Regelbare Konstantstromquelle bei Variabel Schaltender Last

[Kevin S. (short_circuit_deluxe)]

Hallo zusammen,

ich arbeite derzeit an einer regelbaren Konstantstromquelle, die über 
einen DAC gesteuert wird. Die Schaltung soll basierend auf der 
Eingangsspannung einen konstanten Strom zwischen 5 mA und 2 A (bei 24 V 
Versorgungsspannung) mit mindestens 1 mA-Schritten liefern.

Das Problem:
Meine Last wird nicht kontinuierlich betrieben, sondern über einen 
Schalter (S1 in der beigefügten Schaltung) ein- und ausgeschaltet. 
Dadurch kommt es durch Lade- und Entladevorgänge am MOSFET zu 
Stromüberhöhungen, die meine Messergebnisse verfälschen. Im Idealfall 
sollte der Stromverlauf ähnlich wie bei Last R5 mit Schalter S2 aussehen 
– also ohne Stromüberhöhungen.

Bisherige Ansätze:
- Erster Versuch mit einer LT3092 (Programmable Current Source)

- Zweiter Versuch mit einer LT3092 (Programmable Current Source) mit 
Eingangsstrombegrenzung

- Aktuell dritter Ansatz (siehe Schaltung), aber mit ähnlichem Ergebnis 
wie der erste

Ich bin mittlerweile mit meinem Latein am Ende und würde mich freuen, 
wenn jemand von euch Erfahrung mit solchen Effekten oder Ideen zur 
Lösung hat. Vielleicht hat ja jemand schon etwas Ähnliches realisiert?

Vielen Dank im Voraus für eure Hilfe!

[Rainer W. (rawi)]

Kevin S. schrieb:
> Dadurch kommt es durch Lade- und Entladevorgänge am MOSFET zu
> Stromüberhöhungen

Dann sind die Zeitkonstanten in deinem Regelkreis falsch eingestellt.

[Harry R. (harry_r2)]

1.
R4 ist zu groß. Bei 2A wären das 20V Spannungsfall, der OP wird aber nur 
mit 5V versorgt. 5V sind eh zu wenig für den IRF530 (bzw. klappt nur mit 
Glück, je nach Exemplar)

2.
Ein Regler freut sich im allgemeinen über eine allzeit geschlossene 
Regelschleife. Die bei dir nicht vorliegt.

Probiere mal, zwei Lastströme zu "ver-ODERn". 1 zusätzlicher Widerstand, 
2 Dioden:
+5V (= weniger als 24V) -> 1Ohm -> Anode D1
R1 - > Anode D2
Kathode D1 und Kathode D2 -> Source
Dann hat der Regler immer was zu regeln.
Je höher du mit der Hilfspannung an die 24V ran gehst, desto weniger 
ändert sich beim Lastsprung, aber irgendwann ist es nicht mehr 
entkoppelt und der Strom teilt sich auf.

[Wolfgang D. (blitz_f)]

Moin,
Generelles Problem dieser Grundschaltung. Wenn bei fehlender Last der 
Spannungsabfall am Strommess-Shunt  R4 zu Null wird, fehlt die 
Rückführung Ist-Wert für dem OPV. der läuft dann mit seiner 
Ausgangsspannung ( = Gatespannung) hoch auf pos. Maximalwert. Damit ist 
die Gate-Source-Kapazität max. aufgeladen. Wird die Last wieder 
eingeschaltet, führt der Fet erst einmal maximalen Strom, bis die 
Gate-Source kapazität auf stationären Wert entladen ist. Daher ein 
Stromspike.
Es werden hier sicherlich in Kürze Unmengen von Schaltungsvorschlägen 
eintreffen.
Wenn Du wissen willst, wie ich es mache, schreib' 'ne pn.
Gruß, Wolfgang

[Michael B. (laberkopp)]

Kevin S. schrieb:
> :
> Meine Last wird nicht kontinuierlich betrieben, sondern über einen
> Schalter (S1 in der beigefügten Schaltung) ein- und ausgeschaltet.
> Dadurch kommt es durch Lade- und Entladevorgänge am MOSFET zu
> Stromüberhöhungen, die meine Messergebnisse verfälschen

Das kannst du nicht vermeiden.

Aber du kannst deiner Last eine Zenerdiode parallel schalten, die ab 22V 
leitet (und dann immerhin 44W abkann, also wohl mehrere). Keine 
simulierte Power Z-Diode wie TL431.

Dann fliesst immer der eingestellte Strom und nur die Spannung ändert 
sich.

Der Reststrom durch die Z-Diode bei sagen wir 20V muss natürlich 
vernachlässigbar sein.

Damit kannst du dann die Regelung auf minimalen Overshoot bei 
gleichzeitig schneller Reaktion optimieren, zu den 10pF kommt noch ein 
Widerstand in Reihe.

Schneller OpAmp, stabil bei kapazitiver Last wie
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) MAX4162/MAX4163/MAX4164 (2.5-10V any)
und MOSFET mit geringer Gate-Kapazitat bei trotzdem grosser SOA ist 
natürlich Grundvoraussetzung.

[Udo S. (urschmitt)]

Wolfgang D. schrieb:
> Wenn Du wissen willst, wie ich es mache, schreib' 'ne pn.

Ist das so schlecht, dass du es nicht veröffentlichen willst, oder hast 
du ein Patent darauf angemeldet :-)

[Tim 🔆 (solarlicht)]

Kevin S. schrieb:
> Dadurch kommt es durch Lade- und Entladevorgänge am MOSFET zu
> Stromüberhöhungen, die meine Messergebnisse verfälschen.

Wolfgang D. schrieb:
> Generelles Problem dieser Grundschaltung. Wenn bei fehlender Last der
> Spannungsabfall am Strommess-Shunt  R4 zu Null wird, fehlt die
> Rückführung Ist-Wert für dem OPV. der läuft dann mit seiner
> Ausgangsspannung ( = Gatespannung) hoch auf pos. Maximalwert.

Ich hatte ein ähnliches Problem und habe es so gelöst, dass ich die 
Quelle bei fehlender Last stumm geschaltet habe, sprich die Basis (in 
deinem Falle Gate) nach Masse gezogen.

Dann braucht es aber umgekehrt ein wenig Zeit bis die Quelle den 
gewünschten Strom erreicht. Kannst du deine Messung nicht verzögern?

[Markus E. (markus_e176)]

Eine mögliche Alternative könnte auch sein, den Ausgang nicht 
abzutrennen, sondern kurzzuschließen.