Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Konstantstromquelle Transistor


von Kevin (keijikun)


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Guten Abend,
ich muss für eine Projektarbeit einen stromregler entwerfen. Es geht 
darum eine konstanten Strom von 10A durch einen unbekannten Widerstand 
Rpa (+ seine leiterwiderstände auf der rechten Seite)zu leiten und durch 
den Spannungsabfall den Widerstand zu errechnen. Zur Erklärung: wir 
haben nur eine 24V spannungsquelle die die Steuerung und die Last 
speisen soll. Der operationsverstärker soll die Messspannung (welche ja 
mit dem zu messenden Widerstand Rpa auf einem Strang liegt) mit der 
Referenzspannung vergleichen und über den Mosfet so regeln das konstant 
10 A darüber laufen. Kann das so funktionieren? Ich bin mir nur nicht 
sicher wie der grün markierte Strang gelegt gehört, ich muss die 24V ja 
noch iwie in den arbeitststrang bekommen. Wäre sehr dankbar für Tipps
Beste Grüße

von Jörg R. (solar77)


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Kevin schrieb:
> Wäre sehr dankbar für Tipps

Was soll der OPV denn messen? Der + Eingang liegt auf GND.

von H. H. (hhinz)


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Kevin schrieb:
> Kann das so funktionieren?

Auf gar keinen Fall.

Da sind mehrere gravierende Fehler drin. Woher hast du die Schaltung?

von Mani W. (e-doc)


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Der -Eingang auf Source, der +Eingang aufs Poti...

Die Last auf Drain gegen +Ub, der Widerstand (blau unterlegt)
wird durch eine Drahtbrücke ersetzt...

Die beiden Widerstände in Serie zur Last müssen weg...

10 Ampere wird sehr sportlich mit sehr großem Kühlkörper...

: Bearbeitet durch User
von Michael B. (laberkopp)


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Kevin schrieb:
> Kann das so funktionieren

Nein.

Dein billigster und daher ziemlich ungenauer OpAmp misst immer 0V und 
selbst wenn er den Spannungsabfall an rpa messen würde, regelt er damit 
nicht den Strom, dazu muss er schon die Spannung an einem bekannten 
Widerstand, z.B. 0.1 Ohm messen.

Selbst wenn grün der rpa wäre und rpa die 0.1 Ohm, gibt es viele Gründe 
warum die Schaltung nicht funktioniert: der LM358 treibt eine hohe 
kapazitive Last, das Gate des MOSFETs, nur ungern, er kommt ins 
schwingen und du hast nichts dagegen unternommen.

Dein Poti aus 24V erzeugt kaum eine stabile Vergleichsspannung, die 24V 
werden nicht sonderlich genau sein.

24V mit 10A waren 240 Watt Verlustleistung am MOSFET, welches Modell 
wolltest du da nehmen ?

einfache elektronische Konstantstromsenke
1
        +12V
2
         |
3
  +--R---+---------Rpa----------+
4
  |      |                      |
5
Poti----|+\                     |
6
  |     |  >--+--R6---+--------|I PowerMOSFET
7
  |  +--|-/   |       |         |S  auf KK
8
  |  |   |    Ci      |BC547    |
9
  |  |   |    |       >|--100R--+
10
  |  |   |    Rp     E|         |
11
  |  |   |    |       |         |
12
  |  +---(----+--Rx---(---------+
13
  |      |            |         |
14
  |      |            |       Shunt
15
  |      |            |         |
16
  +------+------------+---------+--o
Erklärungen in 
https://dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.24.1

von Christian S. (roehrenvorheizer)


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Kevin schrieb:
> 10A durch einen unbekannten Widerstand
> Rpa (+ seine leiterwiderstände auf der rechten Seite)zu leiten

Also der Leistungswiderstand soll unbekannt sein und zudem sollen die 
Widerstände seiner Zuleitungen noch berücksichtigt werden?

