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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik step up converter selber bauen attiny


Autor: christoph (Gast)
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Für ein kleines Projekt brauche ich einen Step-Up Converter. Diesen 
würde ich gerne selber bauen.
Die Ranbedingenung sind:

2 NIMH Akkus ==> 2.4V Vin
Vout1=5V 250mA max
Vout2=10V 1A max

Es gibt hier den Beitrag von Jörg Wolfram:
Beitrag "StepUp 3,6->5V mit ATtiny15"

Allerdings hat er Bipolare Transistoren verwendet. Kenn jemand Fets, die 
die geeigneten Ströme ( vermute mal bis 6A ) bei Gatespannungen von 2V 
bringen?

Autor: Ben (Gast)
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6A bei 2v? nee nimm was bipolares. oder einen hilfswandler. wenn ein 
wandler mit logic level FETs anläuft kannst du die ausgangsspannung zum 
treiben der mosfets nehmen, allerdings verlierst du im startmoment 
weitere 0.4V durch die schottkydiode. nöö lieber doch was bipolares!

wieso probierst du es nicht mit einem sperrschwinger? ich halte einen 
prozessorgesteuerten wandler für overkill, zumal du auch die regelung in 
software erstmal hinkriegen mußt ohne daß das ganze schwingneigung 
zeigt.

Autor: chris (Gast)
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Mit Fets kenne ich mich eher schlecht aus. Dein Vorschlag mit der 
Hilfsspanunng ist vielleicht gar nicht so schlecht: 5V bipolar erzeugen 
und dann mit den 5V den Fet für den 10V step up schalten.
Aus dem anderen Thread:
>für nachbauten: da gäbs zum beispiel den irlml2502 im sot23 gehäuse, der
>bei 2,8V V_GS schon über 4A kann bei <100mOhm R_DS.
Es scheint also Fets mit relativ niedrigen Gate Spannungen zu geben.

Welchen FET Typ könnte ich den bei Reichelt finden, der bei 5V Gate 
Spannung den geeigneten Strom kann?

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Nimm einen analogen Schaltregler IC. Die arbeiten stabiler als eine 
Softwareloesung. Wenn der Prozessor sich aufhängt geht deine Schaltung 
hoch das kann dir bei einem Schaltregler ICs nicht passieren. Analoge 
Schaltungen können sich nicht aufhängen wie ein Prozessor.

Gruss Helmi

Autor: Ben (Gast)
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2,8V am gate für 4A sind aber nicht 2V für 6A ...

zumal du auch im worst case rechnen mußt, sprich die akkuspannung wird 
gerade beim anlauf des reglers stark belastet und wird spannungsmäßig 
noch etwas einbrechen.

wenn du schon was analoges brauchst um eine hilfsspannung zu erzeugen 
kannst du auch gleich was analoges nehmen um die ausgangsspannung direkt 
zu erzeugen.

wozu brauchst du die 10V 1A überhaupt? kannst du vielleicht lipo akkus 
oder sowas nehmen? das bringt dich mit der eingangsspannung höher. dein 
wandler wird bei 2.4V mit verlusten bestimmt 7A durchlutschen, 
spitzenströme noch höher.

Autor: min (Gast)
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Der Preis macht den Unterschied. Abgesehen vom MC34063 (der auch seine 
Tücken hat) sind die Dinger mindesten 4 x so teuer wie ein µp. Wenns 
nicht gerade eine highend-schaltung ist geht doch auch ein µp - 1W 
Zenerdioden zur Absicherung gegen Überspannung und gut ist...

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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UC3842  0.26 € bei Reichelt. Current Mode PWM Regulator.
Ist immer noch billiger als ein Prozessor.

Autor: Ben (Gast)
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unsinn

der schaltet erst bei 16V überhaupt ein!

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Um wirklich 10W aus den 2,4V zu entnehmen sollte man schon auf einen 
guten Mosfet zurückgreifen, denn Bipolartransistoren werden aufgrund der 
hohen Sättigungsspannung vermutlich kaum mehr als 50% Wirkungsgrad bei 
derart hohen Strömen erreichen.
Um den Mosfet aber ausreichend durchsteuern zu können, benötigt man 
weitaus mehr als 2,4V (die unter Last auch noch etwas einbrechen), 
selbst mit modernen 3,3V Logiclevel Mosfets. Von daher wird man einen 
eigenen Hilfsstepup oder eine Ladungspumpe/Bootstrapschaltung für den 
Mosfet benötigen, der erstmal z.B. 12V für den eigentlichen Stepup 
Wandler erzeugt um dessen Mosfet anzusteuern.

