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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Eingangs- und Ausgangsstromverlauf beim Step-down


Autor: Igor Metwet (bastel-wastel)
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Hab ne Frage zum Stromverlauf bei Step-Down Schaltungen:

Wenn der Schalter geschlossen ist, fließt der Strom durch Schalter, 
Spule und die Last. Ist der Schalter offen, lässt die Spule den Strom 
weiterfließen, wobei natürlich kein Eingangsstrom gezogen wird. Jetzt 
aber: Wenn der Schalter geschlossen ist der Eingangsstrom == dem 
Ausgangsstrom. Ist z.B. ein Netzteil vorgeschalten muss dieses dem DC/DC 
Converter genauso viel Strom geben, wie dieser rauslässt (natürlich nur 
Pulsweise). Das ist natürlich nicht besonders gut. Um die Spitzenströme 
klein und die Ströme gleichförmig zu gestalten bietet sich also ein 
LC-EIngangsfilten an.

Wie legt man die Grenzfrequenz im Verhältnis zur Schaltfrequenz des 
Schaltreglers aus? Aus meinen Simulationen werde ich nicht schlau, da 
dort schon die kleinste Drossel mit ELKO einen glatten Eingangsstrom 
hervorruft.

Autor: Peter Roth (gelb)
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Es ist auf jeden Fall ein Elko direkt am Schalttransistor. Mit dessen 
vielleicht 30mOhm ESR bekommst du bei 1A Schaltstrom 30mV 
Restwelligkeit.

Die kannst du dann mit L und C wegfiltern: grob gerechnet zum Beispiel 
2*PI*10µH = 3,14 Ohm. Mit einem weiteren Elko mit 30mOhm einfach als 
Spannngsteiler berechnet werden aus den 30mV dann etwa 0,3mV.

Die Stromschwankung im Eingang entspricht der Stromschwankung im Elko 
liegt dann noch bei 0,3mV / 30mOhm = 10mA.

Sehr vereinfacht, aber die Größenordnungen sollten stimmen.
In Schaltnetzteilen werden eben eher die ESR als die Kapazitätswerte zur 
Berechnung verwendet.

Grüße, Peter

Autor: Igor Metwet (bastel-wastel)
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Hallo Peter,
ich glaube ich habe mich falsch ausgedrückt.
hmm Beispiel wäre gut:

Eingangsspannung = 10V
Ausgangsspannung = 5V
Schaltzeit = 10µs

Lastwiderstand = 1 Ohm

Annahme: Verlustlose Wandlung.

Im geschlossenen Schalter fließen 5A. für 5µs. Für den offenen Schalter 
fließt natürlich kein Eingangsstrom, sondern nur der Strom von der Spule 
durch die Last. -> Energieerhaltungssatz bestätigt.

Der DC/DC-Konverter zieht also einen Eingangsstrom von 0A und 5A. (Ohne 
die Welligkeit durch die Spule zu beachten.)
Jetzt bräuchte ich aber ein Filter, der aus dem gepulsten Strom einfach 
einen "Gleichstrom" von 2,5A erzeugt, so dass das vorgeschaltete 
Netzteil keinen so hohen Spitzen-Strom abkönnen muss.

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Eingangsstrom von 0A und 5A.

Genau. Da im Beispiel das Tastverhältnis 50% beträgt, ist dieser Strom 
als so auf die Zeitachse "heruntergeschoben", dass er DC-frei wird:

Das ergibt einen Rechteckstrom von -2,5A (T ein) oder +2,5A (T aus).
Vorstellbar ist dieser Strom als Differenz zu dem im Transistor 
fließenden (0/5A) und dem konstanten Eingangsstrom von 2,5A (gemittelt).

Diese Differenz muss jetzt der von Peter angesprochen Kondensator am 
Eingang aufnehmen.

eingeschalteter Transistor:
 - EIngangsstrom 2,5A
 - Transistorstrom 5A.
=> Differenz: -2,5A, der Elko wird entladen.

eingeschalteter Transistor:
 - EIngangsstrom 2,5A
 - Transistorstrom 0A.
=> Differenz: +2,5A, der Elko wird geladen.

Dieser Strom von 2,5A erzeugt nach der bekannten Formel:
ic(t)    d_uc(t)
----- = ---------
  C        dt

einen (dreieckförmigen) Spannungsverlauf über sich, also als 
Eingangsspannung des Schaltreglers. Jetzt kannst du das nach uc 
umstellen, und mal mit Werten etwas spielen.

Das war aber der ideale Elko. Der reale hat, wie Peter ebenfalls 
angedeutet hat, einen in Reihe geschalteten WIderstand Resr genannt. 
Dieser lässt zusätzlich eine Spannung durch den Elko-strom abfallen.
- Diese ist "verloren" und deshalb sollte der Resr möglichst klein sein.
- Wie du schon festgestellt hast, spielt die Kapazität keine so große
  Rolle.

