MC34063

Der MC34063 ist ein kleiner, billiger, beliebter und sehr vielseitig einsetzbarer Schaltregler. Er ist seit Jahrzehnten auf dem Markt. Sein Regelverhalten ist etwas anders, als man es von modernen Schaltreglern gewohnt ist.

StepDown (Abwärtswandler)

Ein Abwärtswandler erzeugt aus einer Eingangsspannung eine niedrigere Ausgangsspannung. Die häufigste Anwendung dieser Schaltung liegt in der Erzeugung einer stabilisierten, niedrigen Spannung aus einer höheren Eingangsspannung, z. B. 5V und 3,3V für eine µC Schaltung aus einem unstabilisierten Netzteil, das 8-15V liefert.

StepDown Schaltungvariante 1

Der interne Transistor schaltet die positive Spannung auf eine Spule. Da es ein NPN Transistor ist, ist dieser als Emitterfolger geschaltet. Dies hat den großen Nachteil, dass der Spannungsabfall recht hoch ist. Da es eine Darlingtonschaltung ist, gehen hier 1,0-2,0V je nach Stromstärke verloren. Von daher kann der Regler auch nicht die vollen 1,5A an Ausgangsstrom liefern, da dann die zulässige Verlustleistung überschritten würde: Bei 1A Ausgangsstrom fallen etwa 1,5V am Transistor ab. Dies ergibt 1,5W Verlustleistung. Da der Transistor maximal 85% der Zeit leitet, ergibt sich so im schlimmsten Fall eine Verlustleistung von etwa 1,3W. Laut Datenblatt kann der MC34063 im DIP Gehäuse maximal 1,25W aufnehmen, wäre also an der Grenze der Belastbarkeit. Bei einem thermischen Widerstand von 100K/W würde sich das IC so auf über 150°C Chiptemperatur bei Raumtemperatur erhitzen. Am Gehäuse würde man sich dann auch die Finger verbrennen! In der Stepdown Konfiguration sollte man den internen Transistor daher am besten mit nicht mehr als etwa 0,5A Ausgangsstrom belasten. Den Strombegrenzungswiderstand könnte man dann zu etwa 0,5Ω anstelle der minimal zulässigen 0,2Ω wählen, um auf der sicheren Seite zu sein.

StepDown Schaltungvariante 2 für höheren Wirkungsgrad

Diese Variante verwendet einen externen PNP Transistor anstelle des internen Emitterfolgers. Dadurch reduziert sich der Spannungsabfall von etwa 1,0-2V auf 0,3-0,7V, allerdings auf Kosten eines höheren Stromverbrauchs: Denn hier fließt der Basisstrom aus der Eingangsspannung nach Masse ab, nicht wie beim Emitterfolger in die Last. Weiterhin ist diese Schaltung im Eingangsspannungsbereich etwas eingeschränkt, denn der Vorwiderstand R4 muss bei niedriger Spannung ausreichend Strom liefern, bei hohen Spannungen darf der Strom nicht zu hoch werden, bzw. würde der Wirkungsgrad aufgrund des hohen Stroms sinken. Der 100Ω Widerstand dient weniger als Spannungsteiler mit dem 330Ω Widerstand, sondern vielmehr dazu, den Transistor beim Abschalten schneller sperren zu lassen. Dennoch ist die Schaltung nicht für hohe Taktfrequenzen geeignet, man braucht also eine recht große Spule und liegt eher im hörbaren Bereich.

StepUp (Aufwärtswandler)

Ein Aufwärtswandler erzeugt aus einer Eingangsspannung eine höhere Ausgangsspannung. Die häufigste Anwendung dieser Schaltung liegt in der Erzeugung einer höheren Betriebsspannung z. B. aus Batterien, oder die Erzeugung von 12 V aus einer vorhanden 5V-Quelle (z. B. USB).

StepUp Schaltungvariante 1

Der interne Transistor schaltet die Spule periodisch gegen Masse, wodurch beim Abschalten eine höhere Spannung induziert wird. In dieser Dimensionierung liefert die Schaltung 12 V bei etwa 100 mA aus einer Eingangsspannung zwischen 4 und 12 V. Diese Spannung kann z. B. zur Programmierung eines EPROMs oder Mikrocontrollers (Programmierspannung U_PP) verwendet werden. Da der Strom im Gegensatz zur Stepdown-Schaltung nur impulsartig abgegeben wird, ist ein größerer Elko am Ausgang erforderlich.

