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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Abwärtswandler- brauche Hilfe beim Schalter


Autor: Marc-philipp D. (seek4knowledge)
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Guten morgen, Freunde des fließenden Stroms ;-)

Ich habe folgendes Problem:

Zur Veranschaulichung der Arbeitsweise eines Abwärtspannungsreglers will 
ich einen solchen aufbauen.
Dazu habe ich folgenden Simulationplan (Simulationsplan ist beigefügt) 
bei P-Spice erstellt um zu sehen, ob die gesamte Schaltung meinen 
Anforderungen entspricht, an jedem Punkt der Schalutng die 
Spanungsverläufe auf ein Oszi geben zu können. Mein Ziel ist es, die 
Spannung des Subtrahierers  von Ua (Ausgangsspannung des 
Spannungswandlers) und einer Referenzspannung (beträgt 5V), sowie den 
Sägezahn und das darausfolgende PWM-Signal auf einem Oszi 
anzuzeigen...natürlich auch Ua..

Jetzt habe ich ein PWM- Signal erzeugt, welches eine Amplitude von knapp 
0V bis 5V hat...die Frequenz ist niedrig... liegt bei ca 2kHZ.

Als Schalter wollte ich ein MOSFET einsetzen, da dieses das PWM-signal 
am Eingang von der Drain/Source Strecke trennt, aber irgendwie schaltet 
er komplett die 10V Ue durch...dabei sollte er das PWM-Signal auf die 
10VUe bringen und zum Spannungsregler führen! Aber läuft irgendwie 
überhaupt nicht :-(

Da ich nicht soviel Praxiserfahrung habe, wende ich mich an euch :-)
Für eure Hilfe und Anregung bin ich euch schon im voraus sehr dankbar

Viele Grüße

Marque

Autor: mandrake (Gast)
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Na überleg mal wie deine Gate-Source-Spannung aussieht......

Deine Ansteuerung für den MOSFET wird nicht funktionieren.

Gruß

Mandrake

Autor: Dieter (Gast)
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Kannst Du nicht einen P MOSFET für diese Schaltung nehmen?

Autor: Marc-philipp D. (seek4knowledge)
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Danke für deine Antwort Mandrake,

Warum funktioniert die Ansteuerung nicht? Ich habe mich da an Vorgaben 
orientiert, die ich im Internet gefunden habe... und laut der Theorie 
die dabei zu lesen war, sollte es funktionieren.

Wenn ich ein Bipolaren Leistungstransistor nehme, würde es dann eher 
klappen?

Autor: Marc-philipp D. (seek4knowledge)
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Wenn Du mit P MOSFET einen PNP MOSFET meinst, dann habe ich ein P MOSFET 
schon in der Schaltung verwendet...

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Marc-philipp D. wrote:
> Wenn Du mit P MOSFET einen PNP MOSFET meinst,

Sowas gibt es nicht.  Es gibt nur p-Kanal- und n-Kanal-FETs, die
Schichtfolgen pnp und npn sind nur bei Bipolartransistoren
vorhanden.

> dann habe ich ein P MOSFET
> schon in der Schaltung verwendet...

Allerdings genau falschrum: Source muss an die positive Spannungs-
quelle, die Lastschaltung kommt dann von Drain an Masse.
Außerdem ist die Ansteuerschaltung für einen p-Kanal-FET nicht
sinnvoll gewählt: er erhält seine Ansteuerung durch R9 und R11
parallel (warum zwei Widerstände?), d. h. relativ langsam durch
die Zeitverzögerung mit der RC-Konstante dieser Widerstände und
der Gate-Source-Kapazität.  Der npn-Ansteuertransistor nimmt dann
die Ansteuerung weg, statt sie zuzuschalten.

Sinnvoller ist es, die Ansteuerung mit dem Kollektor des
npn-Transistors gegen das Gate des p-Kanal-FETs vorzunehmen, und
ihm von Gate nach Source einen Ableitwiderstand anzubringen, der
beim Abschalten des Transistors die Ladung aus dem Gate ausräumt.
(Dieser Widerstand verbraucht natürlich dann in der aktiven Phase
Wirkleistung, aber wenn du das nicht willst, brauchst du eine
aktive Gate-Ansteuerschaltung.)

