Stromquelle mit beliebigen Bezugspotenzial, realisierbar?

[pointhi]

Hy,
ich denke gerade ein "kleines" Gerät von vorne bis hinten durch, und wenn es eine eierlegende wolmilchsau werden soll braucht es noch eine digital veränderbare Stromquelle, der rest von den ding ist theroretisch für mich bereits jetzt machbar.

Das Problem bei dieser Stromquelle ist nun, dass das bezugspotenzial, zu dem es regeln muss nicht gleich Masse ist. Wenn ich also 5V beim Ausgang, einen Widerstand und dann z.b. 12V Konstante Spannung habe soll die Schaltung wenn nötig die spannung nach "oben" regeln, um den maximalen strom nicht zu überschreiten. Das gleiche in die negative Richtung. Dazu kommt dass die Spannung wie bei einem Labornetzgerät veränderlich ist, und selber auch negativ sein kann.

Einfach gesagt soll die Schaltung ein Digitaler Funktionsgenerator mit veränderbarer Spannung und Strom werden. Der beabsichtigte Einsatzzweck ist aber wesentlich umfangreicher, und dieser benötigt teilweise auch eine stromquelle die nicht auf Masse bezogen ist. (deshalb eierlegende Wolmilchsau ;)). Hoffe ich konnte rüberbringen was ich genau will.

mfg, pointhi

[Besserwessi]

Die Beschreibung ist nicht besonders klar, aber so weit ich das verstehe ist das kein wirkliches Problem: zu der Spannung die erzeugt werden soll wir einfach die Spannung vom Bezugspotential addiert.

Schwierig wird die Sache wenn es schnell werden soll, und ein sehr variable Last zugelassen ist.

[pointhi]

mir ist auch gerade eingefallen dass ich durch die polarität der spannung weiß wohin ich regeln muss. Und ja, es ist schnell (prototyp ca. 100kHz, fertig sollte es ca. 20MHz schaffen). Jetzt brauch ich nur noch eine Schaltung, die mit einer spannung regelbar ist. Die Last kann auch von hochomig bis fast kurzschluss variieren (normalerweise aber nicht schnell).

mfg, pointhi

[Manf]

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[ikarus_177]

Hallo pointhi,

falls ich das richtig verstanden habe, benötigst du im Grunde einen Spannungsausgang (positive / negative Polarität), dessen Ausgangsspannung eben geregelt wird um den gewünschten Strom einzustellen?

Was auch noch interessant wäre: welcher Maximalstrom ist zu erwarten / soll erreicht werden können?

Schöne Grüße

[pointhi]

so in etwa. Die Ausgangsspannung ist veränderlich (z.b.: +-15V), dazu wird auch noch ein maximalstrom angegeben (z.B. +-10mA). Solange der Maximalstrom nicht überschritten wird ist die Ausgangsspannung von der stromregelung nicht beeinflusst. Wenn aber der strom überschritten werden müsste um die Spannung zu halten wird nachgeregelt.

Wenn ich richtig überlge, muss die Quelle bei einem zu hohen negativen strom nach oben nachregeln (Weil der strom vom Ausgang in den OPV fließt (technische Stromrichtung).
Bei einem zu hohen positiven strom muss der Ausgang nach unten nachregeln (wie bei einem Labornetzteil, in meinem Fall darf die Spannung aber auch negativ werden um die nötige Spannung zu erreichen).
Der Fall, dass die nötige Spannung um den Strom auf aktzeptables nivau zu halten nciht erreichbar ist ist derzeit nicht thema. Für erste Tests sollte eine Sicherung am Ausgang ausreichend sein. Später brauche ich aber eine passende Schutzschaltung dafür.

Der maximale Ausgangsstrom sollte bei etwa bei 0,2-0,4A sein. Beim Prototypen kann er auch kleiner sein.

