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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schaltregler 4A 20V


Autor: Kei Ner (mckalle)
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Hallo,

ich möchte mir einen Schaltregler bauen. Dazu habe ich bisher den 
angehängten Schaltplan entworfen.
Ich habe einen Trafo mit ca. 130W und 24V Ausgangsleistung. Der Strom 
läuft über einen Brückengleichrichter, wird von einem Elko und nem VDR 
geglättet. Die Zenerdiode D1 soll mir eine Konstante Spannung von 20-22V 
liefern.
Mit P1 kann ich die Spannung dann einstellen. Der Operationsverstärker 
vergleicht dann die tatsächliche Ausgangsspannung und die eingestellte 
Spannung. Bei einer Differenz schaltet er ein und schaltet somit dem 
MOSFET ein. Wenn die Spannung gestiegen ist, schaltet er wieder ab. Die 
Hysterese soll max. 0,2 V betragen. C2 dient dabei als Puffer.
Bei einem Überstrom (>4A) soll der 2. Operationsverstärker den Thyristor 
schalten. Dieser zieht dann sofort die Eingangsspannung am 1. OP auf 
nahe 0V, sodass der Kurzschlussstrom ebenfalls gegen 0 geht. Über den 
Taster kann die Schaltung wieder aktiviert werden.
Über P2 soll der maximale Kurzschlussstrom ebenfalls eingestellt werden.
Soweit verständlich, denke ich?

Mein Problem ist nun, dass ich nicht weiß, wie ich die passenden 
Widerstandswerte berechnen soll. Zum Beispiel beim 1. OP (Widerstände 
R2, R3 und R5; R4 weiß ich auch nicht, wie groß der sein muss, der soll 
halt den Eingang des OP schützen), der mithilfe der Mitkopplung über R3 
einen Schmitt-Trigger bildet (da möchte ich 0,1-0,2V Hysterese haben).
Bei der Strombegrenzung fände ich es schöner, wenn der Strom nicht 
schlagartig abgeschaltet wird, sondern nur runtergeregelt wird. Wie 
mache ich das? Einfach den Thyristor durch einen Transistor austauschen?

Ansonsten: habe ich noch irgendetwas, was man beachten muss, übersehen?

Schon mal danke für eure Bemühungen



Edit: (oops...Bild doppelt drin ;) )

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Obiges erinnert mich aber stark an Linear regler.

Der Thyristor brx44 ist verpolt, und ohne Pull-Up am lm339 Ausgang wird 
der auch im umgepolten Zustand nicht zünden.

Im übrigen einfach mal nach der Schaltempfehlung Funkschau 11/73 hier 
suchen. So als Tipp.

Autor: mhh (Gast)
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VDR - sehe ich keinen Sinn
C1  - Verdoppeln
Q1  - Falscher Typ/ Schutz vor zu hoher Gatespannung fehlt, PullUp-R 
fehlt

Zwischen Verbindung Transistor - C2/Ausgang muss eine Spule oder ein 
niederohmiger Widerstand

Autor: A. K. (prx)
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Andrew Taylor schrieb:

> Obiges erinnert mich aber stark an Linear regler.

Nicht ganz, da der OPV als Schmitt-Trigger geschaltet ist.

Aber es ist natürlich die zum hundersten Mal frisch aufgewärmte 
"geniale" Idee vom spulenlosen Schaltregler.

Autor: mhh (Gast)
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Für Hysterese fehlt Mitkopplung und Thyristor siehe Andrew.

Autor: A. K. (prx)
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mhh schrieb:

> Für Hysterese fehlt Mitkopplung

Bei IC2A ist eine Mitkopplung drin.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Das ist kein Schaltregler im "handelsüblichen" Sinn, weil keine 
Induktivität als Energiespeicher beteiligt ist.

Autor: mhh (Gast)
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@ A. K. (prx)
Übersehen, danke.

Autor: A. K. (prx)
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Rasmus E. schrieb:

> ich möchte mir einen Schaltregler bauen. Dazu habe ich bisher den
> angehängten Schaltplan entworfen.