"Leiterwiderstände" sind genau  was? Sollen diese bekannt sein?


mfg

von Rainer W. (rawi)


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Kevin schrieb:
> Wäre sehr dankbar für Tipps

Was soll mit dem Messwiderstand gemessen werden? Der Laststrom fließt 
dort jedenfalls nicht durch.

p.s.
Gib den Bauteilen im Schaltplan vernünftige Bezeichnungen (z.B. R1, Q1, 
...), damit man keine Romane der Form "der rechte, obere Widerstand" 
schreiben muss.

von Marek N. (db1bmn)


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Wenn die Referenspannung des OPVs aus der Versorgungsspanung abgeleitet 
wird, ist es keine Konstantstromsenke, sondern ein Konstant-Widerstand, 
da der Laststrom proportional zur Eingangsspanung nachgeregelt wird.

Die Referenzspannung muss aus einer konstanten Spannung abgeleitet 
werden, wie TL431, LM4040, LM317 oder sonst was.

von Rainer W. (rawi)


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Kevin schrieb:
> Es geht darum eine konstanten Strom von 10A durch einen unbekannten Widerstand
> Rpa

Wenigstens den Bereich, in dem sich der Wert von Rpa zzgl. 
Leitungswiderständen bewegen kann, solltest du kennen, um den Regler 
auslegen zu können.

> ...
> Zur Erklärung: wir haben nur eine 24V spannungsquelle die die Steuerung
> und die Last speisen soll.

Einen Stromregler für 10A bei 24V wird man heutzutage eher selten als 
Linearregler aufbauen. Im Worst-Case würde das immerhin eine 
Verlustleistung von 240W bedeuten, die mit entsprechendem Kühlaufwand 
abgeführt werden will.
Mit einem Step-Down-Wandler würde die Verlustleistung i.A. nur einen 
Bruchteil davon betragen.

Ist in der Aufgabenstellung für die Projektarbeit ein Linearregler fest 
vorgegeben?

: Bearbeitet durch User
von Alexander (alecxs)


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Die Aufgabenstellung hat einige grundsätzliche Widersprüche die man erst 
einmal aufdröseln muss.

10A konstant bei max 24V damit kann man Widerstände bis ≤ 2,4Ω 
bestimmen, höher reicht die Spannung nicht.

von Rainer W. (rawi)


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Alexander schrieb:
> Die Aufgabenstellung hat einige grundsätzliche Widersprüche die man erst
> einmal aufdröseln muss.
>
> 10A konstant bei max 24V damit kann man Widerstände bis ≤ 2,4Ω
> bestimmen, höher reicht die Spannung nicht.

Wo siehst du da einen Widerspruch?
Das wäre einzig eine Randbedingung für einen rein linearen Stromregler - 
sonst nichts. Falls man mehr möchte, muss man mehr Aufwand treiben.

p.s. Dein '≤' kannst du besser durch ein '<' ersetzen, weil es 
Leitungswiderstände gibt.

: Bearbeitet durch User
von Jörg R. (solar77)


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Kevin schrieb:
> (..)
> ich muss für eine Projektarbeit einen stromregler entwerfen. Es geht
> darum eine konstanten Strom von 10A durch einen unbekannten Widerstand
> Rpa (+ seine leiterwiderstände auf der rechten Seite)zu leiten und durch
> den Spannungsabfall den Widerstand zu errechnen.

Weshalb braucht man dafür 10A? Anders gefragt, wie klein können die zu 
messenden Widerstände sein und mit welchem Messgerät wird die Spannung 
gemessen?

Das ist doch eigentlich eine klassische 4-Pol Messung.

: Bearbeitet durch User
von Kevin (keijikun)


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Erstmal danke für die zahlreichen Antworten, ich versuche mal es klarer 
zu formulieren.

Ich hab das mit Rechereche, Beispielschaltungen und Chatgpt 
zusammengezimmert. Leider war unser Elektronikdozent ein ziemlicher 
Reinfall, der konnte bei garnichts helfen.

Grundaufgabe war es einen Konstanten Strom durch einen unbekannten 
Widerstand (Potentialausgleich) zu leiten um Ihn danach mit einem 
Voltmeter zu messen, das ist einfach eine 4-Leiter Messung, wir sollten 
eben die Stromversorgung dafür entwerfen. Eigentlich wollte ich den 
Strom über ein Poti regeln, allerdings liegt der zu messende Widerstand 
zwischen 1 mOhm und 1 Ohm und das ist mit einem Poti nicht präzise 
einstellbar und so bin ich auf eine Schaltung dieser Art gekommen.