[ikarus_177]

Eine Möglichkeit, das zu realisieren (ist aber wirklich nur eine erste Idee und muss in keinster Weise praxistauglich sein): du nimmst einen uC mit angeschlossenem DAC, der z.B. eine Spannung von 0-5V bei geringem Strom liefern kann. Für die Pegelverschiebung / Verstärkung / Bereitstellung der nötigen Leistung könntest du eine OPV-Schaltung (Differenzverstärker aka Subtrahierer) und / oder einen nachgeschaltenen Leistungsverstärker verwenden.
Für die Strommessung einfach einen Shunt in die Ausgangsleitung und per differentieller Spannungsmessung (wieder ein Differenzverstärker) das verstärkte Spannungssignal als Rückkopplung an einen ADC (evtl. schon im uC integriert).
Die eigentliche Regelung bzw. die Strombegrenzung liefe dann im Mikrocontrollerprogramm ab.

[pointhi]

So in etwa hab ich mir das gedacht. Nur "kann" die regelung von keinem von mir beherschbaren µC geschafft werden, und ich wollte die gesammte arbeit HF-OPVs anvertrauen. Programmtechnisch wäre es kein problem für mich, nur will ich ein paar geschätzte Daten von dem release-ding herausgeben um das problem zu verdeutlichen:



DAC mit 40MHz für Spannung/Stromausgang
ADC mit 75MHz für Spannungsmessung (villeicht auch strom)
Paralellbus mit 10Bit, Ausgelegt für über 120MHz (das ding auf maximum zu betreiben wird das größte problem werden, stichwort: FPGA, DSP mit taktfrequenzen >200MHz)


Mit meinen 40MHz µCs würde ich glück haben den strom bei nem 1kHz sinus noch sauber zu regeln.

Der Prototyp wird auf villeicht 200KHz laufen, und die Ansteuerug einfach mit einem PIC, auch wenn er nicht das maximum schaffen wird.
Mir geht es vor allem um den Teil zwischen µC und dem Ausgang. Dieser ist derzeit der problematischte Teil. Wenn dich das geschafft ist kann ich mal schauen wie weit ich ihn auf maximalbetrieb ansteuern kann, mit meinen hobbymittel.

mfg, pointhi

[Besserwessi]

Das klingt wirklich mehr nach einer Aufgabe für eine analoge Regelung, entweder mit OPs oder ggf. auch mit diskreten Transistoren. Das kleingt irgendwie nach einem kleinen schnellen Verstärker, aber so wirklich klar ist die Beschreibung immer noch nicht.

[pointhi]

ja, es ist mit sicherheit eine analoge regelung. Vermutlich OPV, da Transistoren zu ungenau dafür sind.

Der Ablauf für die Regelung könnte so ablaufen:

Differezverstärker misst den Strom (spannungsabfall an einem shunt), dieser wert wird an eine regelung mit etwa diesem verhalten übergeben:
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Das Ausgangssignal der Regelung wird an den Treiber OPV übergeben, und regelt dementsprechend nach. Die Frage ist jetzt, ob diese Regelmethode zum schwingen anfangen könnte und wie diese Regelkurfe erstellt wird. (Dioden+OPV?, genau genug?). Möglicherweise muss ich der Regelung auch noch den aktuellen wert von Uregel übergeben, damit sie weiß ob schon geregelt wird und wie weit: (-> Strom zu hoch -> +Uregel -> Strom passt -> Uregel=0 -> zurück zum anfang: <<-)

Villeicht ist das schon die theroretische lösung, die praktische wird das problematische werden. Hab im internett nirgends lösungen für das problem entdeckt.

mfg, pointhi

- - - Aktualisiert - - -

Da ich schon in Zeichenlaune bin hab ich mich auch gleich noch für ein konkretes Beispiel hingesetzt, wie die schaltung reagieresn soll:
24318

Hoffe damit sollte jetzt einiges klar sein.

mfg, pointhi

[Besserwessi]

Bei der Regelung muss man sich entscheiden ob man einen Strom oder eine Spannung regeln will. Dazu kann es dann ein Begrenzung für die andere Größe (Spannung bzw. Strom) geben. Also entweder ein Sollwert für die Spannung und dann 2 Grenzen (obere und untere) für den Strom, oder ein Sollwert für den Strom und 2 Grenzen für die Spannung. Wenn die Grenzwerte erreicht werden, hat man auch wieder so eine Regelung, aber halt nicht die Primäre.

