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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Vielleicht schaut mal wer drüber


Autor: Leo B. (luigi)
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Servus,

also da ich nun mit meinem alten PC-Netzteil als Stromversorgung bei 
Tests abgeschlossen habe, möcht ich mir nun ein Labornetzteil bauen.

Im Anhang ist eigentlich nur ein Ausschnitt aus meinem Schaltplan, aber 
das ist der Teil, bei dem ich mir am unsichersten bin.
Ausgeben soll das Abgebildete eine Ausgangsspannung von 0-30V mit 
strombegrenzung von 0-3A

Ich beschreib mal ein wenig, damit man überhaupt was versteht.

Vorerst ein paar "Verhältnisse" und Werte:
R10 = R7
R1 ~0R33
R2 ~10k
R3 ~100R
R4 ~1M
R5 = R6 << R8 ~100k

Grundsätzlich besteht die Schaltung aus einem Step-down-Wandler (IC1, 
z.B. bei Reichelt: LM 2576 T-ADJ). Dazu gehören dann C4, D1, L1 und C1. 
L2 und C2 dienen nur der Glättung der Ausgangsspannung.
Bei L1 und L2 dachte ich etwa an soetwas wie < Bürklin: 73 D 9412 (22 
µH, 3,60 A, 0,038 Ohm) >
C1 und C2 sollten diese werden: Bürklin: 11 D 5028 (1000 µF, 35V)
Die Shottky-Diode sollte dann wieder vom Reichelt kommen (Artikel-Nr.: 
SB 560)

So nun wird der Step-Down-Wandler aber nicht ganz normal beschaltet, 
sondern der Feedback-Eingang wird zum Spannungstellen verwendet.
Die Regelung des "pseudo-Feedback" übernimmt der Operationsverstärker 
IC2A.
Dazu wird am invertierenden Eingang (wegen der begrenzt erlaubten 
Eingangsspannung und dem einfriemeln der Strombegrenzung) die halbe 
Wunsch-Ausgangsspannung abzüglich 0,7V angelegt. Am nicht invertierenden 
Eingang erscheint dann die halbe Ausgangsspannung abzüglich 0,7V. Damit 
dies alles nicht ins Schwingen gerät soll C5 den OP ein wenig 
einbremsen.

Nun zum Stromlimiter: Gemessen wird dabei über R1 am positiven Ausgang, 
und nicht auf der Masseleitung, da diese mit anderen Spannungen 
gemeinsam genutzt wird und 0,00V beragen muss!
Den Maximal erlaubten Sapnnungsabfall stellt man dabei mit R2 ein, über 
den dank D2 und D3 1,4V anliegen. R4 dient nur als Trimmung und wird auf 
~50% eingestellt.
C3 soll wieder nur Schwingungen dämpfen.

Simulation zum Verständnis:
Bedingungen: 20V Ausgangspannung bei zunehmender Strombelastung bis in 
den Begrenzer. R2 (Stomlimmiter steht auf 50%)

Bei 20V liegen über R5 un R6 je 10V an. Über R1 liegt noch nahezu keine 
Spannung an. Über R2 liegen IMMER 1,4V an. Folglich liegen über R3 
18,6V.
Über R4 liegt nun eine Spannung von 19,3V, was am positiv-Eingang von 
IC2B ein Spannung von 9,65V bedeutet. Am negativen Eingang liegen aber 
die 10V an, was zu einem Negativausschalg des OPs führt.
Bei IC2A liegen an den Eingängen je ~10V an. Sodass der Ausgang ziemlich 
sauber auf die erzielte Feedbackspannung aussteuert.
Nun steigt der Strom. Die Spannung über R1 steigt, wodurch die Spannung 
über R3 und R4 steigt. Alles kein Problem bis die Spannung über R4 
gleich der Ausgangsspannung ist, denn dann liegt an beiden Eingängen von 
IC2B die selbe Spannung an. Steigt der Strom nun nur einen kleinen tick 
weiter, wird die Ausgangsspannung von IC2B positiv. IC2A und in der 
Folge auch IC1 wird nunn eine zu hohe ausgangsspannung vorgegaukelt.
-> Die Spannung sinkt.
Ohne limit bis auf 0V.

Hoffentlich versteht irgend jemand was ich meine und kann schöne 
(fachliche) Kritik liefern.
LG

PS: ich weiß völlig verplant geschrieben, aber ich sitz jetz schon seit 
rund 6 Stunden vorm PC mit lauter solchen sachen. Ich kann nicht mehr 
geradeaus denken. Sorry

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Hans,

fangen wir mal rückwärts an:
Der Schaltregler will die Spannung erhöhen, wenn sein Feedbackeingang 
auf mehr als 1,25V ist, sonst hört er mit Schalten auf.

