Schaltungsentwicklung Spannungsstabilisierung

Technik Elektronik & Elektrotechnik
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Hallo,

ich möchte mit einem multivibartor mit Komperator eine Frequenz erzeugen, die in einem Temperaturbereich von -40°C bis +40°C konstant arbeitet. (Schaltung vgl. Tietze Schenk 9. Auflage S.186)
Bei Tests habe ich festgestellt, dass die Ausgangspannung des OPV (NCV33204) von der Temperatur abhängig ist. Wie kann ich die Spannung von der Temperatur unabhängig (konstant) gestallten?
Ich habe da etwas gelesen mit einer Z-Diode die über einen Widerstand entkoppelt wird. Kann mir Jemand weiterhelfen?

Grüße,
Stefan

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Hallo Stefan,

Willkommen im realen Leben !!

ich möchte mit einem multivibartor mit Komperator eine
Frequenz erzeugen, die in einem Temperaturbereich von -40°C
bis +40°C konstant arbeitet. (Schaltung vgl. Tietze Schenk 9.
Auflage S.186)
Bei Tests habe ich festgestellt, dass die Ausgangspannung des
OPV (NCV33204) von der Temperatur abhängig ist. Wie kann ich
die Spannung von der Temperatur unabhängig (konstant)
gestallten?

Das ist bei realen Bauteilen nun mal.
Welche Spannung möchtest du den konstant halten und was ist dein eigentliches Problem??
Zudem ist Null bei Toleranzen nicht machbar, also musst du da etwas genauer definieren.

Ich habe da etwas gelesen mit einer Z-Diode die über einen
Widerstand entkoppelt wird. Kann mir Jemand weiterhelfen?

Auch jede Z-Diode hat einen Temperaturkoeffizient.

MfG Peter(TOO)

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Hallo Peter(TOO),

Willkommen im realen Leben !!

Danke ich bin gelandet :wink:

Das ist bei realen Bauteilen nun mal.
Welche Spannung möchtest du den konstant halten und was ist
dein eigentliches Problem??
Zudem ist Null bei Toleranzen nicht machbar, also musst du da
etwas genauer definieren.

Ich erzeuge eine Rechteckspannung. die Frequenz der
Rechteckspannung :soll aber nur vom eingebauten Kondensator abhängig
sein. Da die Ausgangsspannung des OPV aber mal 4,5V und mal 4,9V ist,
bekomme ich zusätzlich eine abhängigkeit von der Temperatur.
Mein Rechteck soll unabhängig von der Temperatur eine Amplitude von
5V haben.

Auch jede Z-Diode hat einen Temperaturkoeffizient.

Ist die Durchbruchspannung der Z-Diode nicht wenigstens etwas
konstanter als mein OPV Ausgang?! wenn ja wie muss ich diese in
meine übrigen Schaltung einbringen?

Viele Grüße,
Stefan

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Hallo Stefan,

Ich erzeuge eine Rechteckspannung. die Frequenz der
Rechteckspannung :soll aber nur vom eingebauten Kondensator
abhängig
sein. Da die Ausgangsspannung des OPV aber mal 4,5V und mal
4,9V ist,
bekomme ich zusätzlich eine abhängigkeit von der Temperatur.

Kann auch an der Dimensionierung deiner Schaltung liegen.
Aber dazu müsste man wesentlich mehr wissen.
Praktisch macht es halt einen Unterschied ob ein Spannungsteiler aus 9M und 1M oder aus 9 Ohm und 1 Ohm aufgebaut wird. Rechnerisch ergeben beide das selbe Teilerverhältnis.

Mein Rechteck soll unabhängig von der Temperatur eine
Amplitude von
5V haben.

5V am Ausgang bei 5V Versorgungsspannung geht nicht. Jeder Schalter hat einen Spannungsabfall !!

Auch jede Z-Diode hat einen Temperaturkoeffizient.

Ist die Durchbruchspannung der Z-Diode nicht wenigstens etwas
konstanter als mein OPV Ausgang?! wenn ja wie muss ich diese
in
meine übrigen Schaltung einbringen?

