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MC34063Der MC34063 ist ein kleiner, billiger, beliebter und sehr vielseitig einsetzbarer Schaltregler. Er ist seit Jahrzehnten auf dem Markt. Sein Regelverhalten ist etwas anderes als man es von modernen Schaltreglern gewohnt ist. [Bearbeiten] 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. [Bearbeiten] 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 Strom verloren. Von daher kann der Regler auch nicht die vollen 1,5A an Ausgangsstrom liefern, da dann die zulässige Verlustleitung überschritten werden 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 worst case eine Verlustleistung von etwa 1,3W. Laut Datenblatt kann der MC34063 im DIP Gehäuse maximal 1,25W. Es wäre also an der Grenze. 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. [Bearbeiten] StepDown Schaltungvariante 2 für höheren Wirkungsgrad
Diese Variante verwendet einen externen PNP Transistor anstelle dem internen Emitterfolger. Dadurch reduziert sich der Spannungsabfall von etwa 1,0-2V auf 0,3-0,7V. Allerdings auf Kosten eines höheren Stromverbrauch: Denn hier fließt der Basisstrom aus der Eingangsspannung nach Masse ab, und nicht wie beim Emitterfolger in die Last. Weiterhin ist diese Schaltung im Eingangsspannunsgbereich etwas eingeschränkt, denn der Vorwiderstand R4 muss bei niedrigen Spannung ausreichend Strom liefern, und bei hohen Spannungen darf der Strom nicht zu hoch werden, bzw. geht der Wirkungsgrad aufgrund des hohen Stroms runter. 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. [Bearbeiten] StepUp (Aufwärtswandler)Ein Aufwärtswandler erzeugt aus einer Eingangsspannung eine höhere Ausgangsspannung. Die häufigste Anwendung dieser Schaltung liegt in der Erzeugung einer höheren Betriebsspanung z. B. aus Batterien, oder die Erzeugung von 12V aus einer vorhanden 5V Quelle (z. B. USB). [Bearbeiten] 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 12V bei etwa 100mA aus einer Eingangsspannung zwischen 4 und 12V. Diese Spannung kann z. B. zur Programmierung eines EPROMs oder µCs (Vpp Spannung) verwendet werden. Da der Strom im Gegensatz zur Stepdown Schaltung nur impulsartig abgegeben wird, ist ein größerer Elko am Ausgang erforderlich. [Bearbeiten] StepUp Schaltungvariante 2 für mehr Strom
Es gibt eigentlich nur 2 Fälle in denen der Transistor sinnvoll ist:
Die Induktivität darf einen bestimmten Wert nicht überschreiten, um eine bestimmte Leistung übertragen zu können. Gemäß der Formel
kann man den Strom ausrechnen der bei einer bestimmten Frequenz maximal in der Spule auftreten kann, wenn der Strom zu Beginn 0 ist.
Und gemäß der Energie in der Spule
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 den 85% Tastverhältnis zu übertragen. Am Ende erhält man dann folgende Formel:
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. UIN ist dabei die Eingangsspannung, f die Schaltfrequenz des Wandlers und PAUS die Ausgangsleistung. Während im Normalbetrieb eine zu große Induktivität nicht stört, ist es hier dagegen also genau umgekehrt. [Bearbeiten] Invertierender WandlerEin invertierender Wandler erzeugt aus einer positiven Eingangsspannung eine negative Ausgangsspannung. Streng genommen handelt es sich um einen StepUp 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. [Bearbeiten] 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 dieser beim Einschalten quasi in Reihe zum MC34063 sitzt und dieser sich daher aus diesem mit Strom versorgen muss. [Bearbeiten] 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 aufwendig erzeugt wurde. Von den so erzeugen -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. [Bearbeiten] 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 vom 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 jedenfall nicht empfehlenswert. [Bearbeiten] 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 2 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. [Bearbeiten] Invertierende Schaltungsvariante 5 für bipolare Spannungen
Die letze 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 StepUp-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. [Bearbeiten] Weitere Anwendungen
[Bearbeiten] Wichtig zu wissen
[Bearbeiten] Vergleich 34063 vs. LM257xDer 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 wurden, 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. [Bearbeiten] Messung 1: 100 mA Last rot: Ausgangsspannung grün: Ausgangsripple  rot: Ausgangsspannung grün: Ausgangsripple [Bearbeiten] Messung 2: 50 mA Last rot: Ausgangsspannung grün: Ausgangsripple  rot: Ausgangsspannung grün: Ausgangsripple 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 aus. Ist die Eingangsspannung zu Beginn des Zyklus schon niedriger, ist der interne Transistor für eine ganze Einschaltdauer (0,85*Periodendauer) an. 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 an 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 Stepdownregler 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 Stepup 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 Stepup Modus zwingend erforderlich. [Bearbeiten] FazitFür 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), dann 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 den 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, dann erreicht er zumindest im Stepdown 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 ist, ist der Ripple für die Regelung des 34063 notwendig. Ohne diesen Ripple verhält sich der 34063 wie ein Zweipunktregler: Die Spannung pendelt zwischen 2 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). [Bearbeiten] Links
[Bearbeiten] Weblinks
[Bearbeiten] Werkzeuge
[Bearbeiten] SPICE ModelleFür den MC34064 gibt es brauchbare SPICE-Modelle.
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