Autor: chris (Gast)
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UC3842?
MC34063?

Meine Anforderung ist, die Schaltung mit 2NIMH Akkus zu bereiben, als 
Vin=2.4V.

Da wird's schon schwierig, einen geigneten Schaltregler zu finden.

Ausserdem sollen es keine Bauteile von Spezialversendern sein, sondern 
möglichst bei Reichelt erhältliche, die sind günstig und gut verfügbar.

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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christoph schrieb:
> 2 NIMH Akkus ==> 2.4V Vin
> Vout1=5V 250mA max
> Vout2=10V 1A max

Dir ist klar, das 2 Mignon Akkus damit höchstens 20min durchhalten?

Ich würde gleich mit 4 Akkus starten, dann brauchst du auch keine 
Hilfsspannung erzeugen.

Autor: Ben (Gast)
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mir ist schon klar wieso er einen mosfet nutzen möchte. aber das einzige 
was direkt an 2V arbeitet ist wohl ein sperrschwinger. ich würd mit 
sowas die hilfsspannung erzeugen um ein regel-IC samt mosfet zu 
betreiben und mit diesem dann die eigentlichen ausgangsspannungen 
erzeugen. ist nur ganz schön aufwendig, deswegen meine frage was er mit 
10V 1A powern will. die 5V 250mA schafft ein 2V sperrschwinger auch 
alleine. oder halt eine andere stromquelle.

Autor: chris (Gast)
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>Um wirklich 10W aus den 2,4V zu entnehmen sollte man schon auf einen
>guten Mosfet zurückgreifen,

OK, mittlerweile sehe ich es fast ein, einen Wandler für die 
Zwischspannung zu spendieren.
Welchen MOSFET würdest Du empfehlen, der bei Reichelt verfügbar ist?

Autor: Ben (Gast)
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ok nochmal von anfang.

der UC3842 geht nicht an 2,4V. der ist für primärgetaktete schaltregler 
an netzspannung ausgelegt. vergiss ihn.

ich würd für den haupt-wandler den TL494 (meinen standart-schaltregler) 
empfehlen. der sollte in keiner bastelkiste liegen, läuft aber auch erst 
mit 10V richtig gut. folglich brauchen wir einen sperrschwinger geringer 
belastbarkeit, der uns 10-12V liefert um die regelschaltung des 
haupt-netzteils zu betreiben. damit können wir dann auch einen dicken 
mosfet betreiben (den wirds brauchen sonst werden die verluste bei 2V/7A 
zu hoch) und brauchen nur noch einen passenden transformator.

Autor: Ben (Gast)
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welchen mosfet ich empfehlen würde? IRF3205, das sind 0.008 ohm Rds(on) 
bei 10V. ist aber ein TO-220 gehäuse. IRFP2907 geht auch, der hat 0.004 
ohm Rds(on), ist aber schon ein richtig dicker im TO-247 gehäuse. 
problem ist hier nicht die strombelastbarkeit des mosfets sondern ein 
möglichst geringer Rds(on) (leitend-widerstand).

Autor: christoph (Gast)
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>Dir ist klar, das 2 Mignon Akkus damit höchstens 20min durchhalten?
Das eine Amper bei 10V wird auch nicht dauernd gebraucht, sondern nur 
immer kurzzeitig ( Motorsteuerung ).

>die 5V 250mA schafft ein 2V sperrschwinger auch
>alleine.
Wirkungsgrad? Es ist eine batteriebetriebene Schaltung deshalb soll das 
ganz stromspaarend sein. Die 250mA bei 5V sind für einen Mikrocontroller 
und sind nur eine obere Abschätzung des Strombedarfs.
Gibt's irgendwo eine Bauanleitung für den Sperrschwinger?

Autor: Ben (Gast)
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sorry ich vertipp mich heute laufend... ich meinte natürlich der TL494 
sollte in JEDER bastelkiste liegen. ist in fast jedem alten PC-netzteil 
drin.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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chris schrieb:

> Welchen MOSFET würdest Du empfehlen, der bei Reichelt verfügbar ist?

Da gibts viele. Ich würde einen verwenden der eine nicht zu hohe 
Spannung aushält (ansonsten wird der Rdson zu groß) und mindestens 
Faktor 2-3 den Strom kann, wie z.B. den IRLU3714, IRLU3715 oder 
IRLU3717.