Dein dT liegt bei 80K.
Bei 4.5V - 4.9V macht das mal 5mV/K.
Eine passende Z-Diode hat einen Tk in der Grössenordnung von etwa 2 mV/K, also keine wirkliche Verbesserung.

Grundsätzlich wäre für deine Schaltung ein Komparator angebracht.

Der Rest ligt in der Dimensionierung, aber darüber hast du noch nichts verlaueten lassen.

MfG Peter(TOO)

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einige Fragen
Hallo Stefan,

ich stelle Dir mal folgende Frage, damit klarer wird, wie Du die astablie Kippstufe überhaupt aufgebaut hast, denn solange das nicht der Fall ist, können Dir die Experten auch keinen gezielten Rat geben:

1.) Wie kommt es überhaupt, dass die Ausgangsspannung des OPV schwankt, denn wenn seine Ausgangsspannung rechteckförmig ist, schaltet er immer zwischen maximaler und minimaler Ausgangsspannung hin und her. Und je nach OPV-Typ liegt seine maximale Ausgangsspannung immer um einen konstanten Spannungswert unterhalb der Betriebsspannung (das hängt vom Aufbau der Transistorendstufe des OPV ab). Demnach kann der OPV nichts dafür, dass der Pegel seiner Ausgangsspannung schwankt, weil seine BETRIEBSSPANNUNG schuld daran ist, bzw. weil diese die von Dir erwähnte temperaturabhängigkeit besitzt.

Du kannst die Abhängigkeit der Frequenz von der Betriebsspannung aber auch dadurch beseitigen, indem Du die Schaltschwelle des Komparators mittels Spannungsteiler erzeugst, der an der Betriebsspannung angeschlossen ist. Jede Schwankung der Betriebsspannung ändert damit proportional auch die Schaltschwelle und die Frequenz bleibt daher gleich. Voraussetzung hierfür ist natürlich, dass der zeitbestimmende Kondensator auch nur maximal bis zur Betriebsspannung aufgeladen werden kann. Mit diesem Kniff kannst Du Dir den Aufwand für eine möglichst stabile, temperaturunabhängige Betriebsspannung sparen.

Sofern Deine Betriebsspannung im Bereich um +/- 5% schwankt, funktioniert die nachfolgende Schaltung sowieso einwandfrei.

Das oben gesagte zur spannungsunabhängigen Erzeugung einer Frequenz, wird auch beim millionenfach verbreiteten Timerbaustein NE555 angewendet. Dessen Spannungsteiler ist an die Betriebspannung angeschlossen, und daher hat diese nur noch einen sehr geringen Einfluss auf die Ausgangsfrequenz. Gegebenenfalls solltest Du übrigens lieber diesen Baustein zur Frequenzerzeugung anstelle des OPV verwenden. Der TLC555 ist eine sehr stromsparende CMOS-Version des NE555.

Falls Du trotzdem eine möglichst stabile, temperaturunabhängige Rechteckspannung von 5V benötigst, verwende keine Z-Diode zur Spannungsstabilisierung, sondern vorzugsweise einen Festspannungsregler mit 5% oder 2% Ausgangsspannungstoleranz.
Jeder Festspannungsregler besitzt eine interne Referenzspannungsdiode, die genauer ist als eine herkömmliche Z-Diode. Dazu bietet er einen Kurzschluss- und Übertemperaturschutz, falls ein Fehler in Deiner Schaltung auftritt. Bedingung für eine korrekte Funktion des Festspannungsreglers ist, dass seine Eingangsspannung möglichst 2 Volt über seiner Ausgangsspannung liegt. Bei sogenannten „Low-Drop“ Typen muss die Ausgangsspannung nur um 200mV höher als die Eingangsspannung liegen. Zum Schluss: vergiss nicht den 100nF-Keramikkondensator, der direkt zwischen Ausgang des Festspannungsreglers und Masse eingebaut werden muss, um Schwingungen der Ausgangsspannung zu unterdrücken.

