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<\/a>Spannungsfolger mit OPV<\/p><\/div>\n
Ein Problem gibt es hier aber noch: Ein OPV kann in der Regel nur wenige Milliamper\u00e9 an Strom liefern. F\u00fcr unser geplantes Netzteil ist das viel zu wenig aber mit einem kleinen Trick l\u00e4sst sich das \u00e4ndern (Stichwort: Komplement\u00e4r- oder Gegentaktstufe). Man l\u00e4sst den OPV schlicht einen Transistor ansteuern welcher den gew\u00fcnschten Strom liefern kann.<\/p>\n
Grunds\u00e4tzlich kann man hier praktisch jeden Transistor nehmen, ob ein Bipolar-Transistor verwendet wird oder ein MOSFET ist eigentlich egal. Das Problem ist hierbei, dass der Transistor im linearen, ohmischen Bereich arbeiten wird und hier wird es schwierig bei den MOSFETs welche zu finden die daf\u00fcr auch geeignet sind. MOSFETs sind \u00fcberwiegend nur f\u00fcr den Schalterbetrieb geeignet, d.h. voll ein- oder ausgeschaltet. Daher habe ich mich f\u00fcr einen Bipolartransistor entschieden.<\/p>\n
<\/a>Spannungsfolger mit Bipolartransistor f\u00fcr erh\u00f6hten Strombedarf<\/p><\/div>\n
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Der Widerstand R1 dient lediglich der Strombegrenzung f\u00fcr den Transistor damit es nicht zur \u00dcberlastung des OPV-Ausgangs kommt und man auch nicht die BE-Strecke des Transistors \u00fcberlastet.<\/p>\n
Damit ist die Spannungsreglung vom Konzept her schon fertig, kommen wir zur Auslegung der Bauteile.<\/p>\n
Dimensionierung des Spannungsreglerteils<\/h3>\n
Als erstes ein paar Gedanken zum OPV: In der Regel d\u00fcrfen die Eing\u00e4nge eines OPVs nur mit Spannungen zwischen positiver und negativer OPV-Betriebsspannung belegt werden. Ist die Spannung nicht in diesem Bereich ist das Verhalten des OPVs zumindest nicht definiert, es kann sogar zu Besch\u00e4digungen am OPV f\u00fchren. Da unser Netzteil eine Spannung von bis zu 12\u00a0V haben darf muss man hier einen passenden OPV ausw\u00e4hlen oder man ver\u00e4ndert die Schaltung ein wenig.<\/p>\n
Da sp\u00e4ter auch eine Ansteuerung ggf. \u00fcber einen Mikrocontroller m\u00f6glich sein muss werden wir nur das Feedback anpacken, weiterhin aber davon ausgehen, dass der OPV f\u00fcr die 12\u00a0V geeignet ist.<\/p>\n
Noch bringen wir die volle Ausgangsspannung zur\u00fcck auf den Eingang. Es gibt aber die M\u00f6glichkeit, z.B. nur ein zehntel der Ausgangsspannung auf den Eingang zur\u00fcck zu f\u00fchren. Das hat den Vorteil, dass man den OPV nicht mehr mit 0\u202612 V ansteuern\u00a0muss sondern man kann ihn z.B. auch mit 0\u20265 V ansteuern\u00a0wodurch\u00a0der OPV auch mit einem Mikrocontroller angesteuert werden kann.<\/p>\n
<\/a>Spannungsfolger mit Feedbacknetzwerk: Elektrometerverst\u00e4rker<\/p><\/div>\n
Aus dem Spannungsfolger wird somit ein Elektrometerverst\u00e4rker mit der Verst\u00e4rkung V = 1 + R2\/R3.<\/p>\n
R2 und R3 sollte man im zweistelligen Kiloohmbereich w\u00e4hlen. W\u00e4hlt man sie kleiner belasten sie nur unn\u00f6tig die Schaltung, w\u00e4hlt man sie gr\u00f6\u00dfer werden die Randeffekte wie Leckstr\u00f6me und \u00e4hnliches unvernachl\u00e4ssigbar gro\u00df.<\/p>\n
Jetzt gibt es verschiedene OPVs, viele k\u00f6nnen mit ihren Ausg\u00e4ngen nicht bis zu den sogenannten Rails (also den Potentialen der positiven und negativen Betriebsspannung) heran kommen. Daf\u00fcr braucht man dann sogenannte Rail2Rail-OPVs. F\u00fcr die Eing\u00e4nge gilt \u00e4hnliches. Es gibt aber OPVs, die k\u00f6nnen zumindest bis an ein Rail heran, \u00fcblicher Weise das negative Rail. Der Vorteil dabei ist klar: Man braucht keine zwei Spannungsversorgungen mehr f\u00fcr den OPV sondern nur eine. Der LM358 ist so ein Kanditat. Von seinem positiven Rail muss man ca. 1.5 V entfernt bleiben, an das negative Rail kommt man aber bis auf wenige Millivolt heran und man kann den OPV auch als Single-Supply benutzen. Man braucht also keine negative Spannungsversorgung f\u00fcr den OPV.<\/p>\n
