Probleme mit Einschaltstromspitze

Technik Elektronik & Elektrotechnik
#1

Hallo,

um altersbedingt beim Winterkaltstart schwächelnde Autobatterien nicht direkt wegwerfen zu müssen, betreibe ich seit einigen Jahren eine kleine Hobby-PV-Inselanlage. Damit lassen sich im Sommerhalbjahr sämtliche tragbare (Akku-beinhaltende) Elektronik-Geräte aufladen.

Nun wollte ich mal wieder eine Optimierung implementieren: Es sollte von da an wahlweise möglich sein, (im Rahmen der Anschlussmöglichkeiten) beliebig viele Geräte dranzuhängen, ohne dass dabei die Autobatterie (ab hier nur noch kurz Akku) entladen wird, indem abhängig von der am Akku anliegenden Spannung die Verbraucherseite zu- und abgeschaltet wird. Dabei liegt die Einschaltschwelle knapp unter 14 V und die Ausschaltschwelle knapp über 13 V. Sobald der angeschlossene Leistungsbedarf über der PV-Erzeugung liegt, werden die Verbraucher nur noch intervallartig versorgt, um den Akku-Ladezustand auf 100 % zu halten, wo sich Autobatterien am wohlsten fühlen. (Bei Bedarf kann man diese Zusatzschaltung auch umgehen und ziehen, was der Akku hergibt.)

Hierzu habe ich folgende Schaltung realisiert:
für www

Funktioniert soweit einwandfrei bis auf ein Gerät: Ich habe einen Notebook-an-12-V-Ladewandler, der aus ca. 12 V eine wählbare, für Notebooks passende Spannung macht. Dieser zieht beim Einstöpseln/Einschalten leider eine 25 ms lange Stromspitze - das habe ich per Oszi ermittelt. Selbst direkt am Labornetzteil sackt die Spannung in diesem Moment bis auf 2 V ab.

Diese Problematik wollte ich mit dem 2200-µ-Elko und der Diode oben links lösen, um die Versorgungsspannung der Schaltung über diesen kurzen Spannungseinbruch zu puffern und ein Schwingen zu vermeiden. Trotzdem funktioniert es nicht. Sobald die Einschaltschwelle erreicht ist, versucht der Notebook-Ladewandler nur erfolglos, anzulaufen, bemerkbar, indem er fiept (was er im Normalbetrieb nicht macht) und seine LED leuchtet, jedoch keine Ausgangsspannung liefert. Die Kontroll-LED in meiner Schaltung leuchtet dabei nicht. Scheinbar schaltet der MOSFET entweder nur halb durch oder schwingt/taktet in schneller Folge. Aber wie kann das sein und wie kann ich das beheben?

Gruß
Marius

#2

Hier noch die Typenangaben!
OPV: LM2902
MOSFET: P16NF06L

#3

Hi!
Wie verhält sich denn die Spannung hinter der Diode? Und mit welcher Spannung treibst du das Gate? Da dürfen ja schon gerne so 6V dran.

#4

Was am Gate ankommt, ergibt sich doch aus dem Schaltbild. Sollte doch deutlich über 6 V liegen, um die 11-12 V.
Hinter der Diode kam ich noch nicht zum Messen. Muss ja zur entsprechenden Tageszeit Gelegenheit haben…

#5

Wenn du die

pufferst, muss dein Elko ja nicht einfach die Schaltung über 8V für die Gatespannung halten, sondern über der Schaltschwelle. Wenn die Spannung dann ohnehin nur knapp über der unteren Schaltschwelle liegt, nutzt der Elko gar nichts - dann müsste nahezu unendlich groß sein.

Du könntest versuchen, die Komparatorsschaltung allein mittels Elko/Diode versorgen. Und OP und damit auch das Gate aus einer zweiten Elko/Dioden-Kombination.

#6

Prinzipiell gebe ich dir Recht. Aber dein beschriebenes Szenario dürfte in der Form praktisch nicht auftreten.
Es ist ja so, dass der MOSFET nur anfängt, durchgesteuert zu werden, wenn die obere Schaltschwelle erreicht ist und nicht knapp über der unteren Schwelle. Somit darf die Spannung ja innerhalb des Hysteresefensters durchaus kurz absacken, ohne dass dies Auswirkungen hätte.

Für diesen Fall habe ich den Elko mit 2200 µF dimensioniert. Selbst wenn er die zulässige Toleranz von -20 % voll ausschöpft, stehen also 1760 µF zur Verfügung. Die Schaltung hat im aktiven Zustand einen Eigenverbrauch von ca. 7 mA. Die Dauer der Stromspitze konnte ich mit 25 ms ermitteln. Also rechnen wir mal, wie tief die Spannung hinter der Diode einbricht:

C = I * t / U, um gestellt nach U = I * t / C

U = 0,007 A * 0,025 s / 0,00176 F = 0,10 V

Damit sind massig Reserven bis zur Ausschaltschwelle vorhanden. Insofern verstehe ich das festgestellte Verhalten nicht.