Gruß, Alexander

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Hallo Alexander,

1.) Wie kommt es überhaupt, dass die Ausgangsspannung des OPV
schwankt, denn wenn seine Ausgangsspannung rechteckförmig ist,
schaltet er immer zwischen maximaler und minimaler
Ausgangsspannung hin und her.

Das ist richtig, der OPV schaltet immer zwischen 5V (VCC+) und 0V
VCC-) hin und her.

Und je nach OPV-Typ liegt seine
maximale Ausgangsspannung immer um einen konstanten
Spannungswert unterhalb der Betriebsspannung (das hängt vom
Aufbau der Transistorendstufe des OPV ab). Demnach kann der
OPV nichts dafür, dass der Pegel seiner Ausgangsspannung
schwankt, weil seine BETRIEBSSPANNUNG schuld daran ist, bzw.
weil diese die von Dir erwähnte temperaturabhängigkeit
besitzt.

Dei Betriebsspannung wird mit einem Netzteil erzeugt, welches mir immer die gleiche Spannung liefert. (Das Netzteil wird dem Temperaturunterschied nicht ausgestzt.) Und der OPV liefert mir bei niedrigen Temperaturen (ca. -20°C) 4,5 V am Ausgang und wenn die Temperatur steigt bis zu 4,8… V am Ausgang. Diese kleine Schwankung hätte ich gerne Aufgehoben (sofern das geht).

Du kannst die Abhängigkeit der Frequenz von der
Betriebsspannung aber auch dadurch beseitigen, indem Du die
Schaltschwelle des Komparators mittels Spannungsteiler
erzeugst, der an der Betriebsspannung angeschlossen ist. Jede
Schwankung der Betriebsspannung ändert damit proportional auch
die Schaltschwelle und die Frequenz bleibt daher gleich.
Voraussetzung hierfür ist natürlich, dass der zeitbestimmende
Kondensator auch nur maximal bis zur Betriebsspannung
aufgeladen werden kann. Mit diesem Kniff kannst Du Dir den
Aufwand für eine möglichst stabile, temperaturunabhängige
Betriebsspannung sparen.

Ich beschalte meinen OPV mit einem solchen Spannungsteiler und habe mir die Schaltschwellen bei 1/3 und 2/3 der Versorungsspannung gewählt. Die Widerstande die ich einsetzte liegen im kOhm Bereich (215k).

Ansonsten möchte ich mich für deine Tipps bedanken und glaube das der Aufand den ich betreiben müsste, um die Spannung über der Temperatur konstant zu bekommen, das Ergebnis nicht rechtfertigt. Falls ich dennoch weitere Erkenntnisse gewinne oder einer der Experten noch einen Rat hat, dann einfach schreiben.

Vielen Dank für die Antworten!!!

Gruß, Stefan

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Hallo Stefan,

Das ist richtig, der OPV schaltet immer zwischen 5V (VCC+) und
0V
VCC-) hin und her.

Hmm, und wie erzeugst du die 2.5V für die Masse ???

Ich beschalte meinen OPV mit einem solchen Spannungsteiler und
habe mir die Schaltschwellen bei 1/3 und 2/3 der
Versorungsspannung gewählt. Die Widerstande die ich einsetzte
liegen im kOhm Bereich (215k).

Ich habe die SChaltung vor mir Liegen, also:
R1 = ?
R2 = ?
R = ?
C = ?

Dann schau die mal Abb. 8.51 genau an !!!
Dann weisst du von welchen 2.5V ich oben spreche !!!
Andernfalls funktioniert deine Schaltung ganz anders !!!

Grundsätzlich sieht man an der Formel unter Abb. 8.50, dass die Spannung gar nicht darin auftaucht.

MfG Peter(TOO)

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Lösungsvorschläge
Hallo Stefan,

da die Betriebsspannung nicht der Temperaturschwankung ausgesetzt ist, bleiben noch folgende Dinge als Ursache für die kleine Spannungsdifferenz am Ausgang des OPV bei -20°C und +30°C:

a) Die elektrischen Eigenschaften des OPV besitzen eine recht große Temperaturabhängigkeit,
b) Die Strombelastung des OPV ändert sich mit der Temperatur,
c) Andere Bauteile der Schaltung besitzen eine Temperaturabhängigkeit, die sich auf die Ausgangsspannung des OPV auswirken.