Kleine Frage:

C1 habe 30V. C2 habe 10V. Q1 schaltet ein. Was passiert jetzt in der 
Zeit bis Q1 wieder abschaltet?

Erste Version: Innenwiderstand von C1,C2,Q1 und dem Kupfer sei ideal =0.

Zweite Version: reale Komponenten mit realen Innenwiderständen.

Autor: Kei Ner (mckalle)
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So, ich hab den Schaltplan angepasst.

Welche Bauteile (Typ/Werte) weiß ich noch nicht. Das müsste ich noch 
alles berechnen. Nur weiß ich leider nicht wie (s. 1. Post).


@ A. K.
> Aber es ist natürlich die zum hundersten Mal frisch aufgewärmte "geniale" Idee 
vom spulenlosen Schaltregler.

Wenn da noch irgendwo eine Spule fehlt, dann sag mir wo ;)



> Kleine Frage:
>
> C1 habe 30V. C2 habe 10V. Q1 schaltet ein. Was passiert jetzt in der
> Zeit bis Q1 wieder abschaltet?

C2 läd sich auf. Irgendwann ist die Spannung an Pin 4 von IC2A größer 
aus die an Pin 5. Dann schaltet der IC2A den Ausgang auf LOW. Q1 
schaltet ab. Nun fließt der Strom aus C2 durch die Last.

Autor: A. K. (prx)
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Rasmus E. schrieb:

> So, ich hab den Schaltplan angepasst.

Interessant. Wo ist er?

> C2 läd sich auf. Irgendwann ist die Spannung an Pin 4 von IC2A größer
> aus die an Pin 5. Dann schaltet der IC2A den Ausgang auf LOW. Q1
> schaltet ab. Nun fließt der Strom aus C2 durch die Last.

Anders gefragt: Zwischen den Kondensatoren besteht im betrachteten 
idealisierten Szenario eine Spannungsdifferenz von 20V. Wie gross ist , 
bei den angenommenen 0 Ohm Widerstand der dabei fliessende Ladestrom für 
C2?

NB: In der ursprünglichen Schaltung solltest du übrigens einen MOSFET 
verwenden, der eine Gate-Source Spannung von 40V verkraftet. Und auch 
der LM339 sollte die 40V abkönnen.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Wenn da noch irgendwo eine Spule fehlt, dann sag mir wo ;)
Google mal nach: Buck-Regler, Abwärtswandler, Schaltregler...
und/oder sieh dir das genauestens an:
http://de.wikipedia.org/wiki/Abw%C3%A4rtswandler

Autor: Kei Ner (mckalle)
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A. K. schrieb:
> Rasmus E. schrieb:
>
>> So, ich hab den Schaltplan angepasst.
>
> Interessant. Wo ist er?

Ich weiß nich, frag das Forum :P


>> C2 läd sich auf. Irgendwann ist die Spannung an Pin 4 von IC2A größer
>> aus die an Pin 5. Dann schaltet der IC2A den Ausgang auf LOW. Q1
>> schaltet ab. Nun fließt der Strom aus C2 durch die Last.
>
> Anders gefragt: Zwischen den Kondensatoren besteht im betrachteten
> idealisierten Szenario eine Spannungsdifferenz von 20V. Wie gross ist ,
> bei den angenommenen 0 Ohm Widerstand der dabei fliessende Ladestrom für
> C2?

Ladestrom -> unendlich
Mit den Innenwiderständen natürlich etwas weniger.
Nun mit der Spule ists noch n bissl weniger.
Die Spulengröße habe ich anhand dieser beschreibung abgeschätzt: 
http://www.sprut.de/electronic/switch/schalt.html#down

> NB: In der ursprünglichen Schaltung solltest du übrigens einen MOSFET
> verwenden, der eine Gate-Source Spannung von 40V verkraftet. Und auch
> der LM339 sollte die 40V abkönnen.
Kannst du mir genau Bauteile sagen, die die Spannung vertragen? Der 
Mosfet sollte auch mindestens 15A abkönnen, sehe ich das richtig?