IC2A soll anscheinend dafür sorgen, daß der Schaltregler keinen weiteren 
Strom liefert:
- bei zu hohem Laststrom (Stromfluß über IC2B, D4, R8) und
- bei zu hoher Ausgangsspannung (Stromfluß über R5, D5, R8)
Dann liefert er ein hohes Potential am Ausgang.
Ansonsten soll er ein niedriges Potential am Ausgang liefern.

Sofern die Strombegrenzung gerade nicht aktiv ist (IC2B=HIGH bei 
Strombegrenzung), ist das Potential an R8 die halbe Ausgangsspannung 
abzüglich einer Flußspannung. Die Vergleichsspannung stellst Du an R7 
ein. IC2A macht dann eine Zweipunktreglung - das sollte funktionieren. 
R7*C5 sagt, wie schnell der Regler bei einer Änderung der Sollspannung 
nachregelt.

Die Strombegrenzung sollte prinzipiell auch funktionieren. Sie wird 
aktiv bei IC2B=HIGH. Ich frage mich allerdings, ob R3=100R eher eine 
Heizwendel ist (jetzt beginnt ja bald die kalte Jahreszeit - da macht 
sich das recht angenehm), oder ob Du doch an einen Deckenfluter gedacht 
hast (dazu ist die Leistung etwas zu gering). Auf jeden Fall wird's 
warm:
U3 = (Ua-2UF) = (30V-1,4V) = 28,6V (maximum)
I3 = 28,6/100 Ohm = 2,86 A
;-)

Bezüglich C3 und insbesondere C5 bin ich mir unschlüssig, da ich keine 
Erfahrung mit den Größenordnungen habe. Hast Du mal abgeschätzt, ob Du 
Dir dadurch irgendeine Resonanzerhöhung der Ausgangsspannung einfängst?

So ein Regler ist ja letztlich immer irgendwie ohmsch-induktiv:
Erst geht die Spannung runter, dann merkt das die Regelschleife (mit der 
durch C3 und C5 eingestellten Verzögerung) und erst dann beginnt der 
Schaltregler mit dem Nachliefern des Stromes. (--> Strom geht nach, also 
ohmsch-induktiv). Du hast dadurch zusätzlich zum Innenwiderstand eine 
"Inneninduktivität".


Serienresonanz Inneninduktivität und L1 - Kapazität C1
Wenn ein Störsignal auf der Serienresonanzfrequenz von 
Inneninduktivität+L1 und C1 liegt (L2=Kurzschluß, C2=Leerlauf 
angenommen), zieht der Ausgang einen sehr hohen Strom, und die 
Ausgangsspannung schwankt stark.

Ok, ich sehe, daß die die Inneninduktivität das Gesamt-L erhöht, so daß 
die Resonanzfrequenz weiter runtergeht. Bei niedriger Resonanzfrequenz 
ändert sich die Spannung an den Riesen-Kondensatoren nicht. Da sollte 
nichts passieren.


Serienresonanz Inneninduktivität - Kapazität D1
Jetzt überlegen wir einmal, ob bei einer höheren Resonanzfrequenz (bei 
denen C1/C2 nicht mehr wirken) passieren kann.

Z. B. durch die Serienresonanz "Inneninduktivität, Kapazität D1".
Kapazität D1: 200pF...1,5nF (je nach Spannung)
Inneninduktivität: je nach Einstellung von C3/C5.

Ich kann das jetzt nicht abschätzen, denke aber, einmal sollte man es 
durchdenken. Sieh auf jeden Fall parallel zu D1 noch was vor für einen 
Keramikkondensator, daß Du da evtl. gegensteuern kannst. Störfrequenzen 
solltest Du ja vor allem im Bereich der Schaltfrequenz und Harmonischen 
haben.



Gruß,
  Michael

Autor: Leo B. (luigi)
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Danke dir dürs durchdenken. Ich glaube du hast durchschaunt wie ich mir 
das gedacht habe.

Michael Lenz wrote:
> U3 = (Ua-2UF) = (30V-1,4V) = 28,6V (maximum)
> I3 = 28,6/100 Ohm = 2,86 A
> ;-)
Ok. Das hab ich übersehen. Das muss ich ändern. Das Problem ist nur die 
linearität des Potis R2 aufrecht zu halten.
Aber mit R3 = 3k, R2 = 100k, und R4 = 1M.
Wenns zu wild wird kann ich ja mit einem Transistor nachhelfen.

> Bezüglich C3 und insbesondere C5 bin ich mir unschlüssig, da ich keine
> Erfahrung mit den Größenordnungen habe. Hast Du mal abgeschätzt, ob Du
> Dir dadurch irgendeine Resonanzerhöhung der Ausgangsspannung einfängst?

Hier hab ich auch keinerlei Erfahrung. Ich hätte es im 
Try-n-Error-Verfahren ausgelotet.

