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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik PWM mit Spule glättem


Autor: Karl-Alfred Römer (Gast)
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Hallo zusammen,

ich habe gerade etwas komisches entdeckt:
Ich erzeuge ein PWM-Signal. Ungefähr 1:1 Phasendauerverhältnis.
Vorne stecke ich 12 V hinein. Hinter dem MOSFET, der durch
einen MEGA8 mit ungefähr 2000 Hz auf und zu geschaltet wird,
hängt eine Glühbirne mit 5Watt und in Reihe zur Glättung eine
Frequenzweichen-Luftspule unbekannter Induktivität(aber ein
dicker Oschi, schätze mal 200g Masse)

Ja, ich weiß, das macht keinen Sinn, den Glühlampen ist es
egal, ob sie PWM oder konstante Spannung bekommen.  Geht auch
erst mal nur ums Prinzip.

Ohne die Spule war das Signal auf dem Oszi ein fast perfektes
Rechteck-Signal. Mit Spule war das Rechteck komischerweise nicht
verwaschen, so wie ich es erwartet habe, sondern es war immer noch
Rechteckig, aber an der abfallenden Taktflanke gibt es einen scharfen
Peak. Ich kann meinen Oszi garnicht so einstellen, dass ich den Peak
komplett auf dem Bildschirm habe, so groß ist seine Amplitude.

Ich weiß, dass es sowas wie Selbstinduktion gibt. Zündspulen an
Autos arbeiten ja auch nach dem Prinzip. Aber obige Schaltung ist
doch genau das gleiche, wie wenn man einen Tieftonlautsprecher
über eine 6db-Weiche, die ja auch nur eine Spule ist, an einen
Verstärker anschließt. Wenn man Rechtecksignale auf den Verstärker
gibt: Gibt es dort auch solche Wahnsinns Selbstindukionen? Macht
das den Hochtönern nichts aus? (Synthesizser und verzerrte Gitarren
machen ja auch teilweise Rechtecke)

Und: Wie bekomme ich die Spitzen in meinem Fall beseitigt?
Ich wollte ja eigentlich nur aus dem Rechtecksignal eine
halbwegs geglättete Gleichspannung machen.

Danke für Eure Erklärungen meines Phänomens.

VG
Karl

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Hast du nur einen Mosfet (also open collector) oder hast du eine 
Halbbrücke (ein Mosfet gegen GND, einer gegen 12).
Ich vermute mal ersteres. Eine Endstufe dagegen ist zweites.

Autor: Igor Metwet (bastel-wastel)
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Die Spule speichert Energie und will den Strom beim Abschalten des 
MOSFETs aufrecht erhalten. Da dieser sperrt steigt die Spannung auf 
einen sehr hohen Wert. So etwas darf man eigentlich nicht machen, da der 
MOSFET dabei früher oder später stirbt. Du musst noch eine Freilaufdiode 
verbauen. Diese musst du parallel zur Spule anschließen. Natürlich mit 
der Kathode an den positiv angeschlossenen Pol der Spule. Such mal im 
Netz nach Freilaufdiode - da siehst du´s dann.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Karl-Alfred Römer (Gast)

>hängt eine Glühbirne mit 5Watt und in Reihe zur Glättung eine
>Frequenzweichen-Luftspule unbekannter Induktivität(aber ein

Naja, ich denke mal im Prinzip wie eine Relaisspule angesteuert.
Und das ist iohne Freilaufdiode nicht sonderlich gut.

>Rechteckig, aber an der abfallenden Taktflanke gibt es einen scharfen
>Peak.

Logisch, der Strom wird abgeschaltet, das erzeugt die hohe 
Induktionsspannung.

>doch genau das gleiche, wie wenn man einen Tieftonlautsprecher
>über eine 6db-Weiche, die ja auch nur eine Spule ist, an einen
>Verstärker anschließt.

Kaum. Der Derstärker arbeitet linear, nicht digital. Er macht ganz 
sicher keine scharfen Rechtecke, eher "zügige" Spannungsanstiege. Und er 
hat einen  Push-Pull Ausgang. D.h. u.a, dass der Strom immer fleissen 
kann, auch wenn sich die Spannung ändert. Das ist bei deinem einfachen 
MOSFET nciht der Fall.