<\/a>Single Supply<\/p><\/div>\n
Der Transistor ist noch relativ leicht ausgew\u00e4hlt. Er muss den maximalen Strom liefern k\u00f6nnen und der maximalen Spannung stand halten k\u00f6nnen. Hier muss es also ein Transistor sein mit einem Ic von mindestens 1 A und einem Uce von mindestens 12\u00a0V. Da unsere Spannungsversorgung, die uns Ub liefert, im Leerlauf h\u00f6chst wahrscheinlich eine gr\u00f6\u00dfere Spannung liefert als bei Vollast sollte der Transistor so etwa 50% mehr Spannung aushalten k\u00f6nnen, also etwa 18\u00a0V. Das ist aber alles kein Problem, es gibt hier gen\u00fcgen Transistoren, die das k\u00f6nnen wie z.B. der TIP31,\u00a0TIP141,\u00a0BD249 oder ein 2N3055 usw.<\/p>\n
Der Transistor muss aber auch recht leistungsstark sein. Im Worst Case (Kurzschluss) muss er die gesamte Leistung aushalten k\u00f6nnen (z.B. 12\u00a0V * 1 A = 12\u00a0W). Auch darauf m\u00fcssen wir achten und das wird es auch erforderlich machen, den Transistor sp\u00e4ter auf einen K\u00fchlk\u00f6rper zu montieren. Man kann diese Verlustleistung zwar noch etwas senken, dazu dann aber sp\u00e4ter mehr.<\/p>\n
R1 muss abh\u00e4ngig vom Transistor gew\u00e4hlt werden und dem Strom, den man maximal flie\u00dfen lassen will. Wichtig ist hier also hFE des Transistors. Will man zum Beispiel 1 A flie\u00dfen lassen und der Transistor hat ein hfe von 100 so braucht man einen Basisstrom von 10 mA. Um ganz sicher zu gehen dass auch wirklich der maximale Strom flie\u00dfen kann sollte man immer den kleinsten hFE-Wert w\u00e4hlen und diesen noch mal um ~30% verringern. Die zweite Abh\u00e4ngigkeit von R1 stellt dann die maximale Ausgangsspannung des OPVs da. F\u00fcr R1 gilt also:<\/p>\n
R1 = Umax_opv \/ Ic * hFE_min * 0.7<\/p>\n
Nehmen wir mal an die Spannung unseres OPVs kann am Ausgang 10 V erreichen und wir haben uns f\u00fcr den BD677 entschieden der ein hFE von ~3500 aufweist so muss R1\u00a024500\u00a0Ohm betragen, also 22\u00a0k\u03a9 w\u00fcrde man dann w\u00e4hlen. Bei einem TIP31 hat man etwa ein hFE von 100, R1 d\u00fcrfte dann nicht gr\u00f6\u00dfer als 700 Ohm sein. Das ist ein enormer Unterschied und zeigt, dass die Wahl des Transistors schon einen erheblichen Einfluss hat. OK, der BD677 ist auch ein sogenannter Darligton-Transistor die sich durch besonders hohe hFE-Werte auszeichnen. Den TIP31 gibts daf\u00fcr in gr\u00f6\u00dferen Geh\u00e4usen was die K\u00fchlung wieder einfacher gestaltet und au\u00dferdem ist er etwas schneller (gr\u00f6\u00dfere\u00a0Frequenz\u00a0bei hfe = 1). \u00dcbrigens: hFE und hfe ist bewusst so geschrieben. hFE ist dabei die Gro\u00dfsignal-Verst\u00e4rkung, also f\u00fcr Signale mit geringer Frequenz, hfe ist die Kleinsignalverst\u00e4rkung, also f\u00fcr Signale mit hoher Frequenz.<\/p>\n
\u00a0Strombegrenzung<\/h2>\n
F\u00fcr die Strombegrenzung gibt es mindestens zwei M\u00f6glichkeiten. Entweder man reduziert beim \u00dcberschreiten des Stroms die Vorgabespannung des Spannungsreglers, das w\u00e4re die indirekte Strombegrenzung, oder man reduziert den Basisstrom in den Transistor, dann haben wir einen direkten Eingriff in die Stromregelung.<\/p>\n
Ich habe mich f\u00fcr den direkten Eingriff entschieden und werde also bei \u00dcberschreiten des eingestellten Stromlimits den Basisstrom vom Transistor umleiten.<\/p>\n
Zun\u00e4chst muss man erstmal den Strom messen. Auch hier gibt es mehrere M\u00f6glichkeiten. Ich werde dazu einen Widerstand benutzen. Den kann man dann in die Plus-Leitung (Highside) oder GND-Leitung (Lowside) einbringen und die Spannung messen, die \u00fcber diesem Widerstand abf\u00e4llt. Daraus kann man dann auf den Strom schlie\u00dfen.<\/p>\n
Die Highside-Messung w\u00e4re von daher eleganter da wir hier auch den Strom steuern. Nachteil ist, dass wir beide Seiten des Widerstandes Messen m\u00fcssen.
