Wie dimensioniere ich den Ausgangskondensator für ein DC-Werkbanknetzteil?

Sie scheinen sowieso die gesamte Schaltung in LTspice zu haben. Eine Gründungsanalyse verrät Ihnen das meiste, was Sie wissen wollen. Ersetzen Sie Ihre "große" (45 V) DC-Quelle durch eine Quelle, die eine Impulsdefinition hat, dh eine, die bei 0 V beginnt und innerhalb kurzer Zeit (z. B. 10 ... 100 ns) nach kurzer Zeit auf 45 V steigt (z. B. 1 µs). Auf diese Weise werden alle Kondensatoren für eine stromlose Schaltung initialisiert, und Sie sehen, dass Ihr Regler sein Bestes tut, um den Ausgangskondensator aufzuladen. Mit diesem Setup erhalten Sie das ganze Bild: Erstens erzeugt der ungeladene Ausgangskondensator einen toten Kurzschluss über Ihren Ausgang, sodass Sie sehen, wie Ihr Regler mit seinem Maximum beginnt. Strom. Sobald die Spannung an Ihrem Ausgangskondensator den gewünschten Wert erreicht, können Sie auch ein mögliches Überschwingen beobachten.

Ein alternativer Ansatz wäre, eine Stromquelle (eigentlich eine Senke) am Ausgang einzubauen, die zwischen 0 A und Ihrem Maximum wechselt. gewünschten Ausgangsstrom.

Als Faustregel würde ich mit 1000 µF pro 1 A von max. eingestellten Ausgangsstrom und versuchen Sie (".step param") Werte darunter und darüber (10 µF, 47 µF, 100 µF, 470 µF; 4,7 mF, 10 mF). Außerdem wird es nicht zu kritisch: Ihr Durchgangstransistor ist ein NPN, und dieses Design ist sowieso im Grunde stabil (im Gegensatz zu einem LDO, der einen PNP-Durchgangstransistor verwendet).Eine Stabilitätsanalyse Ihrer Schaltung könnte wirklich eine gute Idee sein; Auch wenn Ihr Schaltplan auf den ersten Blick wie ein Linearregler mit einem gemeinsamen Kollektor-Durchgangstransistor aussieht, haben Sie wirklich eine gemeinsame Emitterschaltung, und diese sind tendenziell instabil. Der Grund dafür ist, dass die Ausgangsimpedanz eines Verstärkers mit gemeinsamem Kollektor ungefähr die Basis-Treiberimpedanz des Transistors ist, dividiert durch das Beta des Transistors, und dieser Wert sich nicht wesentlich ändert, wenn die Last variiert, und er niedrig ist . Andererseits wird die Ausgangsimpedanz eines Emitterverstärkers durch die Last selbst definiert, die bestenfalls in einem bestimmten Bereich bleibt, aber natürlich nicht in den Spannungsregler selbst eingebaut werden kann. (*)

Hier ist eine Quelle mit einer wirklich guten Erklärung zur Stabilität eines Linearreglers, aber wir müssen in unserem Beispiel "PNP" und "NPN" vertauschen, weil wir es hier nicht (!) mit derselben Schaltung zu tun haben. Für die "übliche" Art und Weise, wie der Durchgangstransistor in Linearreglern verdrahtet ist, lautet das Zitat: "Der PNP-Transistor in einem LDO-Regler [...] ist in einer Konfiguration namens gemeinsamer Emitter angeschlossen, die eine höhere Ausgangsimpedanz als die gemeinsame hat Kollektorkonfiguration im NPN-Regler." (National Semiconductor - jetzt TI - App'note AN-1148, Abschnitt 9)

(*) Musste meine erste Version der Antwort bearbeiten, weil ich einige wichtige Punkte übersehen hatte. Wie in einigen Kommentaren zu anderen Beiträgen zu sehen ist, hat das Problem mit der Reparatur von Vintage-Laborgeräten zu tun, und man kann nie genug davon lernen, Dinge zu reparieren. Hier ist ein Auszug aus dem Artikel „The Importance of Fixing“ von Jim Williams, der im Buch ART & SCIENCE OF ANALOG CIRCUIT DESIGN veröffentlicht wurde:

Oh, wie ich den Teil mag, in dem es darum geht, sich selbst etwas vorzumachen...

Grundsätzlich müssen Sie die besten und schlechtesten Fälle für die Last in Bezug auf ihren äquivalenten Widerstand und ihre äquivalente Kapazität (die parallel zu Ihrer Ausgangskappe geht) berücksichtigen. Sie können nicht für absolut jede Last entwerfen.

Für die Extremwerte des Lastwiderstands ist es einfach genug, sich für einen Mindestwert zu entscheiden, da dieser durch den maximalen Strom bestimmt wird, den Ihr Durchgangselement liefern kann. Aber Sie müssen auch eine hochohmige Last berücksichtigen, da sie den Ausgangspol zu niedrigeren Frequenzen zieht, was möglicherweise die Stabilität beeinträchtigt.

Wenn Sie eine Platine mit beträchtlichen Bypass- / Tankkondensatoren am Eingang als Last anschließen, können Sie deren Auswirkungen auf Ihren Regler nicht ignorieren. Platinen mit 470-1000uF an ihrem DC-Eingang können ohne große Schwierigkeiten angetroffen werden.

Außerdem reagiert Ihr Regler in der Praxis nicht gleich auf negative und positive Transienten. Sie müssen die Sprungantwort sowohl bei positiven als auch bei negativen Lastabwürfen auswerten. Sie müssen sich Sorgen machen, ob das SPICE-Modell für den von Ihnen verwendeten Operationsverstärker gut genug ist, um diesen Unterschied vorherzusagen / zu simulieren.

Zur weiteren Lektüre empfehle ich das Buch von Rincon-Mora über LDOs. Soweit ich weiß, ist es das einzige aktuelle [dh in gedruckter Form] Buch über Linearregler und er hat einige Branchenerfahrung (arbeitete bei TI). Das erste Kapitel des Buches enthält die Theorie/Formeln und einige Beispiele zur Berechnung/Schätzung des Einschwingverhaltens, und es gibt ein Kapitel über Systemdesign, das sich mit der Stabilität befasst. Da sich das Buch auf Regler auf Platinenebene konzentrierte, gehen die ausgearbeiteten Designbeispiele im Buch (aber nicht die Theorie) normalerweise davon aus, dass die Lastkapazität [mindestens] eine Größenordnung niedriger ist als die Ausgangsobergrenze des Reglers . Sein Mantra für den Designansatz lautet im Grunde: „Der Designzyklus eines Linearreglers beginnt normalerweise am Ausgang und endet am Eingang“.