Wie viel mA ist von dem OPV an Verbrauch zu erwarten? Dem habe ich nur ca. 1 mA zugestanden. Aber solange es nicht das Mehrfache davon ist, sollte es dennoch unkritisch sein.

Gruß
Marius

#7

Bleibt es denn bei den 25ms, wenn die Quelle nicht wie ein Labornetzteil so schnell wie möglich nachregelt?

#8

Moin,

Siehe https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2902.pdf?ts=1614040100995 Seite 5 Zwischen 0,7 bis 3 mA ohne Last, die ich bei dir aber so nicht sehen kann. Das Gate vom P16NF06L zieht keinen Strom in deiner nahezu statischen Anwendung und dürfte selbst bei 4,5 Volt noch schalten.
Ohne genau zu wissen, wie sich die +12V für den Opamp verhält, ist das Stochern im Nebel.

-Luno

#9

Eben gemessen, während der Ladewandler fiepte: 13,25 V hinter der Diode.
Ausschaltschwelle an dieser Stelle gemessen ist sonst im regulären Betrieb knapp unter 13 V.

#10

Moin,

Der Spannungsteiler liegt, wenn ich das richtig gerechnet habe, im Bereich der Zenerspannung. Am 10 k habe ich 8,16 Volt errechnet bei 13 Volt. Das sieht knapp aus.
(Hoffentlich war kurz vor Feierabend mein Taschenrechner gnädig zu mir. :wink: Bitte mal nachrechnen.)
Wenn’s so eng zugehen sollte , dann riecht das nach Problemen.

-Luno
ps: Ergänzung:
Eine Zenerdiode hat eine Kennlinie wie eine gebogene Weidenrute, wenn du IZmin nicht erreichst, dann wanderst du auf einem Bogen.

#11

Das ist doch Sinn der Sache. So funktioniert nun mal ein OPV als Komparator. Bei der Eingangsspannung, wo sich die Spannungsniveaus in der Mitte der beiden Spannungsteiler R+R/R+ZD kreuzen, liegt der Schaltpunkt. Dazu kommt zur Stabilisierung die per Mitkopplung via 100-k-Widerstand erreichbare Hysterese.

Die Kennlinie der Z-Diode wird zur Weidenrute, wenn ihr Vorwiderstand zu hoch ist. Sollte mit 10 k aber hinhauen. Sieht LT Spice zumindest so.

Gruß
Marius

#12

Nachtrag: Jetzt habe ich mal versucht, was passiert, wenn ich die Steuerspannung der Schaltung per Labornetzteil einspeise, den Minus aber weiterhin in seiner „Zielumgebung“ ein- und ausgangsseitig eingebunden lasse. Damit kann ich die Änderung der Spannung vorgaukeln und testen, ob dem MOSFET das Schalten nun gelingt. Und die Erkenntnis ist: So funktioniert es tadellos. Also ist der Plus trotz allem wohl nicht stabilisiert genug? Könnte die Diode beim Übergang in den Sperrzustand zu langsam sein? Schwer vorstellbar.

#13

Der Frage bin ich auch noch nachgegangen. In der Einsatzsituation habe ich bei 12,7 V folgenden Spannungsverlauf beim Einstöpseln aufgenommen (Habe natürlich die Zusatzschaltung umgangen):

20210223_181924
20210223_1819242825×1989 2.31 MB

Es ist also sogar noch eine Größenordnung besser als am Labornetzteil, weil das Ganze nur etwa 3,5 statt 25 ms dauert. (Vielleicht habe ich mich da auch vertan und es waren 2,5 ms? Egal…)

#14

Moin,

< loriot >
Ach?
< /loriot >
:wink:
Ich habe ein tief verwurzeltes Misstrauen gegenüber einfachen Z-Dioden in solchen Anwendungen, eine Referenzspannungsquelle (als Idee: https://www.analog.com/en/parametricsearch/11513#/) wäre da eine bessre Wahl. Ob sich dein Problem damit automatisch löst, sei dahingestellt, aber die Referenzspannung ist um Größenordnungen stabiler als die einer einfachen Z-Diode.
Ich benutze gern für solche Zwecke den LM385 oder ähnliche: https://www.ti.com/product/LM385-ADJ?qgpn=lm385-adj
LM185/LM285/LM385AdjustableMicropowerVoltageReferences und OperatingCurrentof10μA to20mA

Gerade wenn der zur Verfügung stehende Spannungshub nicht sehr hoch ist und zudem noch die eigene Versorgungsspannung die zu überwachende Spannung ist, ist das ein probates Mittel.