\nDie Lowside-Messung ist einfacher da eine Seite des Widerstandes auf\u00a0dem Bezugspotential liegt und man somit nur eine Seite des Widerstandes messen muss. Diese L\u00f6sung wird von mir gew\u00e4hlt.<\/p>\n
Dimensionierung der Strombegrenzung<\/h3>\n
Der Widerstand f\u00fcr die Strommessung darf nicht zu gro\u00df sein da sonst zum einem der Spannungsfall \u00fcber ihn zu gro\u00df wird und zum anderen auch zu viel Leistung \u00fcber ihn verheizt wird.
\nZu klein darf der Widerstand aber auch nicht werden da es sonst schwierig wird den entstehenden Spannungsfall noch zu messen und auch Leitungswiderst\u00e4nde zu Schwierigkeiten f\u00fchren k\u00f6nnen.
\n\u00dcblicher Weise w\u00e4hlt man den Widerstand im Milliohmbereich, typisch ist hier 100 m\u03a9 oder 220\/270 m\u03a9. Ich habe mir hier jedoch f\u00fcr 1 \u03a9\u00a0entschieden. Das hat den Vorteil, dass 1 A zu 1 V Spannungsabfall f\u00fchrt und das kann man recht bequem zur Anzeige bringen. Nachteil ist dass 1 A an 1 \u03a9 zu 1 W Leistungsverlust f\u00fchren. Das muss beim Kauf des Widerstandes ber\u00fccksichtigt werden, nicht dass man einen 1\/4 W Widerstand daf\u00fcr einsetzt oder einen noch schw\u00e4cheren.
\nDer Shunt macht es auch n\u00f6tig den Spannungsregler zu modifizieren. Im Moment misst er noch nach Masse\/GND und ber\u00fccksichtigt hier also den Spannungsfall \u00fcber den Shunt mit. L\u00e4sst man das so wird die Ausgangsspannung des Netzteils lastabh\u00e4ngig. Das zu \u00e4ndern ist aber kein Problem, der Spannungsregler-Teil muss nur ein neues Bezugspotential bekommen, und zwar statt Masse nun den Minus-Pol des Netzteils. Man misst zwar dann mit dem Shunt auch den Strom des Spannungsregler-Teils mit, bei entsprechender Dimensionierung liegt der Fehler hierbei allerdings nur bei einigen hundert Mikro- bis wenigen Milliamper\u00e9.<\/p>\n
Mit einer einfachen Komparatorschaltung (ohne Hysterese) kann man nun den gemessenen Strom mit einer Vorgabe vergleichen und bei Bedarf den Komparator ein Element schalten lassen, dass den Basisstrom von NPN1 direkt zur Masse umleitet und nicht mehr durch die Basis von NPN1 flie\u00dfen l\u00e4sst. Spontan f\u00e4llt mir hier als Schaltelement ein Relais, eine Bipolartransistor oder aber ein MOSFET ein. Ich habe mich\u00a0hier auch f\u00fcr einen Bipolartransistor entschieden. Dieser wird mit seinem Kollektor direkt an die Basis von NPN1 angeschlossen, sein Emitter kommt an die Masse und die Basis wird \u00fcber einen Widerstand direkt an den Ausgang des Komparators angeschlossen.<\/p>\n
<\/a>Prinzipschaltbild des Netzteils<\/p><\/div>\n
