Stromsenke mit MOSFET-> Stabilität

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Hallo!

Man findet ja sehr viele Schaltungsvorschläge, die einfach nur einen
MOSFET über einen Operationsverstärker ansteuern. Die Rückkopplung
erfolgt über einen Widerstand im Strompfad. Sollwert über ein
Potentiometer am nichtinvertierenden Eingang.

Ich wollte mir mal die Stabilität von so einer Schaltung anschauen- aber
wie geht man da vor?

Danke!

MfG,
Heiko.

Re: Stromsenke mit MOSFET-> Stabilität
Am 27.10.2011 10:04, schrieb Heiko Lechner:
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Da ist die Frage, welche Stabilität du meinst. Man könnte sich z.B. die
Schaltung anschauen bzgl. :
-verschiedene Lasten (R, C, L)
-(schnelle) Lastwechsel
-Frequenzverhalten
-Schwankung der Betriebsspannung
-Temperaturänderung

Gruß

Thorsten

Re: Stromsenke mit MOSFET-> Stabilität
Am 27.10.2011 10:28, schrieb Thorsten Just:

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Das ist ja schon eines meiner Probleme.
Bei einer allgemeinen Stromsenke kann ja alles passieren.

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Das muss man doch eh bei der Stabilität beachten (Lastwechsel)?

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Das kann man "erstmal" als konstant betrachten.

Re: Stromsenke mit MOSFET-> Stab ilität
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Sie ist nicht stabil. Daher hat jede ernstzunehmende Implementation
ein extra R C Glied.

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Unterschiedliche Lasten, kapazitiv und induktiv, simulieren oder real
dranstöpfsen und die Einhaltung des Stromes betrachten.

Man kann auch erahnen wie nah dran im instabilen Zustand man ist in
dem man die Reaktion auf Lastwechsel betrachtet, wie lange es klingelt.
--
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Re: Stromsenke mit MOSFET-> Stabilität
Hallo Heiko,

Am 27.10.2011 10:04, schrieb Heiko Lechner:

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Prinzipiell ist der erste Schritt, sich über die relevanten
Systemeigenschaften klarzuwerden und die Übertragungsfunktionen der
Elemente zu betrachten.

Der OP ist in der Regel (sofern es ein universal-kompensierter
Standardtyp wie µA741, TL071, LF353 etc. ist) ein Verstärker mit ca.
100dB Leerlaufverstärkung und einem dominierenden Tiefpassverhalten, die
Grenzfrequenz liegt beim µA741 bei etwa 6 Hz, so dass sich eine
Durchtrittsfrequenz von ca. 1 MHz ergibt. Das Frequenzverhalten wird in
der Regel durch Gegenkopplung auf einen sinnvollen Verstärkungsfaktor
nach außen hin "gebügelt", für die Schleifenverstärkung ist das
Frequenz- und Phasenverhalten der Leerlaufverstärkung jedoch wichtig.
So entsteht z. B. bei Hintereinanderschaltung von drei OPs und
"über-Alles-Gegenkopplung" ein netter Phasenschieberoszillator.

Bei der MOSFET-Stufe ist die Gate-Source-Kapazität sicherlich eine
wichtige Größe, die im Zusammenhang mit dem Ausgangswiderstand des OPs
als Tiefpass wirkt.

Die Gate-Drain-Kapazität sorgt für eine Mitkopplung zwischen Lastausgang
und Gate, so dass hier ein potentielle Quelle für Instabilität zu finden
ist.

Je nach Ausbildungshintergrund und Austattung gibt es verschiedene
Möglichkeiten, die Sache anzugehen: Kleinsignalmodell aufstellen,
Übertragungsfunktionen ableiten und mathematisch knacken; die Schaltung
in einen Simulator hacken und mit allerlei Lastfällen ärgern; Schaltung
aufbauen und praktisch testen. Grundsätzlich würde das alles in dieser
Reihenfolge empfehlen und gegebenenfalls die Anpassung der ersten
Schritte an die Ergebnisse der folgenden prüfen.

Um den Einfluss der oben genannten Größen zu überprüfen lässt sich auch
in der Schaltungssimulation mit idealen (!) Bauteilen allerlei
interessante Theorie prüfen. Die parasitären Effekte und
Bandbreitenlimitierungen müssen dann natürlich von Hand eingebaut werden.