Autor: Marc-philipp D. (seek4knowledge)
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Vielen Dank für deine Nachricht, Jörg!! Werde ich gleich mal 
ausprobieren!

Der Parallelwiderstsnd rührt daher, dass ich durch den R9 eine 
Rückkopllung zur Stabilisierung der Transistorschaltung einbauen wollte 
und der R11 sollte als LAstwiderstand die Spannung des PWM- Signals auf 
meine vorher bestimmten Werte bringen. Denn aus dem vorhergeschalteten 
OPV, in den der Sägezahn und die Spannung aus dem Subtarhierer hinein 
läuft, kommt ein PWM-Signal welches Umin bei ca. 1V, und Umax bei ca. 
14V hat. Ich wusstre nicht, dass das solche Auswirkungen haben kann, da 
ich die Schaltungssegmente ein bisschen getrennt voneinander berechnet 
hatte.

Aber jetzt probiere ich mal mit dem Ableitwiderstand von Gate zur Source 
es zum laufen zu bekommen.

Autor: Marc-philipp D. (seek4knowledge)
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Jörg, sollte ich denn trotzdem den WIderstand R9 zur Stromgegenkopplung 
beibehalten?

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Marc-philipp D. wrote:

> Jörg, sollte ich denn trotzdem den WIderstand R9 zur Stromgegenkopplung
> beibehalten?

Nein, hat keinen Sinn.  Du solltest stattdessen (und statt R6 und R7)
einen Basisvorwiderstand einbauen, der den Basisstrom auf ein für den
OPV sinnvolles Maß begrenzt.

Autor: Marc-philipp D. (seek4knowledge)
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Ich habe deine Anregungen mal in die Tat umgesetzt, aber irgendwie 
verzerrt das mein PWM- Signal... es kann sein, dass ich deine Idee mit 
dem Kollektor zum Gate zu verbinden falsch verstanden habe... Soll ich 
den Transistor dann als Emitterschaltung, also an dem Kollektor 
abgegriffen, vor dem Fet schalten?
Habe ich mal ausprobiert, aber hat nicht wirklich was gebracht :-( Das 
FET wird immer noch schlecht angesteuert :-( (also schaltet noch nicht 
das Eingangssignal Ue wie es sollte)

Und, da ich mit MOSFET mich nicht gut genug auskenne, frage ich mich 
gerade welche Paramter ich bei dem bestimmen des Widerstandes von Gate 
zur Source berücksichtigen muss... da ist einmal die Spannung un der 
Strom vom PWM- Signal... UGS und Ue...
Kannst Du mir da vielleicht auch nochmal ein Tipp geben? ;-) Ich glaub 
ich weiß gar nichts mehr... Oh man, ich bin so dankbar für eure Hilfe!!!

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Marc-philipp D. wrote:

> Ich habe deine Anregungen mal in die Tat umgesetzt, aber irgendwie
> verzerrt das mein PWM- Signal... es kann sein, dass ich deine Idee mit
> dem Kollektor zum Gate zu verbinden falsch verstanden habe... Soll ich
> den Transistor dann als Emitterschaltung, also an dem Kollektor
> abgegriffen, vor dem Fet schalten?

Nicht wirklich ,,abgegriffen'', sondern der Kollektor geht direkt
ans Gate des FETs.  OK, ist schon eine Emitterschaltung, der
Kollektorwiderstand (Arbeitswiderstand) ist dann der von Gate nach
Source (= positive Spannungsquelle) des FETs.