> Wenn man Rechtecksignale auf den Verstärker
>gibt: Gibt es dort auch solche Wahnsinns Selbstindukionen?

Selten.

>Und: Wie bekomme ich die Spitzen in meinem Fall beseitigt?

Freilaufdiode parallel zur Spule.

Relais mit Logik ansteuern

Der Artikel behandelt zwar ein scheinbar anderes Thema, passt hier aber.

>Ich wollte ja eigentlich nur aus dem Rechtecksignal eine
>halbwegs geglättete Gleichspannung machen.

Das macht man aber anders. Mit einem LC-Filter. Und dazu hat jeder DC-DC 
Wandler eine Freilaufdiode.

MFG
Falk

Autor: Karl-Alfred Römer (Gast)
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Danke für Eure Hinweise. Habe nun mal eine Diode antiparallel zum 
PWM-Ausgangssignal angeklemmt und siehe da: Der Peak ist verschwunden.
Durch euch, weiteres Googeln und scharfes Nachdenken habe ich sogar
verstanden, warum der Peak zustande kam und nun verschwunden ist:)))

Die Luftspule unbekannter Induktivität macht aus meinem 30KHz PWM
Signal nun so etwas ähnliches wie ein Haifischflossen-Dreiecks
-Signal, dessen Amplitude zwischen 4 und 8 Volt oszilliert. Nun
würde ich gerne die Spannung noch konstanter machen. Etwa +/-0,25V.

Was kann ich tun:
1. Die Induktivität erhöhen. Habe einen Eisenkern (alte Schraube)
in die Spule gesteckt. Das hat schon mal die Spannungsschwankung
bei angeschlossener Schaltung auf 5-7V reduziert.
2. Die Schaltfrequenz erhöhen. Leider sind meine MOSFETS bisschhen
langsam, so dass die EIN und AUSSchaltphasen dann den schönen
Wirkungsgrad kaputt machen. Würde lieber noch weiter runter takten.
3. Einen Kondensator hinter die Spule parallel zur Last schalten.
Damit hätte ich quasi eine 12db Weiche.

Das blöde ist: Es kann mal sein, dass von den belastetenden
Schaltungen zwischen sagen wir mal 6 und 15 parallel geschaltet
werden. Und die Dimmensionierung von Spule und Induktivität hängt
aber vom Lastwiderstand ab. Man kann Spule und Induktivität alsog
garnicht richtig berechnen. Höchstens vielleicht auf einen Mittel
wert von 10 Schaltungen optimieren und dann mit schlechterer
Glättung bei mehr oder weniger Belastung leben. Das ginge eigentlich
noch.

Wenn ich die Induktivität erhöhe: Wo bekomme ich Drosselspulen
mit geringem Innenwiderstand und trotzdem hoher Induktivität her?
Die Stromstärke beträgt übrigens maximal 0,6 A. (wenn 15 Last-
schaltungen hinten parallel geschaltet werden. Wäre gut, wenn
der Innenwiderstand im Bereich unter einem Ohm wäre.

Dann wäre noch die Freilaufdiode, durch die in über der hälfte
der Zeit 0,7V abfallen. Hm.

Gibt es eigentlich günstig fertige Step-Down- Wandler die sagen
wir bis zu 1A liefern, deren Eingangsspannung 11-14V betragen
kann und die Ausgangsspannng einstellbar ist von sagen wir 4,5-
6V? Und die dabei noch einen sehr guten Wirkungsgrad von über
sagen wir 80% hat? Und das ding sollte am Ausgang möglichst
noch kurzschlussfest sein. Letzteres ist aber kein MUSS.

Danke nochmal für Eure Hilfe:)

Autor: Andreas K. (a-k)
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Karl-Alfred Römer wrote:

> Gibt es eigentlich günstig fertige Step-Down- Wandler die sagen
> wir bis zu 1A liefern, deren Eingangsspannung 11-14V betragen
> kann und die Ausgangsspannng einstellbar ist von sagen wir 4,5-
> 6V?

LM2575-ADJ.

Oder LM2675 für hohen Wirkungsgrad und kleinere Drossel. Aber bei 260KHz 
statt 52KHz deutlich kritischer in Komponenten, Layout und EMV.