Autor: Ben (Gast)
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250mA brauchst du nie im leben für einen µC... rechne eher mit 50mA max. 
wenn du auf LEDs und solchen schnickschnack verzichtest.

wenn der motor immer nur kurz läuft würd ich empfehlen den zugehörigen 
wandler immer nur dann einzuschalten wenn der motor laufen soll. sprich 
einschalten-kurz warten-motor ein-motor aus-abschalten. den 
hilfsspannungswandler brauchst aber trotzdem, ich würd den so auslegen, 
daß er die 12V für den motor-wandler und die 5V für den µC erzeugt.

Autor: christoph (Gast)
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Danke für eure Hilfe.

Hier ist mal ein erster Entwurf ( Ich hoffe, man kann meine Zeichnung 
erkennen ).Die 5V erzeuge ich jetzt mit einem Linearwandler aus den 10V 
( Up ), da der Mikrocontroller vermutlich weniger Strom braucht.
Was mir an der Schaltung fehlt, ist den Konverter mittels eines Tasters 
Ein/Aus schalten zu können.

Autor: christoph (Gast)
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Gerade eben habe ich einen Schaltungsvorschlag zu einem StepUp Converter 
mit 2 Spannungen gefunden.

http://www.ednasia.com/article-21316-tinymicrocont...

Allerdings nur für kleine Ströme von ca. 50mA.
Da ich ja 1A bei 10V brauche, muss ich mich jetzt auf die Suche nach den 
passenden Spulen bei Reichelt machen. Ich schätze mal für 6A sollte die 
schon ausgelegt sein. Das einzige Problemm ist dann die Inductivität, da 
bei den hohen Strömen eher Spulen mit kleiner Induktivität zu haben 
sind.

Welchen Spulentyp würdet Ihr vorschlagen?

Autor: Helmut Lenzen (helmi1)
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Und was macht deine Schaltung wenn der Prozessor sich aufhaengt ?
Wenn der sich genau an dem Punkt aufhaengt wo er den Transistor 
einschaltet geht der Transistor hoch. Bis der Watchdog eingreift ist es 
laengst zu spaet. Deine Spule ist dann laengst in Saettigung und der 
Transistor abgeraucht.

Gruss Helmi

Autor: christoph (Gast)
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Bei der Versorgung mit 2 AA NIMH Akkus? eher nicht.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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christoph schrieb:
> Bei der Versorgung mit 2 AA NIMH Akkus? eher nicht.

Hast du schonmal den Kurzschlusstrom einer solchen Zelle gemessen?
Da fließen locker mal 5A...

Autor: Klaus2 (Gast)
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zum thema mosfet & prozessor-hängen: ich hab neulich die idee gesehen, 
die gatespg über wechselspg + villardschaltung über die uC pins zu 
erzeugen. super idee weil a) genug gatespg und b) selbstsichernd -> proz 
hängt, keine wechselspg, kein stromfluss. ist nur die frage, ob das auch 
bei schnellschaltanwendungen so hinhaut.

Klaus.

Autor: .... (Gast)
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bei Ausgangsströmen von 15-50mA brauchen die Spulen nicht für 6A 
ausgelegt sein.

Autor: .... (Gast)
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ups, sorry, gerade erst gesehen 1A/10V.
Aber nicht mit den angegebenen Transistoren....

Autor: christoph (Gast)
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>zum thema mosfet & prozessor-hängen: ich hab neulich die idee gesehen,
>die gatespg über wechselspg + villardschaltung

Hab ich auch schon überlegt, aber von 2.4 auf 10V?
Wenn ihr den Schalplan "StepUpV01" betrachtet, könnt ihr sehen, dass ich 
den MosFet parallel zum Bipolartransistor geschaltet habe. Der Bipolar 
Transistor soll beim Hochlaufen die 10V mit geringem Strom erzeugen. 
Dann kann auf den MosFET umgeschaltet werden, der die hohen Ströme 
treibt.
Ich habe allerdings wenig Erfahrung in der Verwendung von MosFets.
So weiss ich nicht, ob der 1K Widerstand am Gate die nötige 
Flankensteilheit bringt.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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1k ist etwas zu groß, auch wenn die Einschaltflanke nicht ganz so 
kritisch ist wie die Ausschaltflanke. Das Problem kann man aber leicht 
lösen indem man einen Transistor in Kollektorschaltung dazwischen 
schaltet. So in etwa wie im Anhang.

Autor: chris (Gast)
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Benedikt, danke für den Hinweis, das ist auf jeden Fall nützlich.