Im Wesentlichen ist das so etwas wie der Ausgang eines Labornetzteils oder Leistungsverstärkers, nur das sich die Sollspannung und ggf. die Grenzen für den Strom ändern. Wenn die Last sich verändern kann, ist es gar nicht so einfach das die Regelung nicht schwingt. In der Regel wird man da einen Kompromiss, wie einen gegebenen Ausgangswiederstand eingehen müssen.

An sich ist schon der Ausgang eine Operationsverstärkers fast so wie gewünscht, nur sind halt die Grenzen für den Strom fest (und nicht besonders genau) und eine Kapazitive Last ist je nach Typ problematisch.

[pointhi]

Geregelt werden soll die Spannung (wie im diagramm ersichtlich), der strom ist also sekundär.

Die Schaltung wird mit ziemlicher Sicherheit bei Regelfall zu schwingen anfangen, das ganze sollte aber wenn möglich nicht zu groß werden (<0,1mA PI über Daumen). Die Regelschleife hat also zwangsweise eine eigene rückkoplung und einen eingang für die strommessung. Das Schwingen wird vermutlich stark von den Bauteiltoleranzen abhängig sein -> Spindelpoti bei empfindlichen widerständen. Jetzt fehlt nur noch eine passende Regelschaltung.

Das problem ist dass zwischen -Imax und +Imax nicht geregelt werden darf. Ich könnte das mit 2 Komperatoren und 2-3 OPV villeicht lösen, aber wenn das ding zu groß wird gibts einerseits probleme mit EMV und der Preis schnellt auch zu stark rauf (HF-OPV). Habt ihr eine andere Ideen (muss nichts genaues sein), oder wird man die Übertragungskennlinie nur mit vielen OPVs+Analogschalter,... hinbekommen.

mfg, pointhi

[Besserwessi]

Die oben gezeigte Kennlinie entspricht einem Verstärker mit Strombegrenzung und parallel dazu einem mit einem definierten Ausgangswiderstand. Vor allem wenn bei der Genauigkeit für die Grenzen beim Strom keine so hohen Ansprüche bestehen, lässt sich das noch relativ einfach Aufbauen. Wegen der Geschwindigkeit, und der ggf. separaten und variablem Stromlimits sind da aber diskrete Transistoren eher ein Vorteil. Für die Genauigkeit in der Rückkopplung kann dann schon ein OP sorgen, allerdings eher kein so besonders schneller, denn damit das ganze nicht schwingt muss der Teil mit den Transistoren schneller sein als der OP.

In gewisser Weise hätte ein Leistungs OP wie der LH0101 schon einen Großteil der Funktion. Den Ausgangsteil müsste man ggf. mit diskreten Transistoren nachbauen.

[-schumi-]

Ich hatte in meiner Ausbildung letzte Woche sehr viel mit sowas zu tun, nur noch in Ranges bei denen man schon in anderen Dimensionen denkt (+-80V, 20A - 200nA, da wird die Luftfeuchtigkeit messbar...) :)

Hab mal schnell ein vereinfachtes Schema gezeichnet, das vereinfacht deinen Anforderungen genügen dürfte :-k
24327

(Wenn z.B. deine maximale/minimale Ausgangsspannungen weiter auseinanderliegen reicht irgendwann der Spannungsbereich von OPs nicht mehr, dann müssen die samt Versorgung mit deinem Ausgangssignal mitfloaten und so Sachen..)

Gruß