Erwarteter unbekannter widerstand: 1 mOhm bis 1 Ohm
Spannung: 24V (12V wären auch möglich, wenn die Verlustleistung zu hoch 
wird)
Benötigter Laststrom: 10A (Vorgabe des Herstellers)

Problem dabei ist das nur eine Quelle für Last und Steuerspannung zur 
Verfügung steht.
Die Idee war, das der OPV den Strom über den Messwiderstand misst und 
vergleicht mit der Einstellbaren Referenz, aber kann das so überhaupt 
funktioneren?
Und wäre ein LM317 denn besser geeignet um die Last am Gate des Mosfet 
zu verringern? Als Mosfet hatte ich einen IRLZ44N angedacht, weil der 
lt. Datenblatt bis u 25A Last verträgt

Das der Lastwiderstand direkt an die Spannung muss verstehe ich 
mittlerweile, die Leiterwiderstände sind eigentlich unwichtig und können 
zusammengefasst werden, ich werde den Plan nochmal überarbeiten und 
hochladen, evtl macht das die Sache dann schon einfacher.

: Bearbeitet durch User
von Michael B. (laberkopp)


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Kevin schrieb:
> Grundaufgabe war es einen Konstanten Strom durch einen unbekannten
> Widerstand (Potentialausgleich) zu leiten um Ihn danach mit einem
> Voltmeter zu messen

Kevin schrieb:
> Leider war unser Elektronikdozent ein ziemlicher Reinfall, der konnte
> bei garnichts helfen.

offensichtlich.

Man muss keinen konstanten Strom verwenden, um einen Widerstandswert 
messen zu können. Man muss nur den Spannungsabfall am zu messenden 
Widerstand IM VERHÄLTNIS zum Spannungsabfall an einem bekannten 
Widerstand der in Reihe geschaltet ist und daher von demselben 
(unbekannten) Strom durchflossen wird messen, ratiometrisch.

Schon ist man das Problem los, wie man einen messgenauen Strom bei 
unterschiedlichen Lasten erzeugen muss.

Siehe Beispielschaltungen des ICL7106 für Multimeter im Ohm Messbereich.

ABER: Extrem niedrige Widerstände produzieren Messspannungen im 
Mikrovoltbereich die ähnlich hoch sind wie Thermospannungen. Damit man 
darauf nicht reinfällt, muss man in beiden Polaritätsrichtungen messen 
und den Mittelwert bilden.


Wenn du lieber beim Konstantstrom bleibst, hast du ja eine Quelle und 
beachtenswertes bekommen. In der findet sich auch eine Schaltung für ein 
Millivoltmeter auf Konstantstrombasis.

Kevin schrieb:
> und Chatgpt zusammengezimmert

Da kommt natürlich auch nur Stuss raus. Merke: KI kann helfen wenn man 
selbst das Ergebnis auf Richtigkeit bewerten kann. Ohne das sollte man 
KI lieber sein lassen, es ist peinlich.

: Bearbeitet durch User
von Stefan K. (stk)


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Kevin schrieb:
> Als Mosfet hatte ich einen IRLZ44N angedacht

Der hat keine DC-Kurve im SOA Diagramm.
Bei 24V und einem sehr kleinen Widerstand ist man bei 10A schon über der 
10ms Kurve und bei 12V nur knapp darunter.

von Harald W. (wilhelms)


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Kevin schrieb:

> Grundaufgabe war es einen Konstanten Strom durch einen unbekannten
> Widerstand (Potentialausgleich) zu leiten um Ihn danach mit einem
> Voltmeter zu messen, das ist einfach eine 4-Leiter Messung, wir sollten
> eben die Stromversorgung dafür entwerfen.

ja.

> Eigentlich wollte ich den
> Strom über ein Poti regeln, allerdings liegt der zu messende Widerstand
> zwischen 1 mOhm und 1 Ohm und das ist mit einem Poti nicht präzise
> einstellbar

Und warum nicht?

> Erwarteter unbekannter widerstand: 1 mOhm bis 1 Ohm
> Spannung: 24V (12V wären auch möglich, wenn die Verlustleistung zu hoch
> wird)
> Benötigter Laststrom: 10A (Vorgabe des Herstellers)

10A bei 12 oder 24V sind 120 bzw. 240W. Die muss man erst einmal
loswerden. Das ist dann schon ein kleiner Heizlüfter. Obman sowas
z.Z. braucht?