R4 muss entsprechend des Basisstroms von NPN1 dimensioniert werden. NPN2 muss also den kompletten Strom, der durch R1 maximal flie\u00dfen kann, direkt nach Masse umleiten k\u00f6nnen. Es gilt also:<\/p>\n
R4 = Umax_opv_current\/Ib_NPN2<\/p>\n
Ib_NPN2 = Ic_NPN2\/hFE_NPN2<\/p>\n
Ic_NPN2 \u2248 Umax_opv_volt\/R1<\/p>\n
Das \u2248 bei Ic_NPN2 daher, da wir mal den Spannungsfall \u00fcber die CE-Strecke von NPN2 als 0 V annehmen wollen. Alles ineinander einsetzen:<\/p>\n
R4 = Umax_opv_current\/Umax_opv_volt*R1*hFE_NPN2<\/p>\n
Und da, sofern man gleiche OPVs einsetzt, Umax_opv_current = Umax_opv_volt gilt folgt f\u00fcr R4:<\/p>\n
R4 = R1*hFE_NPN2<\/p>\n
Hei\u00dft also wenn NPN2 ein hFE von 100 hat, dass R4 100 mal gr\u00f6\u00dfer sein kann als R1 um NPN1 immer noch erfolgreich den Basisstrom klauen<\/em> zu k\u00f6nnen.<\/p>\n Hier ein paar Beispiele der Widerst\u00e4nde f\u00fcr ausgew\u00e4hlte Transistoren. Als Randbedingung gilt<\/p>\n -Betriebsspannung sei maximal 20V hFE TIP31 bei 1A: \u2248100 hFE BC548 bei 10 mA: \u2248200 hFE BD677 bei 1A: \u22487000 hFE BC337\u00a0bei 143 \u00b5A: \u224850 Hier sieht man also, dass alleine schon die Wahl der Transistoren einen erheblichen Einfluss hat. Bei meinem Netzteil, dass ich nach dem hier vorgestellen Prinzip aufgebaut habe, kam ein BD677 und ein BC547 zum Einsatz, als OPV kamen zwei AD820 zum Einsatz. Um der Schaltung das Schwingen abzugew\u00f6hnen und anderer Kleinigkeiten m\u00fcssen noch ein paar Modifikationen vorgenommen werden. Was ich dagegen getan habe wird in einem weiteren Blogeintrag beschrieben werden.<\/p>\n <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Selbst gebautes Labornetzteil Einleitung Ein Labornetzteil geh\u00f6rt in jeden Bastelkeller erm\u00f6glicht es doch die Spannungsversorgung f\u00fcr alle unseren kleine Projekte. Von der blinkenden LED bis hin zur z.B. elektronisch nachgef\u00fchrten Astronomieeinheit. Mal braucht man 1.8 V f\u00fcr einen Mikrocontroller, mal … Weiterlesen Dimensionierung anhand ausgew\u00e4hlter Transistoren<\/h2>\n
\n-OPV kommt bis an sein Rail heran
\n-Shunt sei 1 \u03a9 gro\u00df
\n-Feedback-Netzwerk sei R2:100 k\u03a9 zu R3:10 k\u03a9<\/p>\nNPN1: TIP31, NPN2:BC548<\/h3>\n
\nIb: 10 mA
\nR1: 500 \u03a9<\/p>\n
\nIb: 50 \u00b5A
\nR4: 50 k\u03a9<\/p>\nNPN1: BD677, NPN2:BC337<\/h3>\n
\nIb: ~143 \u00b5A
\nR1: 140 k\u03a9<\/p>\n
\nIb: 3\u00a0\u00b5A
\nR4: 6.67 M\u03a9<\/p>\n
\nDa die Kennlinie f\u00fcr hFE und Co im Datenblatt meist auch nur typisch angegeben ist bei 25\u00b0C empfiehlt es sich immer von schlechteren Werten auszugehen. So ist bei mir R1 bei meinem Netzteil auf 10 k\u03a9 reduziert und R4 haben ich auf 100 k\u03a9 festgelegt (u.a. da man bei Megaohm-Widerst\u00e4nden auch immer gute Chancen hat sich St\u00f6rsignale einzufangen).<\/p>\n