StepUp Schaltungvariante 2 für höheren Strom

Es gibt eigentlich nur zwei Fälle, in denen der Transistor sinnvoll ist:

• Höherer Ausgangsstrom. Da der interne Transistor nur 1,5 A Spitzenstrom aushält, was bei einem Step-Up-Wandler nicht viel ist (bei 4 V Eingangsspannung sind das gerade mal etwa 1 W Ausgangsleistung), kann man hier einen stärkeren Transistor verwenden.
• Höhere Ausgangsspannung. Da der interne Transistor nur 40 V aushält, kann man die Spannung durch einen externen Transistor erhöhen. Allerdings sollte man beachten, dass der MC34063 nur maximal 85 % Tastverhältnis erreichen kann. Dies entspricht einer um etwa Faktor 6 höheren Ausgangsspannung als die Eingangsspannung. Sollte man über diesen Wert gehen, ist bei der Wahl der Spule folgendes zu beachten:

Die Induktivität darf einen bestimmten Wert nicht überschreiten, um eine bestimmte Leistung übertragen zu können. Gemäß der Formel

[math]\displaystyle{ U=L\frac{di}{dt} }[/math]

kann man den Strom ausrechnen, der bei einer bestimmten Frequenz maximal in der Spule auftreten kann, wenn der Strom zu Beginn 0 ist.

[math]\displaystyle{ I=\frac{0,85 \cdot U_{IN}}{f\cdot L} }[/math]

Und gemäß der Energie in der Spule

[math]\displaystyle{ E=\frac{1}{2}L \cdot I^2 }[/math]

und der Kenntnis, dass diese Energie in jedem Takt übertragen wird, kann man nun durch Einsetzen der einen Gleichung in die andere die maximale Induktivität ausrechnen, die es ermöglicht, eine bestimmte Leistung bei einem Tastverhältnis von 85% zu übertragen. Am Ende erhält man dann folgende Formel:

[math]\displaystyle{ L_{MAX}=\frac {0,36 \cdot {U_{IN}}^2}{f \cdot P_{AUS}} }[/math]

Um die Verluste usw. zu berücksichtigen, sollte man die Spule etwa zwischen 30..70 % des oben berechneten Maximalwertes wählen, aber unter keinen Umständen größer, denn dann kann der Wandler die geforderte Leistung nicht liefern und die Spannung bricht bei Belastung zusammen. [math]\displaystyle{ U_{IN} }[/math] ist dabei die Eingangsspannung, f die Schaltfrequenz des Wandlers und [math]\displaystyle{ P_{AUS} }[/math] die Ausgangsleistung. Während im Normalbetrieb eine zu große Induktivität nicht stört, ist es hier also genau umgekehrt.

Invertierender Wandler

Ein invertierender Wandler erzeugt aus einer positiven Eingangsspannung eine negative Ausgangsspannung. Streng genommen handelt es sich um einen Step-Up-Wandler, bei dem die Spule nicht an der positiven Spannung, sondern an der negativen liegt. Daher sind die Vorzeichen gespiegelt.

Die häufigste Anwendung dieser Schaltung liegt in der Erzeugung einer negativen Betriebsspannung z. B. für einen Operationsverstärker, oder in der Erzeugung der VLCD Spannung eines LC-Displays.

Invertierende Schaltungsvariante 1 gemäß Datenblatt

Der interne Transistor schaltet die positive Spannung. Da es ein NPN Transistor ist, wird dieser als Emitterfolger geschaltet. Dies hat den großen Nachteil, dass der Spannungsabfall recht hoch ist. Da es eine Darlingtonschaltung ist, gehen hier 1,0-1,3V je nach Strom verloren. Da der MC34063 keine negativen Spannungen verarbeiten kann, wird dessen GND Potential nun der Ausgang der negativen Spannung. Die maximal zulässige Ausgangsspannung wird daher durch die Differenz der positiven Betriebsspannung und der negativen Ausgangsspannung begrenzt. Diese darf 40V nicht übersteigen. Da der Bezugspunkt des Feedbackpins des MC34063 die negative Ausgangsspannung ist, sieht der MC34063 Masse als positive Spannung. Der Spannungsteiler aus R3 und R1 wird daher genauso berechnet wie bei jeder anderen Schaltung. Damit der Wandler sicher startet, sollte der Glättungselko am Ausgang nicht zu klein sein, da er beim Einschalten quasi in Reihe zum MC34063 sitzt und dieser sich daher aus dem Elko mit Strom versorgen muss.