> Die Idee war, das der OPV den Strom über den Messwiderstand misst und
> vergleicht mit der Einstellbaren Referenz, aber kann das so überhaupt
> funktioneren?

Im Prinzip schon. Brauchbare Schaltungen für Konstantstromquellen
findest Du hier:
https://www.mikrocontroller.net/articles/Konstantstromquelle

> Als Mosfet hatte ich einen IRLZ44N angedacht, weil der
> lt. Datenblatt bis u 25A Last verträgt

Als Schalter, nicht aber als Linearregler. Grundsätzlich würde ich
da eher ein fertiges sog. Labornetzteil nehmen, welches man auf
Stromregelung umschaltet.

von Andrew T. (marsufant)


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Was bisher noch nicht gesagt wurde:

Da der Widerstands-Messbereich ja nun auf 0.001...1Ohm festgelegt wurde 
kann man -- um den Trnsistor von der Verlustleistugn etwas zu entlasten 
--
auch den Shunt grosszügig auf 1 Ohm erhöhen.
MAcht dann 100W Verlust am Shunt (das packen die DALE Widerstände im 
Metallgehäuse gut auf eine Kühlkörper weg,
und 40...140W am FET.

von Christoph db1uq K. (christoph_kessler)


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Vielleicht ein 10A-Linearregler nach Art des LM317
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/158125fa.pdf

Die Beschaltung ist ja einfach, wenn man einen ausreichend großen 
Kühlkörper einbaut. Und das Poti muss leider auch die 10A aushalten:

https://www.mikrocontroller.net/articles/Konstantstromquelle#Konstantstromquelle_mit_Linearreglern

von Purzel H. (hacky)


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Ist die Last an der positiven oder negativen Speisung oder an GND. Bei 
Lasten an GND nach Howland Stromquelle schauen.
Der Strom spielt erst mal keine Rolle. Allenfalls muss man eben die 
Spannung nachfuehren, sodass wenig Spannung ueber dem Regeltransistor 
abfaellt. Ich habe Stromquellen gesehen da wurde die Spannung auf 3V 
ueber der Last geregelt, bei einer DC Last, bei 60A.
Die Bandbreite der Last waere noch interessant.

: Bearbeitet durch User
von Michael B. (laberkopp)


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Purzel H. schrieb:
> Bei Lasten an GND nach Howland Stromquelle schauen

Bitte nicht, ungenau und instabil.

von Rainer W. (rawi)


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Michael B. schrieb:
> ABER: Extrem niedrige Widerstände produzieren Messspannungen im
> Mikrovoltbereich die ähnlich hoch sind wie Thermospannungen.

Thoermospannungen hängen bei gepaarten Kontaktstellen von der 
Differenztemperatur ab, Messspannungen dagegen von dem Strom.
Bei den o.g. 1mΩ und 10A Messstrom hast du bestimmt keine Messspannung 
im Mikrovoltbereich. Selbst bei 1/10 des Stromes ist das noch recht 
handlich, hängt aber natürlich von den Anforderungen bzgl. der 
Messgenauigkeit ab.

von Falk B. (falk)


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Kevin schrieb:

> Grundaufgabe war es einen Konstanten Strom durch einen unbekannten
> Widerstand (Potentialausgleich) zu leiten

Ein Konstantstrom hat mit Potentialausgleich rein gar nichts zu tun. Das 
ist nur eine Erfindung von deinem Freund ChatGPT.

> um Ihn danach mit einem
> Voltmeter zu messen, das ist einfach eine 4-Leiter Messung, wir sollten
> eben die Stromversorgung dafür entwerfen.

Kann man so machen.

> Eigentlich wollte ich den
> Strom über ein Poti regeln, allerdings liegt der zu messende Widerstand
> zwischen 1 mOhm und 1 Ohm und das ist mit einem Poti nicht präzise
> einstellbar

Muss man gar nicht. Der Strom kann und sollte konstant sein, egal ob 1 
oder 1000mOhm. Den Meßwert liefert das Multimeter bei der 
Spannungsmessung.

> und so bin ich auf eine Schaltung dieser Art gekommen.