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Rasmus E. schrieb:
> Die Spulengröße habe ich anhand dieser beschreibung abgeschätzt:
> http://www.sprut.de/electronic/switch/schalt.html#down
Selektive Wahrnehmung, oder wie  :-o
Sieh dir das zitierte Kapitel mal genauer an. Insbesondere den Abschnitt 
mit der Freilaufdiode:
OFF-Zeit
Wird nun der Schalter geöffnet, entlädt sich L über die Diode und die Ausgangslast.
Interessant auch der Link zu Wikipedia im 
Beitrag "Re: Schaltregler 4A 20V"

Merkst du was? :-/

Autor: Kei Ner (mckalle)
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Oops, Diode vergessen... Aber nur beim einzeichnen
Die muss dann ja auch entsprechend groß dimensioniert sein, dass da der 
ganze Strom durchfließen kann + Toleranzen & Sicherheit etwa 8A?

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Und jetzt ist nur noch zu beachten, dass der Mosfet leider nicht im 
Schalterbetrieb arbeitet...
Dazu wäre eine Gatespannung von ca. 30V nötig.

Autor: Kei Ner (mckalle)
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Welcher mosfet würde denn im Schalterbetrieb arbeiten? oder sehe ich da 
gerade etwas grundlegend falsch??

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Ein N-Kanal braucht mehr als die speisung (24V)  am Gate zum 
durchsteuern. Ein p-Kanal ist da besser geeignet. Die Schaltung ist 
schrott, so geht das nicht.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Welcher mosfet würde denn...
Ja, es gibt doch eigentlich nur den Q1.

> ...im Schalterbetrieb arbeiten?
Warum heißt das wohl Schaltregler?

Autor: Kei Ner (mckalle)
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Haa Waa schrieb:
> Die Schaltung ist schrott, so geht das nicht.
Bezog sich das auf die gesamte Schaltung oder nur auf den mosfet?

Lothar Miller schrieb:
>> Welcher mosfet würde denn...
> Ja, es gibt doch eigentlich nur den Q1.
>
Ich meinte den Typ.

Hab ma nen passenden p-Kanal-Mosfet gesucht, bin auf den IRF9540 
gestoßen.
Wenn ich den verwende, muss ich doch die Ansteuerung umdrehen, da Ug = 
Us = sperren und Ug = Us-10 = leiten. Mit (hoffentlich richtig) 
umgedrehter Ansteuerung hab ich das nochmal angehängt.

Autor: A. K. (prx)
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Immer noch das Problem, dass du Ugs auf das entsprechende Limit des 
MOSFET einschränken musst, sonst ist er sofort hinüber.

Autor: A. K. (prx)
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Tip: Wenn die Spannung über dem Innenwiderstand von C2 grösser ist als 
die Hysterese des Komparators, dann findest du nur raus wie schnell die 
Regelung schwingen kann, sonst nix.

Ob das derart freischwingend ohne irgendeine Frequenzvorgabe überhaupt 
sinnvoll funktioniert ist eine andere Frage. Je nach Dimensionierung 
heizt der MOSFET überwiegend im linearen Bereich, weil im Verhältnis zur 
Arbeitsfrequenz zu hochohmig angesteuert.

Autor: Ben (Gast)
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was soll sowas? noch nichts vom TL494 oder so gehört??

Autor: Kei Ner (mckalle)
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Danke, damit sollte das etwas einfacher werden. Bis zum Ausgang von der 
Schaltung habe ich den Schaltplan im Internet gefunden.
Aber ich brauche bei einer PWM-Regelung doch trotzdem auch noch die 
Spule, Kondensator und Diode hinter dem Mosfet? Ich möchte am Ausgang ja 
eine möglichst gleichmäßige Spannung haben, und nicht ab und zu mal 
Versorgungsspannung und dann wieder 0V.
Am Gate vom Mosfet hab ich noch eine Zenerdiode angebracht zur 
Spannungsbegrenzung. Muss da noch ein Widerstand zwischen Pin 9 von IC1 
und D1?
Und dann fehlt da aber noch die Regelung, dass die Spannung am Ausgang 
bei Belastung nicht zusammenbricht. Kann dazu der Ausgang einfach mit 
einem (welchem?) der "Error-Ampflifier"-Eingänge verbunden werden?
Funktioniert die Stromregelung so, wie sie eingezeichnet ist?