> *Serienresonanz Inneninduktivität und L1 - Kapazität C1*
> Wenn ein Störsignal auf der Serienresonanzfrequenz von
> Inneninduktivität+L1 und C1 liegt (L2=Kurzschluß, C2=Leerlauf
> angenommen), zieht der Ausgang einen sehr hohen Strom, und die
> Ausgangsspannung schwankt stark.
>
> Ok, ich sehe, daß die die Inneninduktivität das Gesamt-L erhöht, so daß
> die Resonanzfrequenz weiter runtergeht. Bei niedriger Resonanzfrequenz
> ändert sich die Spannung an den Riesen-Kondensatoren nicht. Da sollte
> nichts passieren.

Theoretisch möglich, Praktisch denke ich ist das das Problem von jedem 
Stepdown und die Funktionieren ja alle recht problemlos. Insofern mache 
ich mir da keine Gedanken.

> *Serienresonanz Inneninduktivität - Kapazität D1*
> Jetzt überlegen wir einmal, ob bei einer höheren Resonanzfrequenz (bei
> denen C1/C2 nicht mehr wirken) passieren kann.
>
> Z. B. durch die Serienresonanz "Inneninduktivität, Kapazität D1".
> Kapazität D1: 200pF...1,5nF (je nach Spannung)
> Inneninduktivität: je nach Einstellung von C3/C5.
>
> Ich kann das jetzt nicht abschätzen, denke aber, einmal sollte man es
> durchdenken. Sieh auf jeden Fall parallel zu D1 noch was vor für einen
> Keramikkondensator, daß Du da evtl. gegensteuern kannst. Störfrequenzen
> solltest Du ja vor allem im Bereich der Schaltfrequenz und Harmonischen
> haben.

Dem kann ich jetzt nicht mehr folgen. Klar D1 hat ne Kapazität, aber die 
Spannung über D1 wird ausschließlich durch die Ausgangsstufe bzw. die 
Spule L1 bestimmt. Und zwar entweder Versorgungsspannung in Sperrichtung 
oder 0,7V in Durchlasrichtung. Wie könnte das mit der Inneninduktivität 
in Schwingung geraten?

Danke trotzdem schonmal für deine Arbeit!

Autor: Leo B. (luigi)
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So jetz hab ich den Schaltplan nochmal ein klein wenig überarbeitet.

Änderungen:

-R5 und R6 wurden zu R11 und R12 kopiert. So wird die Spannungsegelung
ausserhalb des Strombegrenzers nicht zusätzlich von C3 "gebremst".

-Zwischen R2 und R4 habe ich einen Transistor als Verstärker eingebaut
um die linearität von R2 zu garrantiern.

- Um die ~0,7V Spannungsabfall an meinem "verstärker" T1 zu kompensieren
wurde die Diode D6 zum Spannungsteiler R5,R6 mit eingereiht.



Im Prinzip würde ich gerne die Strombegrenzung etwas ummodifizieren,
sodass ich nicht konkret auf xA abregle sondern mit einbrechender
Spannung einen minimal steigenden Strom habe. Dadurch erhoffe ich
mögliche Schwingungen durch die leicht verzögerte Rückkopplung nochmals
stark zu reduzieren.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo,

> Theoretisch möglich, Praktisch denke ich ist das das Problem von jedem
> Stepdown und die Funktionieren ja alle recht problemlos. Insofern mache
> ich mir da keine Gedanken.
ja, wahrscheinlich.

>> *Serienresonanz Inneninduktivität - Kapazität D1*
>> Jetzt überlegen wir einmal, ob bei einer höheren Resonanzfrequenz (bei
>> denen C1/C2 nicht mehr wirken) passieren kann.
>>
>> Z. B. durch die Serienresonanz "Inneninduktivität, Kapazität D1".
>> Kapazität D1: 200pF...1,5nF (je nach Spannung)
>> Inneninduktivität: je nach Einstellung von C3/C5.
[..]

> Dem kann ich jetzt nicht mehr folgen. Klar D1 hat ne Kapazität, aber die
> Spannung über D1 wird ausschließlich durch die Ausgangsstufe bzw. die
> Spule L1 bestimmt. Und zwar entweder Versorgungsspannung in Sperrichtung
> oder 0,7V in Durchlasrichtung. Wie könnte das mit der Inneninduktivität
> in Schwingung geraten?

Es geht hier darum, was passiert, wenn
a) der Schaltregler eine Störfrequenz wegregeln muß und
b) diese Störfrequenz zufällig mit der Resonanzfrequenz der aus 
Inneninduktivität (d. Schaltreglers) und dem C der Diode zusammenfällt.