Invertierende Schaltungsvariante 2 mit externem Transistor gemäß Datenblatt

Um den hohen Spannungsverlust am Schalttransistor zu umgehen, kann man einen externen PNP Transistor einsetzen. Sobald der interne Transistor des MC34063 einschaltet, bekommt der externe PNP Transistor seinen Basisstrom und schaltet ein. Somit hat dieser nun einen sehr geringen Spannungsabfall von wenigen 100mV. Der 100Ω Widerstand dient weniger als Spannungsteiler mit dem 220Ω Widerstand, sondern vielmehr dazu, den Transistor beim Abschalten schneller sperren zu lassen. Ein Nachteil dieser Schaltung ist, dass der Basisstrom aus der negativen Spannung stammt, die aufwändig erzeugt wurde. Von den so erzeugten -14,5V gegen GND, also -19,5V gegen 5V werden nur etwa 0,7V benötigt, der Rest wird im Vorwiderstand verheizt.

Da bei LCDs die Kontrastspannung als Bezugspunkt die positive Betriebsspannung besitzt, ist es auch sinnvoll, die Regelung des MC34063 nicht an GND, sondern an die positive Betriebsspannung anzuschließen. Dadurch ist die Kontrastspannung auch bei Betriebsspannungsschwankungen konstant.

Invertierende Schaltungsvariante 3 mit externem Transistor gemäß Datenblatt von ST

Um das Problem mit dem Basisstrom für den externen Transistor aus der negativen Spannung zu beseitigen, liegt es nahe, den Strom aus der Schaltungsmasse anstelle der negativen Spannung zu nehmen. Solch eine Schaltung findet sich sogar in einem Datenblatt des MC34063, allerdings nicht in der eines MC34063 von ON/Motorola, sondern in einem von ST. Diese Schaltung sieht auf den ersten Blick besser aus als die vorhergehende, hat aber dennoch einen gravierenden Nachteil: In der Praxis ist nämlich der Strom im Leerlauf höher als bei der vorhergehenden Schaltung. Dies liegt daran, dass das interne Flipflop anscheinend zwischen GND und V+ hin- und herschaltet, was ja eigentlich gewünscht ist. In diesem Fall wird die Basis-Emitterspannung der Transistoren negativ, und bei etwa -8V bricht die Basis-Emitter Diode durch und wird somit leitend. Auch in der Sperrphase wird daher der erzeugten negativen Spannung ein Strom entnommen, der wieder nachgeliefert werden muss. Zumindest die ICs von Fairchild, ON und TSC verhalten sich so. ICs von ST konnte ich noch keine bekommen, um nachzuprüfen, ob diese vielleicht anders aufgebaut sind. Diese Schaltung ist auf jeden Fall nicht empfehlenswert.

Invertierende Schaltungsvariante 4 mit externem Transistor, Eigenkreation

Das Problem mit dem Durchbruch der Basis-Emitter-Diode umgeht diese Schaltung. Da ein Transistor an sich aus zwei Dioden besteht, kann man bei diesem Emitter und Kollektor vertauschen. Die Basis-Kollektor-Diode hat nämlich den Vorteil, dass sie eine sehr viel höhere Spannung aushält, die meist genauso groß ist wie die zulässige Kollektor-Emitter Spannung, in diesem Fall also 40 V. Da der Transistor ein Darlingtontransistor ist und hier nur wenig Basisstrom benötigt wird, wird nur der schwache Treibertransistor als Transistor verwendet und der eigentliche Schalttransistor dient als Diode, um den Basistrom des PNP Transistors über den Treibertransistor nach Masse abzuführen. Dieser Betrieb ist in keinem Datenblatt erwähnt, aber auch nirgends verboten, von daher kann man nicht mit Sicherheit sagen, dass diese Schaltung zulässig ist. Ich verwende die Schaltung aber schon seit Jahren ohne Probleme. Der Wirkungsgrad dieser Schaltung ist deutlich höher als bei den zuvor gezeigten. Der offene Emitterpin schwingt wie erwartet zwischen etwa + 0,7 V und negativer Ausgangsspannung hin und her.