Oder meinst du mit "fertig" alles zusammen im Modul?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Karl-Alfred Römer (Gast)


>Signal nun so etwas ähnliches wie ein Haifischflossen-Dreiecks

Haifischflosse klingt nach Sättigung der Spule, nicht gut. Aber ein 
LUFTspule kann nicht sättigen. ???

>Was kann ich tun:

Informier dich mal WIRKLICH über Schaltregler und wie sie aufgebaut 
werden.

>1. Die Induktivität erhöhen. Habe einen Eisenkern (alte Schraube)
>in die Spule gesteckt. Das hat schon mal die Spannungsschwankung
>bei angeschlossener Schaltung auf 5-7V reduziert.

Eisenschrauben und Schaltregler passen keine Sekunde zusammen. Stichwort 
Wirbelsttröme. Das ist selbst bei 50 Hz ein Problem, deshalb sind die 
Trafokerne aus dünnen, Isolierten Blechen aufgebaut.

>3. Einen Kondensator hinter die Spule parallel zur Last schalten.
>Damit hätte ich quasi eine 12db Weiche.

Nöö, ein LC Filter.

>Das blöde ist: Es kann mal sein, dass von den belastetenden
>Schaltungen zwischen sagen wir mal 6 und 15 parallel geschaltet
>werden. Und die Dimmensionierung von Spule und Induktivität hängt
>aber vom Lastwiderstand ab. Man kann Spule und Induktivität alsog
>garnicht richtig berechnen.

Und ob!

> Höchstens vielleicht auf einen Mittel
>wert von 10 Schaltungen optimieren und dann mit schlechterer
>Glättung bei mehr oder weniger Belastung leben.

Quark.

>Wenn ich die Induktivität erhöhe: Wo bekomme ich Drosselspulen
>mit geringem Innenwiderstand und trotzdem hoher Induktivität her?

Eisenkarl. Oder Obi ;-)

>Dann wäre noch die Freilaufdiode, durch die in über der hälfte
>der Zeit 0,7V abfallen. Hm.

Das passt schon, wenn sie an der RICHTIGEN Stelle sitzt.

>Gibt es eigentlich günstig fertige Step-Down- Wandler die sagen
>wir bis zu 1A liefern, deren Eingangsspannung 11-14V betragen
>kann und die Ausgangsspannng einstellbar ist von sagen wir 4,5-
>6V?

Logisch. Tonnenweise.

> Und die dabei noch einen sehr guten Wirkungsgrad von über
>sagen wir 80% hat? Und das ding sollte am Ausgang möglichst
>noch kurzschlussfest sein. Letzteres ist aber kein MUSS.

Gibts alles, aber nciht für einen Euro.

MFG
Falk

Autor: JensG (Gast)
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also wenn Du IC's suchst, dann haste bei Tante Reichelt eine Auswahl, 
wenn Du nach Schaltregler suchst.

Autor: Karl-Alfred Römer (Gast)
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Nochmals Danke für eure technischen Zurechtweisungen. Habe bei
Tante Reichelt nach Schaltregler gegoogelt und tatsächlich eine Menge
brauchbarer und günstige Exemplare gefunden.

Der LM 2576 T-ADJ  scheint wohl das ultimative Gerät zu sein. Voll
einstellbar und Wirkungsgrade von 75 bis 85% zu erwarten.

Dazu hätte ich aber gleich eine Frage:
Auch dieser Spannungsregler braucht ja eine Freilaufdiode.
Und dort fallen ja die bekannten 0,2-0,7 V, je nach Diode ab.

Nun frage ich mich, ob der angegebene Wirkungsgrad die Verluste
in der Freilaufdiode und der Spule bereits berücksichtigt oder
ob die den Wirkungsgrad nochmals verschlechtern. Weil 0,7 von
5 Volt ist ja schon ne ganze Menge Holz.

Irgendwo gab es mal eine Schaltung, bei der ein Verplungschutz
mit einem MOSFET realisiert wurde. Wenn ich mir vorstelle, dass
einige MOSFETS nur wenigen MilliÖhmchen haben. Der Mosfet wirkte
wie eine Diode. Falls einer weiß, was ich meine, kann man mit
dieser Schaltung eventuell die Freilaufdiode erstetzen?