Du hast eine Brückenschaltung mit einer Konstantstromquelle 
zusammengewürfelt. Das ist Unsinn.

> Erwarteter unbekannter widerstand: 1 mOhm bis 1 Ohm
> Spannung: 24V (12V wären auch möglich, wenn die Verlustleistung zu hoch
> wird)
> Benötigter Laststrom: 10A (Vorgabe des Herstellers)

Dann tu das. Siehe Konstantstromquelle.

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

Als Shunt kann man 0,1Ohm nehmen, macht 1V Spannungsabfall bei 10W. Das 
ist OK. Dann braucht man 1V Referenzspannung, in Grenzen einstellbar zum 
justieren/kalibrieren. Die bekommt an von einer Referenzspannungsquelle 
ala LM4040 oder ähnlich, gefolgt von einem passenden Poti.

> Problem dabei ist das nur eine Quelle für Last und Steuerspannung zur
> Verfügung steht.

Das ist kein Problem, denn man kann damit auch die 
Referenzspannungsquelle speisen. Die regelt die Schwankung der 
Versorgungsspannung aus.

> Die Idee war, das der OPV den Strom über den Messwiderstand misst und
> vergleicht mit der Einstellbaren Referenz, aber kann das so überhaupt
> funktioneren?

Ja.

> Und wäre ein LM317 denn besser geeignet um die Last am Gate des Mosfet
> zu verringern?

Nein.

> Als Mosfet hatte ich einen IRLZ44N angedacht, weil der
> lt. Datenblatt bis u 25A Last verträgt

Aber nur im Schaltbetrieb. Du hast hier aber Linearbetrieb.

https://www.mikrocontroller.net/articles/FET#SOA_Diagramm

Außerdem verkraftet ein MOSFET im TO220 Gehäuse keine 100W. Bestenfalls 
30W mit einem ausreichend großen Kühlkörper.

Wenn wir mal max. 10V bei 10A ansetzen, sind das satte 100W. Dafür 
braucht man 3-4 einzelne MOSFETs parallel, sinnvollerweise auch einzeln 
geregelt.

von Rainer W. (rawi)


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Falk B. schrieb:
> Außerdem verkraftet ein MOSFET im TO220 Gehäuse keine 100W. Bestenfalls
> 30W mit einem ausreichend großen Kühlkörper.

Das kommt drauf an, wie lange man für die Messung braucht. Ein paar 
Millisekunden geht das schon. Ein Keysight 34450A bspw. schafft fast 200 
Messungen pro Sekunde.
Aber wie schon gesagt - bei 10A und 24 bzw. 12V will man nicht unbedingt 
eine lineare Stromquelle.

: Bearbeitet durch User
von Alexander (alecxs)


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Rainer W. schrieb:
> Wo siehst du da einen Widerspruch?

Kevin schrieb:
> Erwarteter unbekannter widerstand: 1 mOhm bis 1 Ohm

Der hat sich gerade verflüchtigt. Ich war irgendwie nicht davon 
ausgegangen dass man kleine Shunt-Widerstände ermitteln will - 
eigentlich nutzt man die ja um den Strom zu ermitteln, und nicht 
umgekehrt.

von Andrew T. (marsufant)


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Falk B. schrieb:
> Kevin schrieb:
>
>> Grundaufgabe war es einen Konstanten Strom durch einen unbekannten
>> Widerstand (Potentialausgleich) zu leiten
>
> Ein Konstantstrom hat mit Potentialausgleich rein gar nichts zu tun. Das
> ist nur eine Erfindung von deinem Freund ChatGPT.

Lies richtig.
Kevin meint den Widerstand der Potentialausgleichsleitung.
In der Regel ein Kupfer oder verzinkter Stahl, ziemlich hoher 
Querschnitt und ordentlich Ausdehnung (Länge). Typisch bei 
Blitzschutzanlagen.

Ist doch nun wirklich nicht so schwer zu verstehen

von Andrew T. (marsufant)


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Alexander schrieb:
> Ich war irgendwie nicht davon
> ausgegangen dass man kleine Shunt-Widerstände ermitteln will

Ist letztlich das gleiche Verfahren, ob Shunt oder Leitermessung
und früher (tm) eine Aufgabe mit Thomson Brücke (a.k.a. Kelvin Brücke) 
gelöst.

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