Bitte Review Schaltungentwurf für Ausgangsstufe für LiIon-Simulator

OP #8112945

Moin,

ich möchte mir einen LiIon-Simulator bauen und entwerfe hierzu gerade die Ausgangsstufe für die zwei notwendigen Quadranten "push" und "pull". Ziel ist eine Batterie-Spannung vorzugeben (VIn im Schaltplan), die dann bei welcher Stromrichtung auch immer (laden, entladen) aufrechterhalten wird.

An den derzeitigen Stand habe ich mich mit Hilfe von Google, KI und NI heran-iteriert. So sind hoffentlich keine Anfängerfehler mehr drin und ich habe auch die richtigen falschen Infos der KI herausgefiltert.

Randbedingungen:

  • Einzel-Zelle
  • Spannungsbereich von tiefentladener Zelle bis überladen, also etwa 0.5V bis 4.5V
  • Strombegrenzung auf +-2A bis 4.2V am Ausgang
  • Ausgangsstrom oberhalb von 4.2V und unterhalb von 2.5V (fast) egal; muss zum Testen einer BMS reichen
  • 5V-Versorgung vom Hilfskanal des Labornetzteils. Daher nur 5V Versorgungsspannung für die push/pull-Ausgangstufe. (Die ebenfalls benötigen 9V werden intern erzeugt (hier nicht Thema))

Drei offene Themen bleiben aber (unterer Zweige jeweils entsprechend)

  1. Temperatur-Stabilität Mein Verständnis ist, dass bei Montage von Q102, Q103 und Q104 auf einem Kühlkörper alle Transistoren der gleichen Temperatur-Drift von -2mV/K unterliegen. Funktioniert natürlich nicht perfekt, daher R104 als negative Gegenkopplung, um die gewünschte Temperatur-Unabhängigkeit zu erreichen Frage 1: Ist das richtig so?

  2. Einstellung des Ruhestroms Q102 – R104 – R106 – Q108: Geht, denke ich, nur indirekt. Wenn der Strom durch Q104, eingestellt über die Stromquelle um U101 (~8.2mA), 'ausreichend' groß ist, wird, da die Basis-Emitter-Spannung gemäß Diodenkennlinie von Q104 größer sein wird als die Q103 (hier nur uA) ein paar Millivolt für R104 übrig bleiben. Damit sind sowohl Q102 als auch Q108 wie gewünscht „offen“. Finaler Wert von R101 durch ausprobieren. Frage 2: Ist das der zu wählende Mechanismus, um den Ruhestrom im Lastpfad einzustellen? Wenn nicht, wie sonst?

  3. Stabilität: Tja, die Zelle wird in der Zielanwendung eine kapazitive Last sehen (vom Lade-Regler, vom Buck-Boost-Converter, andere Abblock-Kondensatoren), die sich zu etwa 35uF aufaddieren. Und nun weiß ich nicht, ob das Ding überhaupt stabil zu bekommen ist.

  • R105 ist keine wirklich gute Idee. Gerne genommen zur Entkopplung von OpAmp-Ausgängen von kapazitiven Lasten, aber mit 22R und 2A Ausgangsstrom wird das alles nichts. (also nur zur Info, mal erwogen, aber gleich wieder in die Tonne getreten)
  • Mit großen Zeitkonstanten gebildet aus C102 und R110 ließe sich der Regelkreis wohl stabilisieren, möglicherweise aber auf Kosten von einer batterie-untypischen langen Ausregelzeit von Lastsprüngen

Frage 3: Hat das Konzept eine Chance auf eine Bandbreite von, hm, 10kHz oder ein bisschen mehr?

Über Antworten und Anregungen würde ich mich freuen. Und wenn die Schaltung nicht zu retten ist, hätte ich gerne verstanden, warum, und wie eine Alternative aussehen könnte.

Gruß

P.S.: Datenblätter sind, denke ich, nicht notwendig. Der ZXTC2045 ist ein NPN/PNP Kleinsignal-Transistorpaar, das bei mir rumliegt. Die BD-Typen sind Allerwelts-Leistungs-Transistoren und mehr als ausreichend für den Anwendungsfall (liegen hier aber auch rum), der OPA2991 ein R2R OpAmp.

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: Bearbeitet durch User

ein 2991 opv, der mit 220nF in den langsamen Modus "gezwungen" wird.

KI ist so nice.

TE: bitte teile der KImit das Agilent LMG mit Batterie Simulation seit Jahren verkauft, Schaltpläne im Service Manual.

Also Gerät kaufen oder aus dortigen Plänen nachbauen...

OP

Andrew T. schrieb:

ein 2991 opv, der mit 220nF in den langsamen Modus "gezwungen" wird. KI ist so nice.

OPA2991 habe ich hier rumliegen, und es sind nicht die 220nF allein.

Volker A. schrieb:

Also entweder bin ich zu alt für das Hobby oder der Schaltungsentwurf ist sehr krude

Was ist krude?

Andrew T. schrieb:

TE: bitte teile der KImit das Agilent LMG mit Batterie Simulation seit Jahren verkauft,

An der Zellchemie bin ich nicht interessiert.

Zum Thema:

Bzgl Frage 1 (Temperatur-Stabilität) kam mir inzwischen der Gedanke, dass die Montage von Q103 auf einem gemeinsamen Kühlkörper mit Q102 und Q104 auch kontraproduktiv sein könnte. Es wären dann zwei thermisch driftende B-E Strecken, während nur eine von Q104 kompensiert wird. Dann doch besser eine "kalt" lassen, und das wäre eben Q103.

Moritz L. schrieb:

Diesem Simulator fehlt das Kernstück: Der Energiespeicher.

Der Energiespeicher ist das Labornetzteil (entladen). Und solange VIn nicht verändert wird, unendlich groß.

Moritz L. schrieb:

Warum nimmst du dafür nicht einfach einen fix und fertigen Leistungs OP-Amp oder eine Audio Endstufe als IC?

Weil sich, aus meiner Sicht, damit das Problem der kapazitiven Last nicht löst. So es denn eines ist. Aber letztendlich ist die ganze Schaltung noch immer wie ein OpAmp mit V=1. Ich vermute daher, dass auch diese Schaltung keine kapazitiven Last mag.

OPA569: Überschwingen von 45% bei 10nF Last ... danach hört die Grafik im Datenblatt auf

OPA564: 50% bei 50nF (braucht aber auch minimal 7V)

PA75: Phasenreserve bis 2nF spezifiert, aber dort auch nur noch knapp 30°, würde auch eher 7V brauchen

Bei Audio-Verstärkern wird es etwas dünn bei Aussagen zu kapazitiven Lasten. Und teilweise ist die Last nicht massebezogen (z.B. STPA003)

Nun ist der OPA569 recht attraktiv, obwohl dessen Kühlung etwas aufwendiger zu gestalten ist, aber das Stabilitätsproblem mit kapazitiver Last bleibt. Und was beim OPA569 geht, sollte auch prinzipiell mit der vorgeschlagenen Schaltung funktionieren.... was letztendlich Frage 3 ist.

Statt herum zu rätseln empfehle ich das Ganze zu simulieren, z.B. mit LTSpice und damit die geplanten use-cases durch zu spielen. Auf den ersten Blick ist das eine diskret aufgebaute Spannungsquelle in Form einer linearen Audioendstufe. Hohe kapazitive Last und dann eine Sziklai-Ausgangsstufe erscheint schon mal problematisch. 10kHz Bandbreite? Eher nicht...

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