Mögliche Abhilfe zu den jeweiligen Punkten
a) verwende einen anderen Typ von OPV, beispielsweise einen „Rail-to-Rail“-Typen. Falls das nichts hilft, oder Du keine Lust hast einen Rail-to-Rail-Typen zu suchen, schalte an den Ausgang des OPV zwei CMOS-Schmitt-Inverter (z.B. CMOS 4584) hintereinander. Die Endstufe der CMOS-Inverter ist möglicherweise nicht so stark temperaturabhängig wie die des OPV. Falls der zweite CMOS-Inverter zu wenig Strom liefert (d. h. HIGH-Pegel liegt mehr als 50Millivolt unterhalb der Betriebsspannung), schalte die restlichen 4 CMOS-Inverter des 4584-Bausteins parallel zu diesem. Hinweis: unbeschaltete Inverter-Eingänge auf GND oder +Ub legen! Block die Betriebsspannung des 4584 mit einem 100nF-Kerko ab.

b) Untersuche, ob sich die Strombelastung des OPV mit der Temperatur ändert. Falls dies zutrifft, schalte eventuell einen weiteren OPV als Impedanzwandler (Spannungsfolger) an den Ausgang Deines jetzigen OPV´s und greife an ihm die Frequenz ab. Dadurch, dass der Frequenz-OPV keinen nennenswerten Ausgangsstrom mehr liefern muss, sinkt der interne Spannungsabfall an seiner Endstufe, sprich die Amplitude seiner Ausgangsspannung steigt wieder, und damit auch der Ausgangspegel des nachgeschalteten Spannungsfolgers (das Absinken der Ausgangsspannung wird bei Deiner Schaltung womöglich auch an die restliche Schaltung zurückgekoppelt, wodurch die Absenkung zusätzlich verstärkt werden könnte). Alternativ kannst Du versuchen, das Problem der Strombelastung mit Lösung „a)“ in den Griff zu bekommen.

c) Da ich die Schaltung nicht kenne, kann ich leider nicht beurteilen, ob evtl. andere Bauteile ihre elektrischen Eigenschaften so stark ändern, dass dies als Spannungsunterschied am OPV in Erscheinung tritt.

So, ich hoffe das hilft Dir weiter. Übrigens, bei diesen Vorschlägen bin ich davon ausgegangen, dass Du den OPV an einer unsymmetrischen Betriebsspannung betreibst, d. h. zwischen +5 und 0Volt. Dies nur nochmal zur Vergewisserung.

Gruß, Alexander

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Hallo Alexander,

So, ich hoffe das hilft Dir weiter. Übrigens, bei diesen
Vorschlägen bin ich davon ausgegangen, dass Du den OPV an
einer unsymmetrischen Betriebsspannung betreibst, d. h.
zwischen +5 und 0Volt. Dies nur nochmal zur Vergewisserung.

Genau da vermute ich den Fehler.
Die Schaltung in T&S verwendet eine symetrische Spannungsversurgung und Teile der Schaltung liegen auf Masse.

Die T&S-Schaltung ist eigentlich mit einem Schmitt-Trigger aufgebaut.

Das C liegt zwischen Masse und dem -Eingang
Der Ladewiederstand liegt zwischen Ausgang und -Eingang.
Zwischen Ausgang und Masse liegt ein Spannungsteiler, dessen Abgriff dann mit dem +Eingang verbunden ist.

Wird diese Schaltung nun unipolar mit Spannung versorgt liegt der eine Kipppunkt bei der Spannung welche der Spannungsteiler vorgibt und der andere aber bei 0V !!
Je nach konkreter Offsetspannung des OPAMPs schwingt dann die Schaltung eigentlich gar nicht.

Damit das ganze funktioniert muss also entweder eine bipolare Speisung verwendet werden oder es muss eine Virtuelle Masse mit 1/2 Speisespannung erzeugt werden.
Über diesen Punk schweigt aber der Fragesteller !!

MfG Peter(TOO)