf an, welche Variante du benutzt. Du brauchst LM4041_ADJF 
oder .._ADJH5.

[H. H. (Gast)]

Hendrik B. schrieb:
> Beim LM4041 hätte ich nun erwartet, dass dies genauso funktioniert, nur
> mit dem Unterschied, dass die Referenzspannung 1.23V beträgt.

Dem ist aber nicht so. Lies Kapitel 8 im Datenblatt.

[Hendrik B. (hendrik_ber)]

Rainer W. schrieb:
> Das kommt drauf an, welche Variante du benutzt. Du brauchst LM4041_ADJF
> oder .._ADJH5.

Erstmal vielen Dank für Eure Antworten.
Aber entweder habe ich Tomaten auf den Augen oder sehe nicht, worin die 
Unterschiede zwischen den Modellen liegen soll?
Laut Datenblatt gibt es nur adjustable und fixed Modelle mit jeweils 
Industrie- und erweitertem Temperaturbereich.

[Hendrik B. (hendrik_ber)]

H. H. schrieb:
> Hendrik B. schrieb:
>> Beim LM4041 hätte ich nun erwartet, dass dies genauso funktioniert, nur
>> mit dem Unterschied, dass die Referenzspannung 1.23V beträgt.
>
> Dem ist aber nicht so. Lies Kapitel 8 im Datenblatt.

Also entweder übersehe ich hier etwas oder weiß leider nicht, worauf Du 
Dich beziehst.
Kapitel 8.3 beschreibt die Funktionsweise doch so, wie ich mir das 
vorgestellt habe.
Kapitel 8.4 gibt noch den Hinweis, dass dies nur der Fall ist, solange 
I_R im Rahmen der Spec bleibt (wie oben von mir geschrieben).

Ich komme leider nicht darauf, was ich übersehe?

[Hendrik L. (hlipka)]

H. H. schrieb:
> Hendrik B. schrieb:
>> Beim LM4041 hätte ich nun erwartet, dass dies genauso funktioniert, nur
>> mit dem Unterschied, dass die Referenzspannung 1.23V beträgt.
>
> Lies Kapitel 8 im Datenblatt.

Welches von den vielen Datenblättern meinst Du genau?
In dem von TI (https://www.ti.com/lit/gpn/LM4041A12 ) steht in Kapitel 
14 für die einstellbare Version genau das was der OP macht. Der einzige 
Verständnisfehler könnte sein das Vref zwischen V+ und FB anliegt, und 
nicht zwischen V- und FB.

[Hendrik B. (hendrik_ber)]

Hendrik L. schrieb:
> Der einzige
> Verständnisfehler könnte sein das Vref zwischen V+ und FB anliegt, und
> nicht zwischen V- und FB.

So habe ich mir das ja schon gedacht. Die Vref liegt dann über dem 
unteren Widerstand des FB-Spannungsteilers an.

Und bei meinem TL431 Modell ist dem auch immer so (halt nur mit 2.5V). 
Beim LM4041 funktioniert das nur, wenn ich R5=R6 wähle.
Bei anderen Kombinationen bekomme ich Vref Spannungen im mV Bereich bis 
fast Vin.

[Klaus H. (hildek)]

Hendrik B. schrieb:
> ... sehe nicht, worin die Unterschiede zwischen den Modellen liegen soll?

Vielleicht doch am verwendeten Modell?
Der TL431 simuliert auch nicht richtig, wenn er nicht GND-bezogen 
betrieben wird - wenn ich mich recht erinnere.

Es kann durchaus sein, dass manche Zeilen von Spicemodellen in LTSpice 
nicht richtig verstanden werden. Ich denke da z.B. an die hier:
E_Estart  N30465 V- VALUE { max(0.4*(1-V(VB_Q2, VB_Q3)/.05), 0)+V(Q20B) 
}

Auch manche Infineon-Modelle machen Ärger.

[Hendrik L. (hlipka)]

Hendrik B. schrieb:
> Hendrik L. schrieb:
>> Der einzige
>> Verständnisfehler könnte sein das Vref zwischen V+ und FB anliegt, und
>> nicht zwischen V- und FB.
>
> So habe ich mir das ja schon gedacht. Die Vref liegt dann über dem
> unteren Widerstand des FB-Spannungsteilers an.

Eben nicht - Vref liegt über dem oberen Widerstand an. Vout ist 
Vref*(1+Rbot/Rtop) = 1,23*(1+3,3/10) = 1,64V, was ganz gut zu Deiner 
Simulation passt. (In meinem verlinkten Datenblatt ist das Figure 14-3).

[H. H. (Gast)]

Hendrik L. schrieb:
> Eben nicht - Vref liegt über dem oberen Widerstand an.

Ooch, und ich hatte gehofft er sieht das selbst, in Kapitel 8.2.