Jetzt habe ich mir mal Gedanken zur Spulengröße gemacht.
Der Attiny 13 wird mit 9.6MHz getaktet. Daraus ergibt sich die maximale 
PWM-Frequenz von 37500Hz.
Es gibt eine sehr praktische Seite, mit der man die Spulendaten 
ausrechnen kann:

http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/aww_smps.html
( druckt auch gleich die Signale aus, siehe Bild )
Bei Reichelt finde ich eine Spule mit 22uH: L-PISR 22µ
Ist allerdings ein ziemlich dickes Ding: 18mm lang. Naja, muss halt 
irgendwie auf die Platine ...

Autor: chris (Gast)
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@Benedikt

Jetzt habe ich Deine MosFET Treiberschaltung mit 2 BC547 nachgebaut. Den 
Widerstand im Basiszweig habe ich von 1K auf 4K7 vergrößert, da mir die 
10mA bei 10V zuviel sind. Den 10 Ohm Widerstand am Gate des MosFet habe 
ich weggelasen ( hab ihn beim Löten vergessen ). Die Schaltung 
funktioniert, allerdings gibt es einen interessanten Effekt: Wenn ich 
eine "turn on" Zeit von 4.3uSek vom Mikrocontroller für den Fet vorgebe, 
ist der Puls am Gate des Fet nur 3.4uSek lang ( auch ohne 
angeschlossenes Gate ). Die Transistortreiberstufe "verschluckt" also 
0.9uSek. Das ist aber nicht weiter schlimm, man kann die Zeit ja einfach 
vergrößern.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Das Problem liegt an Q1 der zunächst in der Sättigung ist und einiges an 
Zeit benötigt ehe er sperrt.
Abhilfe: Eine Schottkydiode vom Kollektor zur Basis um zu verhindern, 
dass der Transistor in die Sättigung kommt. Oder anstelle des 
Bipolartransistors einen kleinen FET verwenden (z.B. BS170).

Autor: chris (Gast)
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Ok, vielen Dank. Grundsätzlich scheint es auch so zu funktionieren und 
der Regler soll's wegbügeln.

Apropos Regler: Jetzt wird es schwierig. Ich habe einfach mal einen 
Zweipunktregler implementiert, der im Millisekundentakt aufgefrischt 
wird. Die PWM läuft momentan mit der maximalen Geschwindigkeit bei 
37KHz.
Wenn die Spannung unter 9.8V fällt, wird T_ON um 1 erhöht. Wenn sie über 
10.2V steigt, wird T_ON um 1 erniedrigt. Das ist natürlich viel zu 
langsam.

Jetzt versuche ich einen vernünftigen Regler zu finden. Dazu etwas 
Rechnung: der Kondensator der Ausgangsseite beträgt 100uF. Bei einem 
Lastsprung am Ausgang von 1A sinkt die Spannung am Kondensator also um 
1V in 100uSek.
Daraus schließe ich folgendes: Wenn ich eine maximale 
Spannungsschwankung von 1V erlaube, muss der Regler mit 100uSek, also 
10KHz laufen. Was meint Ihr dazu?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Ich würde erstmal bei dem Zweipunktregler bleiben, den ADC mit der PWM 
synchronisieren und so beim Abschalten des Mosfets den ADC starten.
Je nach Ergebnis wird der nächste Zyklus genutzt, oder übersprungen.

Autor: chris (Gast)
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Den Zeitpunkt der Abtastung bei abgeschaltetem FET zu nehmen, ist ein 
gute Idee.

Allerdings ergeben sich bei mir momentan gerade etwas Regelungsprobleme.
Es scheint eine "magische Grenze" beim Übergang vom diskontinuierlichen 
in den kontinuierlichen Betrieb des Schaltreglers zu geben.

Im diskontinuierlichen Betrieb läuft das ganze bis ca. 200mA problemlos. 
Wenn ich die Grenze des Integrators aber erhöhe, funktioniert der Regler 
plötzlich nicht mehr richtig. Es scheint im Übergangspunkt eine Art " 
lokales Minimum " oder sowas zu geben, in dem der Regler hängen bleibt.

Hier der Code für meinen PI-Regler:
  // Spannungsberechnung 
  // Uref=1.1V
  // ADCresolution: 1024
  // resistor voltage divider: 1/16
  // ==> Vadc=U/16
  // ==> WertAdc=U/16/1.1V*1024
  while(1)
  {
    adc=adc_read(2);

    diff=590-adc;
    integrator+=diff/10; // integrator 
    result=integrator+diff*3; // p regler
    
    if(integrator<-20) integrator=-20;
    if(integrator>190) integrator=190;
        
    if(result<5) result=5;
    if(result>201) result=201;
    OCR0B=result;
  }

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