Invertierende Schaltungsvariante 5 für bipolare Spannungen

Die letzte Variante erzeugt gleichzeitig eine positive und eine negative Spannung aus einer niedrigeren positiven Spannung. Dies ist z. B. für Operationsverstärker oder aber auch für TFT-Displays wichtig, die häufig +15 V und -10 V benötigen. Bei der Schaltung handelt es sich um einen Step-Up-Wandler, der über D1 an C1 eine positive Spannung erzeugt, die über den Spannungsteiler zurückgeführt und geregelt wird. Die Spannung an Pin 1 schwingt daher zwischen 0 V (eingeschaltetem Transistor) und Ausgangsspannung + Diodenspannung (Spannungsspitze bei abgeschaltetem Transistor) hin und her. Diese Wechselspannung wird über C4 und D2-3 gleichgerichtet und zwar in negativer Richtung. C5 lädt sich daher auf eine um eine Diodenspannung niedrigere Spannung (und negativem Vorzeichen) als die Spannung an C1 auf. Diese Spannung ist an sich nicht geregelt, aber über C4 mit der geregelten positiven Spannung verkoppelt. Lediglich der Spannungsabfall an C4 und D2-D3 wird nicht ausgeregelt.

Weitere Anwendungen

• verlustarme Konstantstromquelle

Wichtig zu wissen

• Das IC verwendet ein maximales Tastverhältnis von ca. 0,857. Dieses Tastverhältnis wird jedoch durch den Spannungsabfall an Rsc verkürzt.
  1. Vorzeitiges Ausschalten des Ausgangstransistors wird eingestellt durch Rsc. Da der Ladestrom der Timing-Kapazität von der Spannungsdifferenz an Rsc abhängt und den Entladestrom übersteigen kann, darf der Strom in der Spule nicht zu schnell ansteigen. Andernfalls kann die Timing-Kapazität nach Erreichen des Thresholds nicht mehr entladen werden und die fallende Flanke bleibt aus. Als Folge hiervon steigt die Spannung an der Kapazität bis auf die Betriebsspannung, der Strom durch den Ausgangstransistor wird nicht abgeschaltet und die Ausgangsspannung kann Werte über der mit dem Spannungsteiler eingestellten erreichen(!!). Die Spule muss also eine bestimmte Mindestinduktivität bezogen auf den Wert von Rsc haben und sollte ausserdem nicht in die Sättigung kommen. Im Step-Up-Fall sollte auch eine bestimmte Maximalinduktivität nicht überschritten werden, damit die Spule in der durch C definierten Zeit auch aufgeladen werden kann.
  2. Verspätetes Einschalten durch eine zu hohe Ausgangsspannung (entspricht einer zu hohen Eingangsspannung an CII) vor dem Beginn eines Zyklus. Sinkt die Spannung nicht innerhalb der ersten 85,7% des Zyklus auf oder unter die Referenzspannung, entfällt sogar der gesamte Impuls.

• Der für die Schaltfrequenz zuständige Oszillator und der für den Vergleich mit der Referenzspannung zuständige Komparator sind nicht synchronisiert. Dies bedeutet, das oben erwähnte verspätete Einschalten erfolgt bei zwei aufeinander folgenden Impulsen normalerweise zu völlig unterschiedlichen Zeitpunkten. Das Tastverhältnis variiert ständig. Normalerweise würde man bei stabiler Eingangsspannung und stabiler Last ein Einpendeln auf ein stabiles Tastverhältnis erwarten. Das ist beim MC34063 prinzipbedingt unwahrscheinlich.

• Die Regelschleife des ICs ist nur im diskontinuierlichen Betrieb (Spulenstrom fällt in jedem Takt wieder auf 0) stabil. Im kontinuierlichen Betrieb, besonders bei zu hoher Spuleninduktivität, kann es zu Regelartefakten kommen. Dann steigt z. B. der Spulenstrom, bis doch die Überstromabschaltung greift, die Regelschleife schwingt. Dies liegt daran, dass der Komparator aufgrund der Bauweise des ICs den Ausgangsimpuls innerhalb der ersten 85,7% eines Zyklus zwar einschalten, aber nicht mehr ausschalten kann. Einmal eingeschaltet laufen entweder die ersten 85.7% eines Zyklus ab und es wird an diesem Zeitpunkt normal abgeschaltet, oder die Strombegrenzung schaltet den Impuls vorzeitig ab.