[Michael B. (laberkopp)]

Hendrik B. schrieb:
> Bzw. die Ausgangsstufe der Shunt-Regulatoren treibt entsprechend den
> Strom (im Rahmen der Spec), der notwendig ist, um die Ausgangsspannung
> konstant zu halten.

Eben gerade nicht. Sie arbeiten eher wie ein Transistor: je mehr 
Spannung an Basis/Ref je mehr Strom durch Collector/Anode, wobei der 
Knick viel schärfer ist als beim Transistor.

Hendrik B. schrieb:
> Beim LM4041 hätte ich nun erwartet, dass dies genauso funktioniert

Er funktioniert genau so wie der TL431 aber als PNP Transistor. Bei ihm 
ist also die Spannung zwischen plus und Ref die Steuerspannung.

[Hendrik B. (hendrik_ber)]

Hendrik L. schrieb:
> Hendrik B. schrieb:
>> Hendrik L. schrieb:
>>> Der einzige
>>> Verständnisfehler könnte sein das Vref zwischen V+ und FB anliegt, und
>>> nicht zwischen V- und FB.
>>
>> So habe ich mir das ja schon gedacht. Die Vref liegt dann über dem
>> unteren Widerstand des FB-Spannungsteilers an.
>
> Eben nicht - Vref liegt über dem oberen Widerstand an. Vout ist
> Vref*(1+Rbot/Rtop) = 1,23*(1+3,3/10) = 1,64V, was ganz gut zu Deiner
> Simulation passt. (In meinem verlinkten Datenblatt ist das Figure 14-3).

H. H. schrieb:
> Hendrik L. schrieb:
>> Eben nicht - Vref liegt über dem oberen Widerstand an.
>
> Ooch, und ich hatte gehofft er sieht das selbst, in Kapitel 8.2.

Uff, ich muss zugeben, dass hätte ich so schnell nicht gesehen.
Deckt sich dann ja auch mit:

Michael B. schrieb:
> Er funktioniert genau so wie der TL431 aber als PNP Transistor. Bei ihm
> ist also die Spannung zwischen plus und Ref die Steuerspannung.

Konnte das aber nun über Kapitel 9.2.2.2 nachvollziehen.

@H. H. (hhinz)
Wie hätte ich das denn an der Schaltung von 8.2 erkennen können? Da 
stehe ich leider noch immer auf dem Schlauch.

Vielen Dank für die Erklärungen schon Mal!

[H. H. (Gast)]

Hendrik B. schrieb:
> Wie hätte ich das denn an der Schaltung von 8.2 erkennen können?

Ich habs dir markiert.

[Hendrik B. (hendrik_ber)]

H. H. schrieb:
> Hendrik B. schrieb:
>> Wie hätte ich das denn an der Schaltung von 8.2 erkennen können?
>
> Ich habs dir markiert.

Oh man, das ist eigentlich mehr als eindeutig.

Vielen Dank noch Mal für Eure Unterstützung!

[Rainer W. (rawi)]

H. H. schrieb:
> Lies Kapitel 8 im Datenblatt.

Von welchem Datenblatt?
Bauteile mit der Bezeichnung LM4041 gibt es von drölfzig Herstellern und 
jeder verwendet seine eigene Kapitelnummerierung (oder auch gar keine, 
z.B. Diodes).
Bei TI trägt das Kapitel "Electrical Characteristics" die Nummer 8, oder 
störst du dich an der Angabe 1,225V gerundet 1,23V für die 
Durchbruchspannung?

[H. H. (Gast)]

Rainer W. schrieb:
> Von welchem Datenblatt?
> Bauteile mit der Bezeichnung LM4041 gibt es von drölfzig Herstellern

Hendrik B. schrieb:
> *  (C) Copyright 2013 Texas Instruments Incorporated.

Einfach lesen war nicht möglich?

[Rainer W. (rawi)]

H. H. schrieb:
> Hendrik B. schrieb:
>> *  (C) Copyright 2013 Texas Instruments Incorporated.
>
> Einfach lesen war nicht möglich?

So schlimm wäre es doch nicht, das Datenblatt zu verlinken, wenn du dich 
auf ein anderes, als das im Forum automatisch verlinkte, beziehst.
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm4041-n.pdf

Das Datenblatt bei TI ist übrigens von Januar 2016 mit "Copyright 2023". 
Die Info "Copyright 2013" hilft als Bezug wenig, wenn man nicht gerade 
über ein umfängliches Archiv verfügt.

[Harald W. (wilhelms)]

Rainer W. schrieb:

>> Lies Kapitel 8 im Datenblatt.
>
> Von welchem Datenblatt?
> Bauteile mit der Bezeichnung LM4041 gibt es von drölfzig Herstellern und
> jeder verwendet seine eigene Kapitelnummerierung (oder auch gar keine,
> z.B. Diodes).

Ja, und als erstes versucht man es natürlich mit dem hier im µC.net
verlinkten. Und dort gibts keine Kapitel.