Autor: A. K. (prx)
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Nimm beim Symbol für den MOSFET lieber eine Darstellung mit der 
integrierten Bulk-Diode. Und die Z-Diode ist zwar nett gedacht, führt so 
aber nur zu einem defekten IC.

Zeig doch mal den Original-Schaltplan aus dem Internet. Ich habe nämlich 
den Verdacht, das jede einzelne deiner Änderungen ein Schuss in den Ofen 
ist - sorry.

Autor: Ben (Gast)
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yep die ganze mosfet-ansteuerung ist ein einziger fehler. der TL494 
braucht für mosfets diese klassische treiberschaltung mit den zwei 
widerständen und je einem PNP und NPN transistor. kann leider keine so 
schicken bilder zeichnen, einfach mal bei der datenkrake nach "mosfet 
driver" oder so suchen.

er hat aber noch ein zweites problem - das soll wohl ein step-down 
wandler werden und da hat der mosfet kein masse-bezugspotential. also 
entweder einen P-kanal mosfet nehmen oder einen P-gesteuerten 
darlington. für einen N-kanal mosfet würde er einen level shifter mit 
bootstrapschaltung brauchen.

im datenblatt des TL494 ist übrigens so eine schaltung auch schon mit 
strombegrenzung aufgeführt. da brauchts keinen externen opamp, das kann 
der TL494 alles selbst.

Autor: Kei Ner (mckalle)
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den Schaltplan hab ich von da: 
http://www.atx-netzteil.de/pwm_mit_tl494.htm#Schaltplan%202
Da steht aber auch, dass man bei höheren Spannungen die Ugs-Spannung 
begrenzt werden muss.
Müsste die Mosfetansteuerung so sein? 
http://www.sampson-jeff.com/tcrobowar/motor1/onefet2.gif

Autor: Ben (Gast)
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http://blog.savel.org/stuff/20050829a.gif

da haste. zwischen VCC und die basis von Q2/Q3 gehört noch eine 18V 
z-diode. die sorgt dafür, daß der treiber das gate vom mosfet nicht mehr 
als 20V unter Vcc ziehen kann und schon kannste damit wunderbar einen 
P-kanal mosfet ansteuern. parallel zu R3 würd ich noch eine schnelle 1A 
diode schalten (mur120 z.b.), anode an den FET dann sperrt der 
schneller, R3 etwa 4,7 bis 10 ohm. R4 fliegt raus. R1 und R2 nicht zu 
groß wählen damit Q3 ordentlich basisstrom fürs schnelle laden des gate 
bekommt. R5 vielleicht 10k ohm, R1/R2 2,2k ohm. der TL494 kommt so dran, 
daß er die basis von Q1 auf masse ziehen kann.

Autor: Ben (Gast)
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narf... kann man nicht bearbeiten.

bei der diode am gate des mosfets bei P-kanal typen natürlich mit 
KATHODE ans gate sorry.

Autor: A. K. (prx)
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Jo, aber bei 24V macht der MOSFET das nicht lange mit.

Autor: Ben (Gast)
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klar, bei so geschalteten P-kanal typen liegt die Vgate gegen Vcc und 
das sollte "meine" Z-diode auf 18V begrenzen.

Autor: A. K. (prx)
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In deiner Treiberschaltung sehe ich keine Diode. Im Text danach steckt 
zwar eine drin, aber der Beschreibung zufolge hängt die Anode in der 
Luft.

Autor: Ben (Gast)
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> zwischen VCC und die basis von Q2/Q3 gehört noch eine 18V z-diode.

wo ist da das problem?

