ontwerp labvoeding

Ik heb me de laatste tijd een beetje lopen verdiepen in (simpele) labvoedingen. In een boek vond ik een ontwerp van een simpele regelbare spanningregelaar met een opamp en een referentiespanning.
Ik heb dit ontwerp uitgebreid, zodat ook de stroom begrensd kan worden. Het resultaat is hieronder te zien:
http://arjanvdbeek.nimio.info/elektronica/labvoeding2.png

Naar mijn idee is dit een simpel, maar effectief ontwerp. De uitgangspanning wordt bepaald door een instelbare referentiespanning. De opamp probeert de spanning op zijn ingangen gelijk te krijgen, waardoor de uitgangsspanning in te stellen is. De spanning kan tot bijna 0 Volt geregeld worden, zonder dat er een negatieve voedingspanning nodig is. C3 heb ik toegevoegd om te zorgen dat wisselspanning/ruis geen invloed heeft op de regeling.
De stroom wordt begrensd door de spanning over R4 te meten. Deze kleine spanning wordt versterkt en vergeleken met een instelbare spanning. Als er teveel stroom loopt, dan wordt de referentiespanning die de opamp krijgt naar 0 Volt getrokken en gaat er een LED branden.

De meeste theorie over opamps beheers ik, maar ik heb weinig ervaring met opamps in bv voedingen. Ik verwacht dat wanneer de schakeling niet goed ontworpen/opgebouwd wordt, er vrij snel oscillatie op zal treden. In veel ontwerpen werden opamps teruggekoppeld met een kleine condensator om dit te voorkomen. Ik ben waarden tegengekomen van 56pF tot 10nf. Wordt deze waarden vaak een beetje uit de lucht gegrepen?
Het ontwerp wil ik nog verbeteren door de zener te vervangen door een 7805 (en een zener om te zorgen dat de ingangsspanning van de 7805 niet te groot wordt).

Zijn er verder nog dingen die ik over het hoofd heb gezien of dingen die eenvoudig verbeterd kunnen worden?
Dit projectje ben ik oa gestart om er zelf van te leren. Een hint in plaats van een direct antwoord wordt daarom ook erg gewaardeerd.

welk vermogen heeft deze voeding? wat is de ingang spanning maximaal?

vermeld ook eens wat meer technische aspecten / specificaties ;)

Ik wil een 20 Volt, 2A voeding hebben ,daar is deze geschikt voor. Een grotere ingangsspanning moet ook wel lukken, maar daar heb ik eigenlijk niet echt op gelet. Voor meer stroom moet je R4 verkleinen en meer 2N3055's toevoegen, dus het ontwerp is naar mijn idee goed te schalen.

Ik merk dat R4 niet opgenomen is in de regelkring van IC1B. Daardoor gaat de uitgangsspanning zakken, zodra er stroom wordt afgenomen. Dat valt te verhelpen, door R2 niet met GND maar met "Vuit-" te verbinden. "Vuit-" is trouwens niet echt een goede benaming, want hoe ga je de negatieve aansluitklem dan noemen als je een symmetrische voeding bouwt?
Het idee om de stroomregeling te laten ingrijpen op de loper van R11 is OK, en geeft een rustiger regeling dan wanneer je de uitgang van IC1B gaat afknijpen. Het kan wel zijn, dat je C3 een maatje groter moet nemen (dat gaf bij mij toch een beter resultaat).
Wat de opamps betreft: als je de NE5532 wil gebruiken, moet je daarvoor een negatieve spanning voorzien. De NE5532 kan immers niet overweg met ingangsspanningen die in de buurt van zijn negatieve voedingsrail komen. Daarnaast kan zijn uitgang evenmin gelijk worden aan de negatieve voedingsrail.
Er bestaan ook opamps die daar geen probleem mee hebben, zoals de CA3140, de CA3160, de LM324 enz...

Oh, ja, de zener (D1) kan je beter voeden met een stroombron dan met een weerstand.

Prosper, yop la boum, c'est le roi du macadam (aldus Maurice Chevalier)

Op 2 juni 2007 17:36:51 schreef atom:
....
Naar mijn idee is dit een simpel, maar effectief ontwerp. De uitgangspanning wordt bepaald door een instelbare referentiespanning.
....

