Konstantstromsenke schwingt

[Erik M. (em1)]

Guten Abend,

ich bin gerade dabei, mir eine elektronische Last selbst zu bauen. Ich 
habe erstmal mit einer einzelnen Stufe angefangen. Ich verwende die im 
Bild gezeigte Schaltung. Der ganze Aufbau ist auf Lochrasterplatine 
gelötet und der Mosfet ist auch bereits auf einen sehr üppigen 
Kühlkörper geschraubt. Leider ist die Schaltung nicht stabil und 
schwingt sobald ich die Spannung Iset hochdrehe (aktuell mit einem Poti 
später dann mit einem DAC). Bei den OPVs handelt es sich um einen 
OPA2277UA und der Mosfet ist ein IRF840 (lag noch in der Bastelkiste 
herum). Der Widerstand R2 des Vorverstärkers ist als Trimpoti ausgeführt 
und mit Hilfe eines Multimeters so gut es geht abgeglichen. Die 
Versorgungsspannung kommt von einem Schaltnetzteil, dessen 
Ausgangsspannung nochmal durch Linearregler gefiltert werden. Damit 
betreibe ich den OPV mit einer Betriebsspannung von +9V und -5V. Am OPV 
sind noch 100nF Abblockkondensatoren angelötet.

Leider ist die Schaltung nicht stabil. Ich habe bereits versucht mit 
einem Kondensator parallel zu R2 die Schwingung zu vermeiden, leider 
ohne Erfolg. Ich habe verschiedene Werte bis 10nF auprobiert, was die 
Situation auch verbessert hat, jedoch war die Schwingung nie ganz weg. 
Hat jemand vielleicht noch eine Idee wie ich die Schaltung stabil 
bekomme?

Viele Grüße
EM

[Uwe S. (bullshit-bingo)]

Erik M. schrieb:
> Hat jemand vielleicht noch eine Idee wie ich die Schaltung stabil
> bekomme?

Ja. U1 hat aktuell ne Verstärkung nahe unendlich.
Probiere mal, einen kleinen Kondensator, z.B. 4n7, vom Ausgang von U1 zu 
dessen neg. Eingang zu legen. Falls das Schwingen dann weg ist, solltest 
du seinen Wert nach und nach so weit verringern, daß die Schaltung noch 
zuverlässig stabil ist. Sonst wird die Stromsenke unnötig träge.

[Erik M. (em1)]

Ich habe gerade mal einen 4.7nF Kondensator zwischen Ausgang von U1 und 
dessen inv. Eingang gehalten. Leider hat sich die Schwingung auf dem 
Oszi gar nicht verändert.

[Mark S. (voltwide)]

Zwei hintereinander arbeitende OPVs innerhalb einer Regelschleife rufen 
nach Problemen. Nimm die Standard-Schaltung mit einem OPV und dann 
kannst Du mit dem Kondensator von Ausgang auf inv Eingang herumspielen.

[Uwe S. (bullshit-bingo)]

Erik M. schrieb:
> Leider hat sich die Schwingung auf dem
> Oszi gar nicht verändert.

Stimmt, ist plausibel, mach` mal zusätzlich noch einen R zwischen den 
Ausgang von U2 und den Eingang von U1. Dann sollte sich auf jeden Fall 
was ändern.

[Enrico E. (pussy_brauser)]

Uwe S. schrieb:
> mach` mal zusätzlich noch einen R zwischen den Ausgang von U2 und den
> Eingang von U1.

Der Widerstand müsste dann aber schon ziemlich hochohmig sein. 
Zusätzlich noch einen 10k Widerstand vom Ausgang zum Eingang schalten 
und dazwischen den 10nF zum Ausgang von U1 nicht vergessen.

[Enrico E. (pussy_brauser)]

Oder wie Mark schon vorgeschlagen hat, von vorne herein eine 
Standardschaltung einsetzen.

[Uwe S. (bullshit-bingo)]

Enrico E. schrieb:
> Der Widerstand müsste dann aber schon ziemlich hochohmig sein.

Nee, der kann so ziemlich jeden Wert haben. Hauptsache er sorgt dafür, 
daß der (z.B.) 4n7 nicht zwischen beiden starren OP-Ausgängen liegt.
Es geht bei der ganzen Sache ja nur darum, daß der OP nicht, wie im Bild 
zu sehen, beim ersten µV Differenz gleich voll aufsteuert...

Bei der zusätzlichen 4fach-Verstärkung wird sich der TO was gedacht 
haben.