• Bei niedriger Last geschieht die Spannungsregelung über das Auslassen von Impulsen (Pulsfrequenzmodulation). Dies kann dazu führen, dass der Ripple der Ausgangsspannung eine sehr viel niedrigere Frequenz aufweist als die Schaltfrequenz.

• Die im Datenblatt angegebenen 1,5A sind der Spitzenstrom des internen Transistors, nicht der Ausgangsstrom des Schaltreglers. Insbesondere in der Step-Up-Konfiguration ist der Ausgangsstrom viel geringer.

• Step-Up- oder Inverterbetrieb mit einem Spannungsverhältnis über 6,5 ist nur im diskontinuierlichen Betrieb möglich. Daraus ergibt sich eine Obergrenze für die Induktivität.

• Der Strombegrenzungswiderstand Rsc dient nicht nur als Strombegrenzung für den Ausgangsstrom, sondern ist auch wichtig, um den Spulenstrom in jedem Schaltzyklus zu begrenzen: Geht die Spule z. B. bei 0,15A in die Sättigung, muss Rsc so dimensioniert werden, dass der Strom die 0,15A nie übersteigt (der passende Wert wäre hierfür also Rsc=0,33V/0,15A=2,2Ω.) Ansonsten verringert sich der Wirkungsgrad der Schaltung stark.

• Wunder bezüglich Wirkungsgrad darf man von MC34063-basierten Schaltungen nicht erwarten. Schaltregler mit FET-Schaltern vermeiden Verluste durch den Basisstrom und der U_CE-Restspannung. Schaltregler mit integrierten Push-Pull-Ausgängen verringern bzw. vermeiden die Verluste in der Schottky-Diode. Das Störspektrum ist bei Schaltreglern mit Pulsweitenmodulation kalkulierbarer. Einige modernere ICs arbeiten mit deutlich höheren Schaltfrequenzen und benötigen eine weitaus kleinere (und damit oftmals widerstandsärmere) Induktivität für die gleiche Leistung.

Vergleich 34063 vs. LM257x

Der MC34063 und der LM257x (x = 4, 5 oder 6) sind von den Daten her in etwa vergleichbar, der 34063 kann auch als Step-Up eingesetzt werden, was mit dem LM257x nicht möglich ist.

Im Schaltverhalten unterscheiden sich beide Regler deutlich, wie nachfolgende Messungen zeigen. Um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten, wurden bei beiden die gleichen Spulen, Dioden und Elkos verwendet. Auch das Platinenlayout war vergleichbar. Die Eingangsspannung betrug 12 V, die Ausgangsspannung 5 V. Verwendet wurden ein TS34063 und ein LM2575-5 (mit LM2574 und LM2576 sind identische Ergebnisse zu erwarten). Beim 34063 wurde die Strombegrenzung mit 0,5Ω auf etwa 0,6 A eingestellt. Für den Oszillator wurden 470 pF verwendet, was etwa 50 kHz ergibt, um im gleichen Bereich wie der LM257x zu liegen. Belastet wurde der Ausgang mit 50Ω bzw. 100Ω, was einen Laststrom von 100mA bzw. 50mA ergibt. Am Eingang wurde ein normaler 100 µF Elko verbaut, am Ausgang ein 220 µF SMD Elko. Gemäß Datenblatt wäre für diesen niedrigen Strom beim LM257x eigentlich eine weitaus größere Induktivität von etwa 680 µH notwendig. Die Schaltung ist aber bewusst auf einen höheren Strom dimensioniert und nur mit einem geringen Strom belastet worden, da dieser Zustand in der Praxis häufig vorkommt und hier die Unterschiede zwischen beiden Reglern am deutlichsten ausfallen. Für den 34063 entspricht die Größe der Induktivität sogar den Empfehlungen aus dem Datenblatt.