> Habe ich mal ausprobiert, aber hat nicht wirklich was gebracht :-( Das
> FET wird immer noch schlecht angesteuert :-(

Ich habe es jetzt auch mal simuliert.  Leider hat sich Qucs irgendwie
bockig gehabt, dort bin ich bei der Transientensimulation immer wieder
in eine singuläre Matrix gerannt (gibt's hier jemanden, der schon mal
erfolgreich mit Qucs Transientensimulationen gemacht hat?).  Da habe
ich zum Klassiker ngspice gegriffen und es dort simuliert.  Leider
habe ich dafür nun kein Schaltbild zum pos(t)en, falls du irgendwo
eine Spice-Netzliste importiert bekommst und dir als Schaltung
anzeigen lassen kannst, hier mein Modellaufbau:
* switchmode test

.include irf9130.spi
.include 1n5817.mod
.include 2n708.mod

vin     1       0       4v

xq1     2   10  1       IRF9130
rgs     10      1       1kOhm

rg1     10      11      10Ohm
q1      11  12  0       Q2N708
rb1     12      13      1kOhm
vsw     13      0       pulse(0 5 0 10ns 10ns 10us 200us)

d1      0       2       D1N5817

l1      2       21      100uH
rl1     21      3       3Ohm

c1      3       0       315uF ic=0V

rl      3       0       100Ohm

.tran   1us    100ms    uic

Die drei aktiven Bauelemente habe ich jeweils mit realen Modellen
simuliert.  xq1 ist dabei der p-Kanal-FET (ist ein komplexes Modell,
das als subcircuit realisiert ist, daher "x" im Namen), das Modell
gibt's bei IRF.  An Knoten 1 liegt die Eingangsspannung von 4 V an,
das ist zugleich das Source des FETs.  Dessen Gate-Source-Strecke ist
mit einem Widerstand von 1 kOhm gebrückt, der die Entladung der
Gatekapazität beim Abschalten vornimmt.

Die Lastschaltung ab d1 entspricht deiner Schaltung, wobei ich als
fiktive Last einen rl = 100 Ohm drangehängt habe.  Knoten 3 ist der
Ausgangsknoten.  Ich habe zur Verbesserung des Spulenmodells noch
einen Verlustwiderstand von 3 Ohm in Reihe geschaltet.  (Man müsste
wohl auch noch ein paar pF als Kapazität drüber legen, um die
Eigenresonanzeffekte der Spule simulieren zu können.)

Die Ansteuerung des Gates übernimmt ein ,,klassischer'' 2N708, dessen
Basis über 1 kOhm (rb1) von einer Rechteckquelle mit 5 V Amplitude und
200 µs Periode (also 5 kHz) angesteuert wird.  In dieser Simulation
ist die Einschaltdauer dabei 10 µs, das Tastverhältnis also 1:20 oder
5 %.

Knoten 2 ist das Drain des FETs, verbunden mit der Diode und der
Spule.

Deine 315 µF für den Siebkondensator habe ich mal gelassen, obwohl ich
sie für unrealistisch groß halte.

Das Simulationsbild zeigt die folgenden Ergebnisbilder:

Links oben die Ausgangsspannung v(3) über die komplette
Simulationsdauer, rechts daneben die Eingangsspannung des
Schaltgliedes v(2).

Direkt darunter jeweils ein Ausschnitt daraus.  Bei v(2) ist er aus
dem Bereich, da der Kondensator noch in der Ladephase ist (noch kein
Gleichgewicht), gegen Ende der Simulation geht die Welligkeit (ripple)
dann auf ca. 8 mV zurück.  Bei v(3) habe ich zur Verdeutlichung nur
noch eine Periode rausgepickt.  Es ist deutlich das Einschalten des
FETs zu erkennen (die Spannung geht auf 4 V hoch), es ist auch zu
erkennen, dass das Ausschalten geringfügig langsamer ist (Einschalten
in 700 ns, Ausschalten innerhalb von 1,8 µs).  Danach geht die
Spannung leicht ins Negative (Flussspannung der Schottky-Diode), um
abschließend in einer gedämpften Schwingung auszuschwingen.  Den
Anfang der gedämpften Schwingung siehst du rechts unten nochmal.

Links unten schließlich die Gate-Ansteuerspannung des FET.  Man sieht,
dass das Zuschalten schlagartig erfolgt, während das Abschalten durch
die Zeitkonstante der Gatekapazität mit dem 1-kOhm-Widerstand bestimmt
wird.  Falls du in der Schaltfrequenz höher gehen willst, könnte die
Abschaltphase dieser einfachen Ansteuerung mit ihrer Dauer von 2...3 µs
in der Tat schon zu zu großen Verlusten führen.  Den Widerstand rgs
kann man sicher noch bis 100 Ohm verkleinern, aber dann fließen im
eingeschalteten Zustand durch ihn schon 40 mA.  Wenn das nicht genügen
sollte, braucht man eine aktive Gate-Ansteuerschaltung.