R4 sollte er ganz rausnehmen, falls der OP mit der Gatekapazität zurecht 
kommt.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Erik M. schrieb:
> Hat jemand vielleicht noch eine Idee wie ich die Schaltung stabil
> bekomme?

Nachbessern kannst Du die Schaltung, wie im Bild gezeigt.

https://rn-wissen.de/wiki/index.php?title=Regelungstechnik#I-Regler

[Erik M. (em1)]

Guten Abend,

die Antworten von Uwe und Dieter waren goldrichtig. Ich habe eine 10kOhm 
Widerstand und einen 4n7 Kondensator eingelötet und die Schaltung ist 
nun stabil. Vielleicht kann ich den Kondensator noch kleiner machen, 
aber für den ersten Versuch bin ich sehr zufrieden. Vielen Dank für den 
Tipp :)

Die Sprungantwort mit dem DAC sieht auch gut aus (siehe Bild, nur etwas 
stark verrauscht, ist am Gate gemessen und ich habe sehr viele recht 
lange Leitungen).

Den Vorverstärker habe ich mit Absicht eingesetzt, da damit der 
Eingangsbereich des ADCs und der Ausgangsbereich des DACs besser 
ausgenutzt werden kann.

Nun noch kurz etwas zur Theorie: Wie funktioniert diese Kompensation. 
Kann ich mir das einfach als Tiefpass vorstellen, der die hohen 
Frequenzen abschneidet, wodurch die 0dB Grenze früher erreicht wird? Und 
wie funktioniert die von Enrico vorgeschlagene Kompensation? (Habe sie 
nicht eingelötet, da es schon stabil war)

Viele Grüße
EM

[Uwe S. (bullshit-bingo)]

Erik M. schrieb:
> Kann ich mir das einfach als Tiefpass vorstellen,

So weit würde ich gar nicht denken. U1 war ja völlig unbedämpft, solch 
ein Chopper-OP hat aber ne Verstärkung von 1 oder 10 Millionen. Wenn man 
da nicht direkt am OP gegenkoppelt, schafft man es niemals, eine 
Regelschleife aus mehreren Bauteilen zu bilden, die augenblicklich den 
Istwert dem Sollwert aufs letzte µV angleicht. Hat es noch nie 
gegeben...
Der zusätzliche R (10K) ist erstmal nur dazu da, den neg. Eingang von U1 
vom  Ausgang des U2 zu trennen, so daß der C (4n7) überhaupt wirken 
kann. Sonst liegt der ja nur zwischen zwei "leistungsstarken" 
OP-Ausgängen. Diese Notwendigkeit hatte ich zunächst übersehen, weil 
analoge Signale meistens eh hochohmig sind.
Durch den 4n7 kann der Ausgang von U1 nicht plötzlich hart steigen oder 
fallen, weil er ja sofort auf den neg. Eingang gegenkoppelt. Praktisch 
ist das eine Bandbreitenbegrenzung des OPs. Das reicht aber oftmals 
schon, man muss nur selten tatsächlich die DC-Verstärkung per R herunter 
schrauben.
In diesem Fall geht es darum, die Auswirkungen des RC-Glieds, bestehend 
aus R4 und der Gatekapazität, zu beseitigen. Aber auch U2 ist natürlich 
nicht unendlich schnell.

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Erik M. schrieb:
> wie funktioniert die von Enrico vorgeschlagene Kompensation?

Das ist im Prinzip auch der Anteil eines I-Reglers.

Der Unterschied ist, dass er auf den OP davor koppelt. Da der OP davor 
als nicht-invertierender Verstärker arbeitet, geht der 
Rückkopplungskondensator auf den "+"-Eingang.

[Vanye R. (vanye_rijan)]

> wie funktioniert die von Enrico vorgeschlagene Kompensation? (Habe sie
> nicht eingelötet, da es schon stabil war)

Es ist stabil fuer deine augenblickliche Testumgebung. Es ist aber 
unmoeglich es fuer beliebige Regelstrecken stabil zu bekommen und es ist 
Aufwand es fuer das meiste aus deiner Anwendung stabil zu bekommen. So 
verhaelt sich z.B der Ausgang verschiedener Labornetzteile oder einer 
Batterie anders. Und auch gerne anders in Abhaengigkeit von Uq der 
Spannungquelle oder unterschiedlichen Regelstroemen. Alles viel testen!
Bedenke, auch in deinem Labornetzteil hast du einen Regler der gerne 
stabil regeln will und deine Last will das nun auch. Da kommen dann zwei 
Regler zusammen die sich gegenseitig betuedeln. .-)

Vanye