Messung 1: 100 mA Last

LM2575, 100 mA
rot: Ausgangsspannung
grün: Ausgangsripple

Das Ergebnis ist wie erwartet: Die Spannung am Ausgang des LM2575 (rot) ist ein sauberes Rechteck, das zwischen Vin-Vsat und 0 V - V Diode, also zwischen etwa 10,5 V und -0,5 V pendelt. Der Ripple auf der Ausgangsspannung (grün) ist dreieckförmig, ein Zeichen, dass der Ripple vor allem durch den ESR des Ausgangselkos in Verbindung mit dem dreickförmigen Spulenstrom entsteht. Die Amplitude beträgt etwa 120 mVss. Das ist nicht wirklich gut, aber akzeptabel. Die Ursache liegt darin, dass es sich bei den Elkos nicht um Low ESR Elkos handelt.

34063, 100 mA
rot: Ausgangsspannung
grün: Ausgangsripple

An der Ausgangsspannung erkennt man beim 34063 deutlich, dass der Regler im diskontinuierlichen Betrieb arbeitet, der Spulenstrom erreicht den Wert Null, der Ausgang des Reglers wird dann über die Spule auf Höhe der Ausgangsspannung gezogen und schwingt aufgrund parasitärer Kapazitäten. Dieses Verhalten entsteht dadurch, dass der 34063 die Impulsbreite nur durch einen Überstrom oder durch eine hohe Feedbackspannung zu Beginn einer Taktperiode verkürzen kann. Ist beides nicht der Fall, erfolgt ein voller Zyklus. Dies führt dazu, dass die Regelung durch Auslassen einzelner Impulse (hier jedes zweiten Impulses) geschieht. Dadurch halbiert sich in diesem Fall die effektive Schaltfrequenz auf etwa 25 kHz, was logischerweise den Ripple auf der Ausgangsspannung vergrößert. Die Amplitude beträgt daher etwa 175 mVss, etwas mehr als beim LM257x, aber noch im grünen Bereich für übliche Anwendungen.

Messung 2: 50 mA Last

LM2575, 50 mA
rot: Ausgangsspannung
grün: Ausgangsripple

Auch hier ist das Ergebnis wie erwartet: Aufgrund des geringen Stromes arbeitet der LM257x im diskontinuierlichen Betrieb, der Spulenstrom erreicht also den Wert Null. Dennoch liegt der Ripple auf der Ausgangsspannung bei gerade mal etwa 100 mVss. Dieser niedrige Wert liegt an der kurzen Einschaltdauer und dem dementsprechend niedrigeren Spitzenstrom in der Spule, der logischerweise zu einem geringeren Spannungsabfall am ESR des Ausgangselkos führt. Die Arbeitsfrequenz liegt wie auch bei der 100 mA Messung bei knapp über 50 kHz, ist also unabhängig vom Strom.

34063, 50 mA
rot: Ausgangsspannung
grün: Ausgangsripple

Auf den ersten Blick sieht man schon: Das Verhalten des 34063 bei geringen Lasten ist chaotisch und nur schwer vorherzusagen, da der Zufall eine große Rolle spielt.

Dieses chaotische Schaltverhalten macht sich oft auch akustisch in der Spule bemerkbar: Man hört ein Rauschen. Ursache für dieses Verhalten ist das Funktionsprinzip des 34063: Ist während seiner Einschaltdauer die Eingangsspannung oberhalb des Schwellwertes des internen Komparators, bleibt der Ausgang abgeschaltet. Ist die Eingangsspannung zu Beginn des Zyklus schon niedriger, ist der interne Transistor für eine ganze Einschaltdauer (0,85*Periodendauer) eingeschaltet. Unterschreitet die Spannung dagegen während der Einschaltdauer den Schwellwert, schaltet der 34063 für den Rest der Zeit ein. Dadurch entstehen diese unterschiedlich langen Einschalt- und Ausschaltzeiten. Da der Zeitpunkt, zu dem der interne Komparator schaltet, von sehr vielen Faktoren abhängig ist (Ausgangsspannung, Spulenstrom [also vorhergehende Zyklen], Störungen usw.), lässt sich das genaue Verhalten nicht vorhersagen, der 34063 schaltet mehr oder weniger zufällig.

Die Arbeitsfrequenz lässt sich hier daher nicht wirklich bestimmen, da nahezu jeder Impuls eine andere Länge hat. Der Ripple liegt bei etwa 180mVss, fast dem doppelten Wert, den der LM257x bei diesem Strom aufweist. Das Hauptproblem an dem Ripple ist aber nicht der hohe Ripple selbst, sondern die unberechenbare Frequenz, die eine Dimensionierung eines Filters am Ausgang erschwert.