Wenn Du Dich ein wenig über den geplanten Zweck und Umfang Deiner
Experimente auslässt, könnte ich vielleicht auch detailliertere Ideen
beisteuern.

Viele Grüße,
Wolfhard

Re: Stromsenke mit MOSFET-> Stabilität
Am 27.10.2011 11:22, schrieb Wolfhard Reimringer:

Erstmal Danke für alle Antworten bis jetzt.

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Noch habe ich keine Idee wofür ich so etwas gebrauchen könnte, ich
wunderte mich halt nur warum das immer "einfach so" aufgebaut wird und
danach hatte ich mich halt gefragt wie man das wohl angehen müsste.

Re: Stromsenke mit MOSFET-> Stabilität
Am 27.10.2011 12:05, schrieb Heiko Lechner:

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Nun, wir verwenden solche Stromquellen/-senken in allen möglichen
Schaltungen, vom µA-Bereich bis zu einigen Ampere. Der Hauptvorteil
liegt in der Vielseitigkeit, die durch einfache Modifikation zu
erreichen ist und die Beliebigkeit der Führungsgrößenerzeugung (Poti,
PWM, DAC, DigiPoti, Rückmessung anderer Größen).

Probleme treten dann auf, wenn die externe Beschaltung schwingfähig ist
oder durch ihre komplexe Impedanz die Gesamtbeschaltung um die
Stromquelle instabil macht.

Wie aber vorher schon ausgeführt wurde, sind je nach Anwendung auch
transiente Vorgänge zu beleuchten: Das kann eine spontane Änderung der
Führungsgröße sein (bei Digipotis leider oft nicht-stetig) oder eine
sprunghafte Laständerung. Hier muss gezielt die Schwingneigung
unterdrückt werden und das geht am Einfachsten, wenn man die
grundlegenden Überlegungen, die Du dabei bist anzustellen, einmal
durchgespielt hat. Weitere praktische Erfahrung schadet natürlich nicht.

Re: Stromsenke mit MOSFET-> Stab ilität

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Interessanter wird die Schaltung, wenn man mehrere parallel schaltet:

Sollwert     +-------------+-------------+-- Last
 |           |             |             |
 +-----------)-+-----------)-+           |
 |           | |           | |           |
 +-|+\       | +-|+\       | +-|+\       |
   |  >-+-R-|I   |  >-+-R-|I   |  >-+-R-|I MOSFETs
 +-|-/  Cx   | +-|-/  Cx   | +-|-/  Cx   |
 |      |    | |      |    | |      |    |
 +------+-Rx-+ +------+-Rx-+ +------+-Rx-+
             |             |             |
           Shunt         Shunt         Shunt
             |             |             |
       GND --+-------------+-------------+--

Man findet so was durchaus öfters, z.B. in HP Netzgeräten.

ABER:

Angenommen alles ist stabil, der Laststrom konstant.
Nun regelt ein OpAmp wegen Rauschen etc. etwas runter,
der Laststrom sinkt, die Bürdespannung steigt, und steigt
damit an den anderen MOSFET die etwas mehr Strom durchlassen,
woraufhin deren OpAmps zurückregeln. Kaum hat er allerdings
zurückgeregelt, stimmt wieder der Summenstrom, der
Spannungsabfall an der Last ist wie früher, die Spannung an
den MOSFETs wieder wie früher, und das ganze Nachregeln war
kontraproduktiv, es muß wieder zurückgeregelt werden.

Meiner Meinung nach ist diese Parallelschaltung inhärent
instabil. Trotzdem ist sie die einzige korrekte Art, MOSFETs
kontrolliert parallelschalten zu können.