Autor: Kei Ner (mckalle)
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Ich hab nochma Fragen dazu: http://blog.savel.org/stuff/20050829a.gif
R4 stellt doch die Last dar?
Wozu ist C1? Um die gesamte Versorgungsspannung zu stabilisieren?

So, der Mosfet-Treiber hängt jetzt mit nem p-Kanal-Mosfet an der PWM. 
Aber ist es nicht eigentlich egal, ob ich da jetzt nen n-Kanal- oder 
p-Kanal-Typ dranhänge?
Und wie kann ich denn die Ausgangsspannung an den TL494 zurückführen, 
sodass er ggf. die Pulsweiten ändert? Das müsste doch über Pin 2 oder 15 
gehen?

Mit dem Signal der Überstromsicherung kann man doch die Eingangsspannung 
für die PWM-Steuerung direkt herunterziehen, da sonst die 
Spannungsstabilisierung dagegenregeln würde?

Spule+Elko+Diode muss doch auch noch an den Ausgang?

Autor: Ben (Gast)
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schau dir doch bitte mal das datenblatt des TL494 an. das kann doch 
nicht so schwer sein. da ist ein ähnlicher schaltplan drin, zwar für 5V 
ausgang aber den spannungsteiler wirst du ja wohl anpassen können.

ansonsten sind noch fehler drin:

1. T1 und R9 rausschmeißen. wenn die transistoren des TL494 öffnen muß 
der leistungstransistor ebenfalls öffnen. beide TL494 emitter auf masse 
und die beiden 2K2 Rs an die beiden kollektoren (aber verbunden 
lassen!). quasi anstelle von T1 die TL494-internen transistoren nutzen.

irgendwie kommts mir so vor als ob dir etwas grundlagenwissen fehlt... 
auf deinem plan liegen die kollektoren der TL494-transistoren auf masse 
und die emitter an der zu schaltenden spannung. das kann nicht 
funktionieren, wenn da strom fließt raucht es auch.

2. die diode am gate des FET bitte mit der kathode ans gate. die soll 
dafür sorgen, daß der FET schneller sperrt, dafür muß bei P kanal strom 
ins gate fließen. sorry war mein tippfehler oben.

3. schau dir bitte das datenblatt zur beschaltung der TL494-opamps an.

4. last + und last - geht so gar nicht. das kannst du evtl. mit festem 
tastverhältnis und einer glühlampe machen, alles andere wird sich 
bestimmt sehr über den 24-30V ripple freuen. schau dir im datenblatt 
also auch den lastteil an.

diese step-down-schaltregler basieren auf der speicherung von energie in 
einer spule, die in der sperrphase den laststrom übernimmt während die 
versorgung keinen strom liefern muß. dadurch entsteht aus einer großen 
spannung/kleiner strom eine kleinere spannung mit höherem strom. die 
regelung arbeitet folglich auch nicht festes tastverhältnis ist gleich 
feste ausgangsspannung, sondern vielmehr wird der strom in die 
ausgangslast ausgeregelt, sodaß die spannung am ausgang konstant bleibt. 
sprich wenn du am ausgang mehr strom entnimmst regelt der TL494 das 
tastverhältnis der PWM dermaßen nach, daß die ausgangsspannung konstant 
bleibt. ich weiß ist 'ne schwierige geschichte, aber wenn man das 
erstmal begriffen hat (auch die anderen wandlertopologien) schmeißt man 
fast all seine 50hz trafos weg... ;-)

deine lektüre für den tag: 
http://focus.ti.com/lit/an/slva001d/slva001d.pdf
;-) ist zwar auf englisch, aber das schaltbild kannste mindestens lesen.

Autor: Kei Ner (mckalle)
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Die pdf-Datei verstehe ich soweit ganz gut. Muss ich morgen nochma die 
passenden Werte ausrechnen und ma hier reinstellen, damit ich weiß, ob 
ich richtig gerechnet habe.