Wichtig ist noch folgendes zu beachten.
Ströme fließen immer in geschlossenen Stromkreisen. Die beiden hier 
vorkommenden hast du ja schon richtig dargestellt. Aber ein 
geschlossener Stromkreis ist immer eine Induktivität. Diese versucht, 
Stromänderunen (also das Schalten des Transistors und das übernehmen des 
Stromes durch die Diode/Elko) zu verhindern.
Somit muss so ein Schaltregleraufbau möglichst induktionsarm aufgebaut 
werden. Dazu gehören auch geeignete Elkos mit zB kurzen 
Anschlussbeinchen.

Autor: Peter Roth (gelb)
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@Igor Metwet (bastel-wastel)

Hast dich schon richtig ausgedrückt. Ich bin bei meiner Antwort vom 
konkreten Aufbau eines Abwärtswandlers ausgegangen.

In dem Schalter müssen ja nach dem Schließen gleich 5A fließen. Die 
müssen aus einem direkt dort angeschlossenen Elko kommen, andernfalls 
bricht die Eingangangsspannung zumindest kurzfristig ein.
Deine Filterbetrachtungen können erst ab diesem Elko einsetzen.

Ein reiner Entstörfilter würde gleich mit einer Drossel beginnen, das 
geht hier aber nicht, der Schalttransistor braucht die 5A, und zwar 
gleich.

Grüße, Peter

Autor: Peter Roth (gelb)
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Ach ja: die Berechnung der Stromwelligkeit der Speisung 
(Spannungsquelle) hängt von deren Innenwiderstand ab.
Wenn sie ständig versucht, die von mir oben berechnete Restwelligkeit 
von 30mV auszuregeln, fließt natürlich viel Wechselstrom.
Der Innenwiderstand der Speisung gehört also mit zur Simulation.

Grüße, Peter

Autor: Igor Metwet (bastel-wastel)
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Danke an euch beide!

Also reicht ein ELKO als Pufferung am Eingang? Wenn der Innenwiderstand 
des vorgeschalteten Netzteil jetzt sehr gering ist, dann hätte ich also 
die starken Pulsströme.
Kann ich für die Rechnung/Simulation also einen 
Innenwiderstand+Leiterwiderstand und einen Eingangskondensator als 
RC-Filter ansehen und berechnen? Die Größe des Cs muss ich also so groß 
wie möglich wählen, um den Stromripple am Eingang zu reduzieren.

Gibts noch einen weiteren Trick um dem Schaltnetzteil einen 
"Gleichstrom" "zuzuführen" oder ist ein großer eingangsseitiger ELKO die 
standardmäßige Vorgehensweise?

Autor: Peter Roth (gelb)
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@Igor Metwet (bastel-wastel)

Zusätzlich zu unserem ersten Elko eine Drossel mit ein paar µH und noch 
ein  low-ESR-1000µF-Elko, bevor es zum Netzteil geht, dann ist wirklich 
gut.

Wenn es dann irgendwann um die Funkentstörung (leitungsgebunden und 
abgestrahlt) geht, kümmern wir uns um die höheren Frequenzen :-)

Grüße, Peter

Autor: Igor Metwet (bastel-wastel)
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Hmm, dann würde aber eigentlich ein LC-Glied ohne vorgeschalteten 
Kondensator reichen. Das LC filtert ja die schnellen Stromanstiege 
heraus, so dass die Spannung am vorgeschalteten NT nicht zusammenbrechen 
sollte. Natürlich schadet es nicht - werde ich also einsetzen.

Zur Drossel nochmal: Berechnet man die Größe (Grenzfrequenz) oder nimmt 
man da Erfahrungswerte?

PS: Mir fehlt einfach die Erfahrung/Wissen um eine 
Schaltung/Leiterplatte EMV-gerecht zu designen. Ich verfüge auch nicht 
über das nötige Messequipment. Für die Heimanwendung zählt daher vor 
allem die Funktion ;-)

PPS: Danke nochmal für die Hilfe.

Autor: Peter Roth (gelb)
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Igor Metwet wrote:

> Hmm, dann würde aber eigentlich ein LC-Glied ohne vorgeschalteten
> Kondensator reichen.

Im Prinzip ja, da sich ein Kondensator sicher auch im Netzteil befindet. 
Aber es widerstrebt mir, eine Drossel einseitig offen zu lassen...

> Zur Drossel nochmal: Berechnet man die Größe (Grenzfrequenz) oder nimmt
> man da Erfahrungswerte?

Zum Basteln: Erfahrungswert und verfügbarkeit. Drossel kann 2 - 20µH 
sein.

Grüße, Peter

Autor: Igor Metwet (bastel-wastel)
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Alles klar - danke dir!!

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