En de stroom door R4, bij max 2A maar liefst 440mV verschil

Uitspraken die hier onder mijn naam zijn gepubliseerd, hebben niet altijd mijn instemming

Op 2 juni 2007 18:43:44 schreef pros:
Ik merk dat R4 niet opgenomen is in de regelkring van IC1B. Daardoor gaat de uitgangsspanning zakken, zodra er stroom wordt afgenomen. Dat valt te verhelpen, door R2 niet met GND maar met "Vuit-" te verbinden.
...

evenals de zener en potmeter R11

Uitspraken die hier onder mijn naam zijn gepubliseerd, hebben niet altijd mijn instemming
Sine

Moderator

Of een 78(l)05/06 gebruiken voor Vref, of een echte bandgap natuurlijk.

[Bericht gewijzigd door Sine op 2 juni 2007 18:57:21 ]

Op 2 juni 2007 18:53:06 schreef 6foot6:
evenals de zener en potmeter R11

Juist, ja. De ganse stroomregeling kan beter vóór de spanningsregeling geplaatst worden.

Prosper, yop la boum, c'est le roi du macadam (aldus Maurice Chevalier)
Sine

Moderator

of de spanning over de emitter weerstanden meten voor de stroombegrenzing

Zo heb ik het bij mijn labvoeding gedaan. Maar dan zit je met het probleem dat je niet zonder meer een opamp kan inzetten om het spanningsverschiel over die weerstand te meten. Toch niet, als die opamp dezelfde voedingsspanning krijgt als de rest v/d schakeling.
Ik heb er maar een afzondelijk voedinkje voor gebouwd.

Prosper, yop la boum, c'est le roi du macadam (aldus Maurice Chevalier)

Hartelijk dank voor jullie opmerkingen. Ik heb het ontwerp aangepast op de volgende punten:
- 7805 als referentiespanning ipv een zener.
- R3 en R11 toegevoegd om te voorkomen dat ik de 7805 kortsluit
- D1 (12 Volt zener) en R14 zorgen ervoor dat de ingangsspanning van de 78l05 niet groter wordt dan 12 Volt
- De meetweerstand verkleind naar .1 ohm, de niet inverterende versterker aangepast zodat de stroom begrensd kan worden tot max 2 A
- De error amplifier (spanningsregeling) meet nu voor de .1 ohm meetweerstand
- C5 (vorige schema C3) vergroot naar 10uF, om de prestaties te vergroten
- NE553 vervangen door een CA3140. Deze presteert een stuk beter dan een lm324.

Het schema:
http://arjanvdbeek.nimio.info/elektronica/labvoeding3.png

Om het schema beter leesbaar te houden heb ik de voeding van de opamps niet aangesloten, net als de trimmer om de offset van de opamps in te stellen.

Als iemand nog opmerkingen/tips/kritiek heeft, dan hoor ik dat graag.

Volgens mij moet je het referentie-deel (D1, C1, IC1, C4 en R16) onderaan verbinden met "Vuit-", na R4 dus. Zoals het nu is, wordt "Vuit+" netjes geregeld, maar wordt er geen rekening gehouden met de spanning die over R4 komt te staan.

Prosper, yop la boum, c'est le roi du macadam (aldus Maurice Chevalier)

Op 3 juni 2007 16:06:17 schreef atom:
Hartelijk dank voor jullie opmerkingen. Ik heb het ontwerp aangepast op de volgende punten:
...
- De error amplifier (spanningsregeling) meet nu voor de .1 ohm meetweerstand
...

en vergelijkt mdit met een ref.spanning achter de 0,1 ohm meetweerstand

al weer te laat

Uitspraken die hier onder mijn naam zijn gepubliseerd, hebben niet altijd mijn instemming
Sine

Moderator

die 10uF elco vertraagd je stroombegrenzing behoorlijk !

Ik zie nu dat ik dat idd verkeerd gedaan heb. Ik heb het aangepast, en ter beveiliging meteen een diode toegevoegd.

http://arjanvdbeek.nimio.info/elektronica/labvoeding4.png

Naar aanleiding van het bestuderen van andere voeding ontwerpen heb ik het idee dat er nog een condensator van tegengekoppeld moet worden bij de spanningsturende en stroomsturende opamps, zodat hoogfrequentie signalen geen invloed hebben op de instelling van het circuit.
Ik heb zelf alleen oscillaties meegemaakt tussen de 1 en 10Mhz. Is dit zo'n beetje de gebruikelijke oscillatiefrequentie, of moet ik bij het bepalen van deze capaciteit rekenen houden met oscillaties rond de 10-100khz?

Henry S.

Moderator

Tip @ schema: Scheidt hoofdstroom en stuurstroomcircuit en teken opamps niet recht op. D2 kan in serie met Q1, C5 is idd slecht voor het regelgedrag.