Autor: Marc-Philipp Dürwald (Gast)
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Jörg, also ehrlich: VIELEN VIELEN HERZLCIHEN DANK FÜR DEINE HILFE!!!!!

Ich bin sprachlos, dass Du dir diese Mühe gemacht hast, aber Du hast mir 
wirklich sehr geholfen! Denn alleine wäre ich auf dieses Zusammenspiel 
der einzelnen Segmente nicht gekommen...dazu fehlt mir die 
schaltungstechnische Erfahrung!

Gut, dass Du ein Blick auf meine Anfrage geworfen hast ;-))

Nochmals vielen Dank!

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Bitte sehr, es hatte mich einfach selbst interessiert, wie weit so
eine einfache Ansteuerung geeignet sein könnte, die Aufgabe zu
lösen.  Und mal wieder zu simulieren, macht ja ohnehin Spaß. ;-)

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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OK, mich hat nun auch die Qucs-Simulation nochmal hinreichend
interessiert.  Deren Verfahren ist ja ein ganz anderes als bei
Spice, und es scheint verfahrensbedingt anfällig gegen
Oszillationseffekte zu sein.  Hier im Anhang erstmal die
Schaltung.  Die Benennung der Elemente habe ich genau so
vorgenommen, wie in obiger Spice-Netzliste.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Hier die Simulationsergebnisse.  Leider war die Simulation nach
35 ms wieder in ein `Jacobian singular' gelaufen, eigentlich wollte
ich 100 ms simulieren wie im Spice.  Aber ansonsten sind die
Ergebnisse vergleichbar mit der Spice-Simulation.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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So allmählich begreife ich die Simulationsparameter von Qucs, wie's
scheint.  Nun ist mir noch eine komplette Simulation aller 100 ms
gelungen, ohne in das berüchtigte Jacobian singular zu laufen.  Hier
also nochmal paar Diagramme, wie Qucs es simuliert, stimmen eigent-
lich im Wesentlichen mit denen von NGspice überein.

Autor: Jaz (Gast)
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Hallo, ich hab auch mal ne Frage zum Schaltnetzteil.

Kann ich nicht statt des P-Kanal Mosfet ein N-Kanal nehmen.
Komparatorausgang mit PullUp versehen und direkt ans MOSFET Gate, Source 
an die Spule und Drain an VCC.

Dann spar ich mir doch den Bipolartransistor und belaste den OP Ausgang 
nicht.

Oder hab ich da was nicht berücksichtigt?

Viele Grüße

Autor: BMK (Gast)
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Nee, so einfach geht das nicht.

Ein P-Kanal wird mit -Ugs angesteuert (ist hier vorhanden)
und ein N-Kanal mit +Ugs

Wenn also der N-Kanal in der + Leitung liegt,
müsste er mit einer Spannung angesteuert werden,
die etwa 10V über der + Leitung liegt.

Also separate Hilfsspannung erzeugen oder mit
einem High-Side Treiber (Ladungspumpe) arbeiten.

Alles zuviel Aufwand...........

Autor: Jaz (Gast)
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Ah hab kapiert, danke...

Die Daten meiner Schaltung:

Vcc=10V
Ua=~0V..10V mit Poti einstellbar

hatte source des schalter mosfets an der spule zu ua... pwm kommt mit 
ca. 10V vom Komparator, hatte Ua < 5V Simuliert da hats funktioniert, 
über 5V dann natürlich nimmer weil Ugs nimmer groß genug war. Danke für 
die Info.

Hab das ganze jetzt so wie im Bild gemacht... meint ihr das wird 
funktionieren? PWM kommt mit ca. 10V an M1 der zieht die Ugs von M2 auf 
-10V dadurch schaltet er.
Kleines Problem(?) ist dass durch den R7 die Gate Platte von M2 recht 
langsam geladen wird und bei schneller PWM die Schaltimpulse net schön 
steil sind.

Meint ihr das kann so funktionieren?

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