Autor: Kei Ner (mckalle)
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Ich habe jetzt die Widerstandswerte berechnet und ein paar kleine 
Änderungen an dem Schaltplan aus deiner pdf-Datei gemacht (->Spannungs- 
und Stromregelung, FET-Endstufe).
Ich hoffe, dass ich deine Änderung mit den Widerständen richtig 
verstanden habe ;)

> irgendwie kommts mir so vor als ob dir etwas grundlagenwissen fehlt...
> auf deinem plan liegen die kollektoren der TL494-transistoren auf masse
> und die emitter an der zu schaltenden spannung. das kann nicht
> funktionieren, wenn da strom fließt raucht es auch.
Das hatte ich nur vergessen zu tauschen... :)

> 4. last + und last - geht so gar nicht. das kannst du evtl. mit festem
> tastverhältnis und einer glühlampe machen, alles andere wird sich
> bestimmt sehr über den 24-30V ripple freuen. schau dir im datenblatt
> also auch den lastteil an.
Das hatte ich ja nochma extra gefragt.

Der ESR-Wert für meinen Kondensator am Ausgang muss ca. 13mOhm sein. Da 
es solche Kondensatoren aber nicht gibt (bzw. ich hab keinen passenden 
gefunden), kann man da doch z.B. 6 von diesen nehmen (jeweils 2 in Reihe 
und die dann parallel schalten?): 
http://www.reichelt.de/?;ACTION=3;LA=2;GROUPID=434...
Die Spule muss mindestens 200µH haben (das ist der rein rechnerische 
Wert). Kann man dazu einfach 2 Spulen parallel schalten (=doppelte 
Kapazität, halber Widerstand)?

Was passiert, wenn die Stromregelung die Spannung herunterregeln möchte? 
Dann merkt doch die Spannungsregelung, dass die Spannung zu niedrig ist 
und versucht die Spannung wieder heraufzuregeln?

Autor: Ben (Gast)
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beim TL494 laufen die ausgänge der fehlerverstärker über eine diode. 
strom durch diese diode bedeutet tastverhältnis zurückregeln. also in 
dem moment wo einer der beiden opamps die regelung durch abgabe eines 
stromes durch die diode übernimmt wird der andere wirkungslos. 
gegenregeln kann er ja durch die diode nicht.

zu deinem schaltplan. ich würd nicht über den referenzzweig regeln. 
schnapp dir zwei 5,1 kOhm widerstände und leg damit den referenzzweig 
auf 2,5V fest. danach bastelst du einen (von mir aus verstellbaren) 
spannungsteile in die rückkopplung vom ausgang, daß du bei 24V (oder 
wieviel du haben willst) am ausgang 2,5V als heruntergeteilte spannung 
erhältst. nicht zu hochohmig auslegen, dann hast damit keine probleme. 
eigentlich kannst du alles aus dem datenblatt übernehmen, dann mußt du 
nur den spannungsteiler am ausgang entsprechend anpassen - das ist ein 
einziger widerstand. der rest ist da und braucht von dir nicht verändert 
werden. falls R10/R14 dein spannungsteiler sein sollte kann das so nicht 
funktionieren, da beide widerstände am positiven pin des ausgangs hängen 
und somit nichts teilen. die Z-diode D4 ist unsinn, wenn du diesen zweig 
mit 5V speist wird eine 24V Z-diode niemals leitend. aber der fliegt 
sowieso raus wenn du den regelkreis/rückkopplung endlich aus dem 
datenblatt übernimmst. ;-)

kondensatoren am ausgang sind mehrere parallel immer besser als ein 
großer. bei 4A sollten 3x1000µF aber locker reichen, 6x100 halte ich für 
zu wenig kapazität. am besten in alten laserdrucker-netzteilen 
nachschauen, da sind geeignete drin wenn die 24V erzeugen.

zur not kannst du spulen parallel schalten, allerdings wird das nie ganz 
symmetrisch. ich würd davon abraten. schlachte ein altes PC-netzteil, da 
ist ein geeigneter kern direkt nach den sekundären gleichreichterdioden 
drin. alles abwickeln, die windungen der 12V wicklung zählen und das 
doppelte davon mit etwa gleich starkem draht wieder aufwickeln. fertig 
ist deine spule.

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