Mir scheint auch nicht, daß man die Schaltung stabil bekommt,
so lange alle Cx/Rx gleich sind, denn egal wie langsam ein
MOSFET wegschwankt, die anderen kommen in Unruhe. Meine Lösung
wäre, einen OpAmp langsamer als den anderen zu machen, und den
wiederum langsamer als den nächsten, also Cx1 < Cx2 < Cx3. So
was hab ich aber bisher nirgends als Schaltungsrealisation
gefunden.
--
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Re: Stromsenke mit MOSFET-> Stabilität
Hallo,

Am 27.10.2011 18:12, schrieb MaWin:

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Mit so großen Strömen habe ich in eigener Elektronik normalerweise nicht
zu tun. Trotzdem interessiert mich der Grund, warum mehrere MOSFETs
parallel nicht gehen.

Aus den Schaltungstechnikgrundlagen glaubte ich mich zu erinnern, das
gerade mit MOSFETs eine Leistungserhöhung durch einfache
Parallelschaltung erzielt werden kann, ähnlich wie das bei
Gegentakt-Röhrenendstufen gemacht wird.

Also würde ich spontan versuchen, eine OP-Stufe zu nehmen und an deren
Ausgang alle MOSFETs anzusteuern. Eine tatsächliche Kontrolle über den
Strom kriegt man natürlich nur hin, wenn man an einem gemeinsamen Shunt
misst. Zur Stabilisierung der Einzel-FETs wegen Kennlinienstreuung würde
ich zwischen den gemeinsamen Shunt und die Sources je einen
individuellen Widerstand von vielleicht 10% des Shuntwertes schalten.
Über den dortigen Spannungsabfall kann man das Ganze hinsichtlich der
Stromabweichung ja mal vermessen.

Gibt's offensichtliche in diesem Konzept?

Grüße,
Wolfhard


Re: Stromsenke mit MOSFET-> Stab ilität

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Weil man sehr grosse Stromverteilungswiderstände bräuchte:
http://download.21dianyuan.com/download.php?dir=bbs&id21%978
wird die von mir genannte Schaltung vorgeschlagen,
ist aber meiner Meinung nach nur halb durchdacht.

--
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Re: Stromsenke mit MOSFET-> Stabilität
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Der OP ist typisch unity gain stabil, der Fet macht aber noch
Spannungsverstärkung und die Anordnung wird dann instabil.
Wenn man sich die Ugs-Kennlinie des Fet ansieht wird man feststellen
daß die Verstärkung deutlich nichtlinear ist: bei kleinem Strom steil,
bei viel Strom flach. Man sollte bei Stabilitätstests also auf
kleine Ströme achten.
Da die typische Anwendung eines TO220 Fet digitaler Schalttransistor
ist sind moderne MosFets meist ungünstiger als Oldtimer wie der
BUZ71.
Zudem sollte man natürlich keinen MosFet nehmen der niederohmiger als
nötig ist. Hat nur mehr Kapazität und damit eine andere Problemquelle
für Instabilität.

Man sollte also jeweils prüfen obs nicht ein Bipolartransistor bzw
Darlington auch tut.
Ehedem ( 70er Jahre ) wurde auch diskreter Darlington bei dem der
Eingangstransistor ein JFet war vorgeschlagen.

MfG  JRD

Re: Stromsenke mit MOSFET-> Stabilität
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Man gibt mit einem Generator einen Sinus mit ansteigender Frequenz drauf
und misst die ankommende Amplitude und (das ist fuer Stabilitaet das
wichtigste) die Phasenverschiebung zwischen dem draufgegebenen Sinus und
dem an einem Shuntwiderstand gemessenen. Wenn Du gute Modelle fuer Opamp
und FET hast geht das auch auf einem Simulator wie LTSpice.

Wie Manfred schrieb, man sollte ein C vom Opamp Ausgang zum
invertierenden Eingang vorsehen damit man ihn fuer hoehere Frequenzen
"abwuergen" kann.

--
Gruesse, Joerg

http://www.analogconsultants.com /

Re: Stromsenke mit MOSFET-> Stabilität
Moin,

Am 27.10.2011 16:45, schrieb Joerg:
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besser ist es allerdings, ausgehend von den
Anforderungen an die Regelung (u.a. Bandbreite)
die Regelung gleich so auszulegen, dass sie mit
der geforderten Bandbreite die geforderte
Phasenreserve hat. Das "abwuergen" heißt in der
Regelungstechnik "totstabilisieren" - das geht
natürlich immer, aber dabei verschenkt man
möglicherweise unnötig Performance.

V.


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