[Bericht gewijzigd door Henry S. op 3 juni 2007 17:15:50 ]

73's de PA2HS - ik ben een radiohead, De 2019 CO labvoeding.

Vanavond of morgen zal ik proberen het schema duidelijker te tekenen met je tips, Henry.
C5 is dus nog een punt om op te letten: Een te grote waarde zorgt ervoor dat de ontlaadtijd te groot is, een te kleine waarde vermindert ruis minder goed. Ik kan sowiso R3 nog wat verkleinen om de ontlaadtijd te verkorten. Ook zal ik C5 weer verkleinen.

Als ik D2 in serie met Q1 zet, verminderen dat ook niet de prestaties van de stroomregeling? Als ik de LED aan de basis van Q1 zet gaat deze tor volledig in verzadiging, waardoor de tor minder snel kan schakelen. Of maak ik ergens een redenatiefout?
Als R16 bijna helemaal naar beneden is gedraaid en ik zet de LED in de collector van de transistor, dan werkt de stroombegrenzing toch niet meer goed, omdat de spanning niet meer kan dalen?

[Bericht gewijzigd door atom op 3 juni 2007 17:46:19 ]

Wat is je Vin min ?

Ouderwetse 7805 trekt dacht ik 10ma, samen met 1ma die je gebruikt * 560 ohm wordt dat ruim 6V. dus kom ik op minimaal 18V.

Kan je niet beter een 7805 vinden die je Vin max trekt? Scheelt ook weer twee componenten?

Is het niet een idee om nog een 10uF condensator over de uitgang te zetten voor de demping van de snelle uitgangs belasting dipjes?

Is het niet een idee om nog een 100nF // 10uF condensator paartje over de ingang te zetten?

Als ik me niet vergis gaat je "stroomberenzing aan" ledje niet werken. Stel je spanning staat op 10V, de stroom op 1A en je sluit een 2 ohm weerstand aan. Dan krijg je dus Vout= 2V. De spanning over C5 is dus 0.54 volt. De spanning over de loper van R16 wordt 2.7V voor 10V uitgangsspanning. De stroom door R3 is dan 0.46 mA. De versterking van Q1 is (minimaal) 200, dus door de basis van Q1 loopt rond de 2.3 uA. De spanning over z'n basis weerstand wordt dus rond de 23 mV. Pak hem beet 0.623V aan de uitgang van IC2. Niet genoeg voor het ledje.

Oh. Reken ook eens door wat er gebeurt als je transitor Q1 in verzadiging wordt gestuurd. Bij een stroombegrenzing van 2A gaat het goed. Dan trekt ie C5 helemaal leeg en Vuit- wordt net als de top van C5 0.2V t.o.v. de aarde.

Met een gewenste stroombegrenzing van 0.5A komt er volgens mij nog steeds 0.2V op Vuit- te staan, oftewel 2A uitgangsstroom. De opamp IC2 ziet van "dat is veel te veel", maar het lukt niet om Q1 voldoende uit te sturen om de spanning laag genoeg te krijgen. Hmmmm. Is het een idee om daar een MOSFET voor te nemen? Ben je van dat gezeik af!

Zoals reeds duidelijk heb je "gezeik" als je de shuntweerstand in je GND leiding zet. Heeft er iemand ervaring met dit in de V+ leiding doen? Er zijn volgens mij Opams te vinden waarbij de ingang best rond de voeding mag liggen. Anders moet je een weerstandsdeler maken, en de onnauwkeurigheid daarin, tezamen met de offsetspanning van de opamp vertaalt zich in een lastig af te regelen stroombegrenzing.

Ik heb de indruk dat er een opamp in de stroombegrenzing uitgespaard kan worden, als je de versterking af laat hangen van je stroombegrenzings potmeter.

[edit] Henry's suggestie over D2 in serie met Q1 snap ik ook niet. In de basis gaat ie niet aan bij 0.23 uA. Dat zie je eventueel alleen in het pikke donker. In de emitter of collector vererger je het probleem met dat je geen kleine stroombegrenzing kan instellen.

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Op 3 juni 2007 17:15:18 schreef Henry S.:
C5 is idd slecht voor het regelgedrag.

Ik kreeg met een soortgelijke opzet oscillaties als de stroombegrenzing ingreep. Door C5 te vergroten verdween dit gedrag. Nu blijft er --als de stroombegrenzing actief is-- enkel een rimpel van 0.05V over, die duidelijk afkomstig is van de spanning over de buffer-elko's.

Prosper, yop la boum, c'est le roi du macadam (aldus Maurice Chevalier)
Henry S.

