Anderer Operationsverstärker -> Schwingung

[Jan K. (jan-k)]

Hallo,

ich habe (mal wieder) ein Problem mit schwingenden 
Operationsverstärkern.

Es geht um eine Schaltung, die einen Akku laden und entladen soll 
(Schaltplan hängt an). Das soll kein Ladegerät werden, sondern damit 
wird das (Spannungs-)Verhalten des Akkus untersucht. Dazu muss per 
Mikrocontroller und DAC ein Strom vorgegeben werden können. 
Grundsätzlich funktioniert es so:
- Der Akku wird an JP1 angeschlossen. Über die Signale S1 und S2 und die 
Mosfets Q2, Q4 und Q5 kann der Akku beidseitig von der Schaltung 
getrennt werden (Wird für weitere Funktionen benötigt). Für mein Problem 
kann dieser Teil der Schaltung (hoffentlich?) ignoriert werden, momentan 
sind die drei Mosfets immer im leitenden Zustand (S2 = high, S1 = low).

- Der Strom, der durch den Akku fließt wird über den Shunt R6 gemessen 
und mit IC1B verstärkt und für den ADC aufbereitet. Der messbare Bereich 
liegt etwa bei -400 bis +400mA und wird in eine Spannung von 0-2,5V 
umgesetzt (2,5V ist auch die Referenzspannung für den ADC und DAC)

- Über den Ausgangstreiber kann dem Akku Ladung hinzugefügt oder 
entnommen werden. Dazu wird der Akku über die FETs Q1N und Q1P (beide im 
linearbetrieb, kein direkter Kurzschluss) mit GND bzw. 5V verbunden

- Geregelt wird das ganze durch IC1A. Per DAC kann ein Sollstrom 
vorgegeben werden. IC1A vergleicht den Sollstrom mit dem gemessenen 
Strom und steuert der Ausgangstreiber entsprechend an

Mit den eingezeichneten Bauteilen funktioniert das ganze ohne Probleme. 
Der Sollstrom wird in etwa 50us ausreichend präzise und stabil erreicht. 
Die Schaltung habe ich vorher mit Spice simuliert und in der Realität 
messe ich das gleiche Regelverhalten wie in der Simulation (keine 
Überschwinger, alles stabil).
 Jetzt sollen aber viele dieser Schaltungen aufgebaut werden und ich 
würde gerne einen billigeren Op-Amp einsetzen (die Genauigkeit des 
OPA2196 ist nicht unbedingt notwendig).
Als Test habe ich dazu auf der bestehenden Platine die OPA2196 durch 
LM358/LM324 ersetzt. Natürlich wird das ingesamt dadurch schlechter, ich 
habe größere Offsetspannungen, etwas weniger Bandbreite, ...

Damit könnte ich aber leben. Bevor ich das ganze aufgebaut habe, wieder 
zuerst Spice gefragt: Gleiches Ergebnis, Regelverhalten unverändert. In 
Wirklichkeit leider nicht: Ich habe eine Schwingung von etwa 280kHz in 
der Regelung. Die ist nicht besonders riesig, der Strom schwankt nur um 
einige mA, aber das ist schon zu viel.

Ich würde diese Schwingung gerne beseitigen, damit ich den LM358/LM324 
einsetzen kann. Nur leider verstehe ich überhaupt nicht, wodurch diese 
Schwingung entsteht. Ein vergrößern von C4 auf bis zu 33n 
(Stabilisierung von IC1A) hat leider überhaupt keine Veränderung 
gebracht. Hat jemand eine Idee, was ich noch versuchen könnte bzw. warum 
es mit dem einen Op-Amp geht und mit dem anderen nicht?

Vielen Dank,
Jan

Edit: Schaltplan ausversehen doppelt angehängt, es müssen keine 
Unterschiede gesucht werden ;)

[Christian K. (Gast)]

Beim OPA2196 steht high capacitive load drive. Das kann der 324 nicht. 
Versuch mal in Serie zu D1 einen 50 Ohm Widerstand.

[ths (Gast)]

Kannst du die Schleifenverstärkung etwas reduzieren? Hochohmiger R 
parallel zu C4

[Jan K. (jan-k)]

Vielen Dank schon mal für die Tipps.

Christian K. schrieb:
> Versuch mal in Serie zu D1 einen 50 Ohm Widerstand.

Bei 50 Ohm schwingt es noch genauso, allerdings wird es bei 400 Ohm - 
1kOhm etwas besser. Manchmal ist die Schwingung auch komplett weg, aber 
eine Lösung ist das leider noch nicht (Schwingung tritt bei anderem 
Exemplar bei gleichem Widerstandswert auf).

ths schrieb:
> Hochohmiger R
> parallel zu C4

Das hat leider auch nichts gebracht (100kOhm).

[Jens G. (jensig)]

Wozu hast Du eigentlich D1 drin? Die bewirkt ein unterschiedliches 
Regeln bei auf- und abregeln. Die würde ich mal ganz rausnehmen, bzw. 
brücken.

[Jan K. (jan-k)]

Es gibt noch ein bisschen mehr Schaltung drum herum, um die maximale 
Spannung beim laden zu begrenzen. Ein weiterer Op-Amp kann die 
Ausgangsstufe bei zu hoher Akkuspannung herunterregeln. Die beiden 
Regelungen sind wie bei den typischen Labornetzteil-Schaltungen über 
zwei Dioden entkoppelt, deswegen brauche ich hier D1.
Bei meinen Tests wird die Spannungsbegrenzung allerdings noch nicht 
benutzt.

[Christian L. (cyan)]

Wie kommst du eigentlich auf diesen merkwürdigen Ausgangstreiber? Es 
sieht so aus, als hättest du eine Schaltung für bipolare Transistoren 
genommen und dann einfach MOSFETs eingesetzt. Kann es also sein, das es 
einen Totbereich gibt, in dem weder der PMOS noch der NMOS leitet und 
der OPV deswegen für die Regelung stark springen muss, was dann zu einer 
entsprechenden Schwingung führt?

[Joe (Gast)]

Zur Frequenezkompensation noch ein C in den Rückkopplungskreis einfügen.

[Jan K. (jan-k)]

Christian L. schrieb:
> Kann es also sein, das es
> einen Totbereich gibt, in dem weder der PMOS noch der NMOS leitet und
> der OPV deswegen für die Regelung stark springen muss, was dann zu einer
> entsprechenden Schwingung führt?

Ja genau, diesen Totbereich gibt es. Der ist aber nur relevant, wenn der 
Ausgangstreiber von sinken auf sourcen oder umgekehrt wechselt. Im 
Moment sinke ich aber nur einen konstanten Strom (Q1N wird nie leitend).

Joe schrieb:
> Zur Frequenezkompensation noch ein C in den Rückkopplungskreis einfügen.

Das hatte ich mit C4 ja schon versucht.


Ich habe jetzt aber eine Lösung gefunden, im Datenblatt vom LM324 war 
noch ein Hinweis versteckt:
> For ac applications, where the load is capacitively coupled to the output of the 
amplifier, a resistor should be used, from the output of the Amplifier to ground 
to increase the class A bias current and prevent crossover distortion.

Ich bin zwar der Meinung, dass ich hier eher im DC- als im AC-Bereich 
unterwegs bin, aber es hat trotzdem geholfen: Mit einem 10k Widerstand 
vom Ausgang von IC1A zu -5V schwingt nichts mehr.

Vielen Dank an alle die geholfen haben :)