Das kann man etwa so modellieren:

----- Ri --- Li -----|-------- Filter--------o
|                    |
U_Gleich             C
U_Wechsel            |
|                    |
|                    |
---------------------------------------------o

Wenn U_Wechsel (U_Wechsel kommt vom Regelkreis, der eine Störspannung am 
Eingang des Reglers kompensieren will) die Resonanzfrequenz des 
Schwingkreises Li/C trifft, fließt ein hoher Wechselstrom, der nur durch 
Ri begrenzt wird.

Über Li/C zusammen ist der Spannungsabfall der Wechselspannung gleich 
Null (da in Resonanz). Aber über dem C alleine ist der Spannungsabfall 
oft größer als die Störung U_Wechsel selbst. Das bedeutet: Über C tritt 
eine hohe Wechselspannung auf.

Das Problem tritt eigentlich bei jedem induktiven Verstärker auf, z. B. 
auch beim Linearregler:
http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaere...

Man vermindert es dadurch, daß man C stark erhöht. Dadurch sinkt die 
Resonanzfrequenz entstrechend
fres = 1/(2 pi sqrt{LC}),
und vor allem reduziert sich die Resonanzüberhöhung, so daß man eine 
Gleichspannung erhält.

Ich tue mir bloß schwer zu sagen, was bei Deinem Schaltregler passiert.

Ich vermute, selbst wenn so ein Problem auftritt, filterst Du es mit dem 
Filter weg. Die Resonanzfrequenz der Spulen ist ja wahrscheinlich 
relativ hoch, so daß selbst hochfrequente Störungen nicht darüber 
kommen.
Für so einen Schaltregler nimmst Du ja normalerweise Spulen, bei denen 
die Windungen relativ weit auseinanderliegen (=geringe Kapazität).

Daher denke ich, daß Deine Schaltung funktioniert.


Gruß,
  Michael

Autor: Leo B. (luigi)
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> Es geht hier darum, was passiert, wenn
> a) der Schaltregler eine Störfrequenz wegregeln muß und
> b) diese Störfrequenz zufällig mit der Resonanzfrequenz der aus
> Inneninduktivität (d. Schaltreglers) und dem C der Diode zusammenfällt.
>
> Das kann man etwa so modellieren:
>
> ----- Ri --- Li -----|-------- Filter--------o
> |                    |
> U_Gleich             C
> U_Wechsel            |
> |                    |
> |                    |
> ---------------------------------------------o
>
> Wenn U_Wechsel (U_Wechsel kommt vom Regelkreis, der eine Störspannung am
> Eingang des Reglers kompensieren will) die Resonanzfrequenz des
> Schwingkreises Li/C trifft, fließt ein hoher Wechselstrom, der nur durch
> Ri begrenzt wird.
>
> Über Li/C zusammen ist der Spannungsabfall der Wechselspannung gleich
> Null (da in Resonanz). Aber über dem C alleine ist der Spannungsabfall
> oft größer als die Störung U_Wechsel selbst. Das bedeutet: Über C tritt
> eine hohe Wechselspannung auf.
>
> Das Problem tritt eigentlich bei jedem induktiven Verstärker auf, z. B.
> auch beim Linearregler:
> http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaere...

Ich glaube jetz versteh ich was du meinst, aber das kann meiner Meinung 
nach nur bei Linearreglern vorkommen. Ich beutze einen Step-Down, 
welcher ein PWM-Signal mit ~150kHz taktung an seinen Ausgang legt. D.h. 
richtig hochfrequent kann er gar nicht reagieren. Probleme könnte er 
also eigentlich nur mit Frequenzen <150kHz geben und hier denke ich 
Filtern die L's und C's genug.

Andersherum könnte ich jetzt auch verstehen dass die Störfrequenz von 
einem Verbraucher kommt und sich rückwärts durchs system arbeitet. Aber 
selbst dann wird spätestens alle 6,67us die Schwingung "getötet" denn da 
schltet IC1 auf durchgang und C4 sitzt parallel zu D1

Oder hab ichs immernoch nicht verstanden?

> Ich vermute, selbst wenn so ein Problem auftritt, filterst Du es mit dem
> Filter weg. Die Resonanzfrequenz der Spulen ist ja wahrscheinlich
> relativ hoch, so daß selbst hochfrequente Störungen nicht darüber
> kommen.
> Für so einen Schaltregler nimmst Du ja normalerweise Spulen, bei denen
> die Windungen relativ weit auseinanderliegen (=geringe Kapazität).
>
> Daher denke ich, daß Deine Schaltung funktioniert.

Naja bei 22uH die ich verwenden möchte sitzen die Wicklungen vermutlich 
doch schon recht eng.
Aber so wie ich das sehe können sich Schwingungen >150kHz gar nicht 
aufschaukeln, nur gerade die 150kHz sind eventuell gefährlich und eben 
harmonische Frequenzen.
Oder war es das, das du die ganze Zeit gemeint hast.
Dem sollte ja unter anderem C5 entgegenwirken.

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