Da es auch außerhalb der Welt von LTspice eine gibt, die sich Realität nennt, können sich da noch Fehler einschleichen. Statisch mit Netzteil scheint es ja zu gehen, dynamisch offenkundig nicht.

Ein Verdächtiger wäre da die Leitungsführung um den P16NF06L herum. Der Strom, der durch ihn fließt, hat arge Spitzen, wenn ich dich richtig verstanden habe. Von diesen muss die kleine Schaltung abgekoppelt werden, denn hohe Ströme auf GND haben auch einen Spannungsabfall längs einer Verdrahtung zur Folge.
Wobei das den Pufferelko nicht tangieren dürfte, denn du hast ihn ja mit einer Diode abgekoppelt vom Zustand der 12 V.

Wobei der Einbruch auf 2 Volt mich nach wie vor vor ein Rätsel stellt, denn wenn es so sein sollte, kann der Opamp nicht arbeiten, zumal er auch kein rail-to-rail ist. Der Elko sollte das ja abfedern und noch sehe ich keinen Grund, warum er das nicht tun sollte.

Für mich auch.

Zu deinem Bild: Ich hoffe, den GND vom Oskar hast du an der richtigen Stelle angeschlossen und nicht irgendwo auf GND. Denn: wer misst, misst Mist. :wink:

-Luno

#15

So nah wie möglich am Verursacher. Daher ist es durchaus möglich, dass es beim MOSFET schon etwas weniger einbricht.

#16

Moin,

Der GND aus Sicht der kleinen zusätzlichen Schaltung wäre zunächst relevant, also am Opamp oder am Elko. Oder ist das der Verbraucher?

-Luno

#17

Wie meinen?

Ich habe noch mal nachgedacht und bin zu dem Schluss gekommen, dass ich den „GND“ wohl auch mit einer zweiten Diode entkoppeln sollte, denn der Spannungseinbruch während der Stromspitze erfolgt ja nicht alleinig seitens + 12 V, sondern praktisch eher symmetrisch: + 12 V geht z. B. kurz auf + 7 V und „GND“ kurz auf + 5 V.

Die Lösung würde dann so aussehen:

www

#18

Moin,

Wozu das denn? Der Strom des MOSFet von Drain -> Source darf nur nicht über die Leitungen laufen, die die GND Zuleitung deiner Schaltung bilden. Da hilft eine sinnvolle sternförmige Verdrahtung. Dieser GND wird direkt an die Batterie angeschlossen, ebenso Source, Beide haben getrennte Leitungen, die an der Batterie verbunden sind. Auch die 12 Versorgung deiner Schaltung bekommt einen direkten Zugang zum + der Batterie.
Dann fließen in den Zuleitungen zu deiner Schaltung nur noch die 7 mA, die die Schaltung für sich alleine benötigt und nichts anderes.
Würde ich in einigen Schaltungen das mit der zusätzlichen Diode im GND so hätte machen müssen, dann wäre ich ein guter Kunde bei den Diodenherstellern. :wink:

-Luno

#19

Alles direkt an die Batterie hängen ist praktisch nicht so einfach. Von den Batteriepolen gehen Leitungen ab, die bis zu den Hauptverteilklemmen auch schon einige Milliohm aufweisen, zumal da noch ein Hauptsicherungsautomat mit durchlaufen wird. Der Innenwiderstand der Batterie beträgt angesichts ihres Alters auch einige zig Milliohm. Damit habe ich am Batterie-nächsten denkbaren Anschlusspunkt schon locker geschätzte 25 Milliohm Innenwiderstand oder mehr. Ergo bricht schon dort die Spannung bei einer Stromspitze von 50 A um mindestens 1,25 V ein!
Da gehe ich lieber auf Nummer Sicher, zumal eine kleine „0815“-Diode billiger und ihr Einfügen einfacher ist als eine mehrere Dezimeter lange zusätzliche Kupferleitung nachzuziehen. :wink:

#20

Drei Kondensatoren zur Stabilisierung könnten vielleicht noch was helfen. An den Eingängen des OP und an der Versorgung desselben.
Die Diode in der Masse halte ich für Contraproduktiv. Da bekommt die Schaltung doch noch mehr Auswirkung von Strospitzen zu sehen. Eigentlich sollte(n) die Schaltung(en) komplett vom Bereich der last getrennt sein. Zum Beispiel auch eine eigene Masseleitung besitzen, die nicht durch den Strom der Last angehoben wird.

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