Moderator

Op 3 juni 2007 17:41:00 schreef atom:
[...]
Als ik D2 in serie met Q1 zet, verminderen dat ook niet de prestaties van de stroomregeling? Als ik de LED aan de basis van Q1 zet gaat deze tor volledig in verzadiging, waardoor de tor minder snel kan schakelen. Of maak ik ergens een redenatiefout?

Nee, dat klopt, i stand corrected.
Maar je aanname is niet 100%, zie rew.

@rew: Shunt in de pos of neg leiding, ik heb beiden gebruikt, in de pos leiding zal deze een drop veroorzaken die afhankelijk is van de belasting, maar dat is weer te omzeilen om deze binnen de regeling te houden.
In de neg leiding kan dat niet en zal je altijd een drop houden.

CA3140's zijn btw rail-to-rail.

R4 staat btw wel verkeerd getekend en moet na het regelgedeelte, dus rechts van R2 komen, anders staat je gnd referentie te dansen op de belasting.

73's de PA2HS - ik ben een radiohead, De 2019 CO labvoeding.

Zoals reeds duidelijk heb je "gezeik" als je de shuntweerstand in je GND leiding zet. Heeft er iemand ervaring met dit in de V+ leiding doen?

Zoek eens op "high side current monitor"

In the beginning there was nothing.... and even that exploded...
Henry S.

Moderator

Op 3 juni 2007 17:47:50 schreef pros:
[...]
Ik kreeg met een soortgelijke opzet oscillaties als de stroombegrenzing ingreep. Door C5 te vergroten verdween dit gedrag. Nu blijft er --als de stroombegrenzing actief is-- enkel een rimpel van 0.05V over, die duidelijk afkomstig is van de spanning over de buffer-elko's.

Ik heb in m'n schema wat compensatie c's:

http://plaatjes.kg-uitdaging.nl/2010.jpg

Disclaimer: Dit schema is oud.

73's de PA2HS - ik ben een radiohead, De 2019 CO labvoeding.
Sine

Moderator

Op 3 juni 2007 17:41:00 schreef atom:
Vanavond of morgen zal ik proberen het schema duidelijker te tekenen met je tips, Henry.
C5 is dus nog een punt om op te letten: Een te grote waarde zorgt ervoor dat de ontlaadtijd te groot is, een te kleine waarde vermindert ruis minder goed.

Ruis ?

in principe moet je daar iets van 0.1u of kleiner kunnen neerzetten.
Waarschijnlijk is het geen ruis wat je ziet maar staat het ding te oscilleren.

Je zult waarschijnlijk de opampjes wat moeten dempen, een 100p C-tje eroverheen.

Kijk hier eens voor een voorbeeld :
http://www.elv-downloads.de/service/manuals/22532_Universell...ine_KM.pdf

-edit-

henry was me voor ( hoewel mijn ELV constructie wat overzichtelijker is ;) )

moet R4 niet tussen R2 en C5 ? Dan wordt die spanningsval gecorrigeerd bij toenemende belasting, maar "zweeft" je ref niet.

Sine heeft mij ooit eens de tip aangebracht om de regel opamps met een bvb +-15V te voeden rond de uitgangsspanning, en dat omdat opamps vaak niet meer dan 40à44V willen zien als voedingsspanning. Als je de voeding 0-20 gaat bouwen heb je dat probleem nog niet. Met 0-35V zit je wel al dichter tegen de grenzen van de opamps...

Misschien een ceetje van 100n over R2 om je spanningsregeling te vrijwaren van reactie op ruis ?

free_electron

Silicon Member

Op 3 juni 2007 17:06:12 schreef atom:
Ik zie nu dat ik dat idd verkeerd gedaan heb. Ik heb het aangepast, en ter beveiliging meteen een diode toegevoegd.

[afbeelding]

je stroommeting is verkeerd. nu meet je de stroom van de voeding zelf oo mee.
die sense weerstand moet vlak aan de uitgang staan.

ene ca3140 heeft ene cut-off input.
smijt die bc550 weg. je kan de ene opamp rechtstreeks de andere laten sturen ( ik dacht dat het pin 5 was van die 3140.

voordele van die cutoof is dat die 'geleidelijk gaat'

jouw stroom regeling is veel te 'hard'

Professioneel ElectronenTemmer - siliconvalleygarage.com - De voltooid verleden tijd van 'halfgeleider' is 'zand' ... US 8,032,693 / US 7,714,746 / US 7,355,303 / US 7,098,557 / US 6,762,632 / EP 1804159 - Real programmers write Hex into ROM