Dass der Ripple sich hier dennoch in Grenzen hält, liegt vor allem daran, dass sich beim Step-Down-Wandler die Änderungen direkt auf den Ausgang auswirken: Ein Einschaltzyklus führt zu einem höheren Spulenstrom und somit zu einer höheren Ausgangsspannung, was wiederum zu einer höheren Feedbackspannung führt. Ein gewisser Ripple auf der Ausgangsspannung ist für das Regelverhalten sogar hilfreich, da er hilft, die Hysterese des Komparators zu überwinden und somit zu einer höheren Schaltfrequenz führt. Im Step-Up-Modus ist der Zusammenhang zwischen Tastverhältnis und übertragener Energiemenge nicht ganz so einfach, denn wenn das Tastverhältnis zu hoch ist, wird die Spule in der Ausschaltphase die Energie nicht los, was dazu führt, dass effektiv weniger Energie am Ausgang ankommt, stattdessen der Spulenstrom von Zyklus zu Zyklus weiter ansteigt. Dies setzt sich solange fort, bis die Strombegrenzung anspricht. Diese ist daher im Step-Up-Modus zwingend erforderlich.

Fazit

Für Schaltungen, die eine saubere Spannung benötigen und eine stark wechselnde Stromaufnahme haben (es also vorkommen kann, dass die Stromaufnahme recht gering ist, wie hier gezeigt), sollte man auf den etwas teureren LM257x (oder andere PWM Regler) zurückgreifen, da sich dessen Spannung gut filtern lässt. Der 34063 eignet sich dagegen für alle Anwendungen, bei denen es nicht zu sehr auf den Ripple ankommt, wie z. B. Digitalschaltungen oder Motoren. Wenn der 34063 mit einem ausreichend hohen Strom belastet wird bzw. die Spule ausreichend groß dimensioniert wird, erreicht er zumindest im Step-Down-Betrieb aber auch gute Werte. Möchte man den Ripple weiter wegfiltern, ist hinter den Ausgangselko ein LC Filter zu setzen. Der Abgriff des Feedbackanschlusses erfolgt aber weiterhin am bisherigen Ausgangselko, denn wie weiter oben beschrieben wurde, ist der Ripple für die Regelung des 34063 notwendig. Ohne diesen Ripple verhält sich der 34063 wie ein Zweipunktregler: Die Spannung pendelt zwischen zwei Werten. Durch die zusätzliche Zeitverzögerung des LC-Filters würde sich das Pendeln sogar noch verstärken (dies trifft bei den meisten Reglern zu, denn die zusätzliche Phasenverschiebung kann die Regelschleife destabilisieren).

Links

• Spulenauswahl für Schaltregler
• Transformatoren und Spulen
• Forumsbeitrag: 180V@25mA Step Up mit externem MOSFET für Nixiröhren
• Forumsbeitrag: Hochspannungserzeugung für einen Geiger-Müller Zähler (Pollin Bausatz)

Weblinks

• Datenblatt MC34063
• AN920 Theory and Applications of the MC34063 and µA78S40 Switching Regulator Circuits Die bekannteste und wichtigste Application Note für den MC34063 und seinen Verwandten 78S40. Mit vielen Schaltungsbeispielen, Herleitungen der Berechnungsformeln und Beispielrechnungen.
• Flyback Converters for Dummies
• Guter Grundlagenartikel über Trafos in Englisch
• Layout für Schaltregler, von Lothar Miller

Werkzeuge

• Ausführliche Seite mit Onlineberechnung verschiedener Schaltnetzteiltypen, und Grundlagenwissen
• Ein Tool um die Bauteile zu dimensionieren
• Ein Universaltool zum Berechnen der Bauteile für alle Operationsmodi

SPICE Modelle

Für den MC34064 gibt es brauchbare SPICE-Modelle.

• OnSemi Die Dateien im ZIP-Archiv tragen die Bezeichnung MC33063. Das ist die Variante des MC34063 für einen grösseren Temperaturbereich. Ansonsten ist der MC33063 identisch.
• PSpice-Modell Von Christophe Basso für PSpice erstelltes/angepasstes Modell (Siehe auch seine SMPS-Bücher)
• IsSpice-Modell Von Christophe Basso für IsSpice erstelltes/angepasstes Modell
• leider gehen alle Links bis auf den ersten derzeit nicht.