Der hohe Wirkungsgrad ist mir deshalb so wichtig, weil mein
Verbraucher an einer Batterie hängt, und die halt teuer sind.

Autor: Sven P. (haku) Benutzerseite
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Jetzt mal ohne den ganzen Fred gelesen zu haben:
"PWM mit Spule glätten"

Is das nich irgendwie, naja, ----->!<----- ? Ich mein, PWM schaltet 
schnell ein und aus, und dadran noch ne Spule, gibt das nich 
Spannungsspitzen ohne Ende?

Autor: Andreas K. (a-k)
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Karl-Alfred Römer wrote:

> Nun frage ich mich, ob der angegebene Wirkungsgrad die Verluste
> in der Freilaufdiode und der Spule bereits berücksichtigt

Ich hatte es bei einem LM2575 mal nachgemessen und zusammen mit einer 
Schottky-Diode passte es zum Wert im Datasheet.

Autor: Andreas K. (a-k)
Datum:

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Karl-Alfred Römer wrote:

> Der hohe Wirkungsgrad ist mir deshalb so wichtig, weil mein
> Verbraucher an einer Batterie hängt, und die halt teuer sind.

Dann könnten die LM267x interessant sein. Aber pass ein bischen auf 
Komponenten und Layout auf, die Störungen eines 260KHz Switchers sind 
EMV-seitig weitaus kritischer als die eines 52KHz-Switchers.

Autor: Igor Metwet (bastel-wastel)
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So eine pauschale Angabe des Wirkungsgrades ist halt nur ungefähr. Es 
kommt eben auch auf die verwendeten Komponenten an. Bei der ADJ Version 
sollte die Ausgangsspannung auch eine wichtiger Faktor sein. Umso 
geringer die Ausgangsspannung ist, desto mehr fällt der Spannungsabfall 
der Diode ins prozentuale Gewicht.
Wichtig ist halt, dass eine Schottky-Diode mit niedrigem 
Spannungsabfall, eine passende Specherdrossel mit geringem 
Innenwiderstand und am besten ein ELKO mit einem niedrigen ESR verwendet 
wird. Dann sollte der Wirkungsgrad auch gut werden.

Autor: Karl-Alfred Römer (Gast)
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Ich nehme an, dass bei meinen niedrigen Spannungen die Freilaufdiode
den meisten Wirkungsgradverlust bedeutet. Man könnte diese doch durch
einen Schalter in Form eines MOSFET (gibt ja schon welche mit 2 
Milliohm)
der immer dann öffnet, wenn der PWM-Ausgang abgeschaltet wird und 
umgekehrt.
Die Spule mit den paar MikroF kann man ja aus dickerem Draht wickeln.
Wegen des ESR von Kondensatoren muss ich erst mal nachgoogeln, was das
das überhaupt ist.  Macht der ESR viel aus?

Was für ein Wirkungsgrad wäre bei einer Wandlung von sagen wir 12V
auf 4,5V überhaupt möglich, wenn man alle für sagen wir 20 Euro
verfügbaren Techniken einsetzen würde? Wären 95% drin?

Autor: jens (Gast)
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Vielleicht ist der TPS62110 ja was für dich.

http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tps62110.html

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Die Spule mit den paar MikroF kann man ja aus dickerem Draht wickeln.

Hm.. Da musst du aufpassen, Drahtstärken (viel) größer als r >= 
55/sqrt(f) machen wegen dem Skineffekt nicht wirklich viel Sinn.

Autor: Karl-Alfred Römer (Gast)
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Dass es einen Skin-Effekt gibt, wusste ich ja schon. Aber dass der
bereits bei so geringen Frequenzen wirkt, hätte ich nicht vermutet.

@Jens
Der TPS62110 wäre schon super. Aber wo kann man den in D kaufen?
Importieren oder Sample-Bestellung habe ich noch nie gemacht.

Vielleicht begnüge ich mich ja auch mit dem LM2576 ADJ von Tante
Reichelt. 75% Wirkungsgrad ist immer noch weit besser als die 33
%, die im Moment in Betrieb sind.  (4V LED-Schaltung an 12 V über
dicke Vorwiderstände)

Autor: jens (Gast)
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