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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Tiefsetzsteller Auslegung


Autor: Marvin (Gast)
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Hallo,
wir nehmen gerade das Thema Tiefsetzsteller/Abwärtsregler durch. Da ich 
mich doch sehr für Elektronik interessiere, bereite ich mich gerne immer 
recht gut auf solche "Versuche" vor. Das klappte bis jetzt auch ganz 
gut.
Allerdings hänge ich gerade an einer Aufgabe ziemlich fest.
Es soll ein Tiefsetzsteller entworfen werden der eine 12V 
Eingangsspannung in 6V Ausgangsspannung dimensioniert. Dass ist ja 
soweit erstmal nicht das Problem. Die Drossel soll 1mH beragen, der 
Ausgangsstrom 0,15A, der Gatevorwiderstand 3,3kOhm und der Amplitude des 
Funktionsgenerator 12V.
(Als Schalter benutzen wir einen FET BUZ 10A)

Ich weiß also das wenn tein =  taus ist, haben wir Ua = 1/2 *Ue

Was mir jetzt allerdings, selbst nach einigem durchlesen unseres Buches 
und auch einiger Seite im Netz unklar ist (auch für die zu lösenden 
Aufgaben):

Wie "dimensioniere" ich die Periodendauer T? Ist diese für mich frei 
wählbar?

Und eine konkrete Frage lautet: Wie groß muss tein min. für den 
nichtlückenden Betrieb sein?
Da weiß ich auch nicht so wirklich wie ich ran gehen soll :-/
Nichtlückend heißt ja das IL (Strom Spule) nicht Null werden darf.

Warscheinlich sind diese Aufgaben recht simple, allerdings fehlt mir wie 
gesagt gerade ein wenig das Gefühl dafür, welche Periodendauer man nun 
nimmt usw.

Würde mich freuen, wenn mir das vllt.jemand kurz erläutern könnte.

Danke

Autor: Peter Diener (pdiener) Benutzerseite
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Hallo Marvin,

zunächt einmal muss man dem Schalttransistor eine vernünftige 
Ansteuerung spendieren, ein normaler Funkionsgenerator ist dafür eher 
ungeeignet und ein 3,3 kOhm Gatevorwiderstand gänzlich unpassend. Das 
Gate muss so schnell wie möglich umgeladen werden, damit die 
Schaltverluste klein bleiben. Üblicherweise nimmt man dafür Treiber wie 
z.B. den IR4427 und dann einen 10 Ohm Vorwiderstand. Keine 
Schichtwiderstände, sondern Drahtwiderstände verwenden. Die 
Gateansteuerung sollte mit mindestens 15 Volt positiv aussteuern und 
kann zum schnelleren Abschalten auch negativ sein.

Soviel zur praktischen Umsetzung.

>Ich weiß also das wenn tein =  taus ist, haben wir Ua = 1/2 *Ue

Das stimmt nur, wenn während tAus wirklich 0 V vor der Drossel anliegen. 
In der Regel verwendet man aber Freilaufdioden, so dass die Spannung 
während tAus vor der Drossel leicht negativ ist. Dadurch ergibt sich 
eine etwas längere Einschaltzeit. Zudem haben alle Bauelemente ohmsche 
Widerstände, deswegen wird ein zusätzlicher Vorhalt bei tein benötigt, 
der sämtlichen Spannungsabfall kompensiert.

>Wie "dimensioniere" ich die Periodendauer T? Ist diese für mich frei
wählbar?

Dem Buz10A sollte man nicht mehr als 150 kHz zumuten. Innerhalb von 
diesem Rahmen ist die Periodendauer prinzipiell frei wählbar. Zu klein 
sollte die Frequenz nicht sein, denn dann passieren zwei unangenehme 
Effekte:
- Hörbares Pfeifen bei weniger als 20 kHz
- Sättigung der Drossel

Zudem wird der Drosselstrom lückend, wenn die Frequenz niedrig genug 
ist.
Dann stimmt auch das Pulsweitenverhältnis nicht mehr. Zumindest nicht 
bei freier Kommutierung über eine Diode. Die Folge wäre eine zu hohe 
Ausgangsspannung, wenn man das Pulsweitenverhältnis nicht anpasst.

Ab welchem Strom die Drossel sättigt, hast du nicht geschrieben, das ist 
aber von entscheidender Bedeutung. Denn das definiert den maximal 
zulässigen Stromrippel. Aus diesem wiederum definiert sich die 
Mindestfrequenz für sicheren Betrieb.

Angenommen, deine Drossel kann 0,2 A und du hast 0,15 A Last nach dem 
Glättungselko. Dann darf bei 50% PWM der Strom in der Drossel zwischen 
0,10 A und 0,20 A variieren. Also 0,10 A Rippel. Wäre der Rippel größer, 
würde die Drossel in die Sättigung fahren.

Nachdem wir jetzt den maximal zulässigen Stromrippel kennen, betrachten 
wir einen Ladevorgang der Drossel.
Diese wird nämlich innerhalb von tEin von 0,1 A auf 0,2 A aufgeladen, 
also genau um den Betrag des Stromrippels (0,1 A). Das Aufladen passiert 
zwischen der 12 Volt Schiene und der Lastschiene mit 6 Volt, an der 
Drossel liegen also 6 Volt an, die innerhalb von tEin eine Stromänderung 
von maximal 0,1 A bewirken sollen.

Wenn die Drossel 1 mH hat, gilt:
U = L * dI/dt;
also:
dt = L * dI / U;
dt = 1 mH * 0,1 A / 6 V = 17 µs;

Also etwa 30 kHz minimale Taktfrequenz.

Wenn die Drossel mit 0,2 A noch nicht sättigt und genügend Reserve da 
ist, dass man sich darum keine Sorgen machen muss, ist die Lückgrenze 
für die Ermittlung der minimalen Taktfrequenz zu verwenden. Der Strom 
variiert in diesem Fall zwischen 0,00 A und 0,30 A, was im Mittel wieder 
die 0,15 A Last sind. Wir haben also 0,3 A maximal zulässigen 
Stromrippel.

Die ganze Recnung wie oben ergibt in diesem Fall:
dt = 50 µs;

Also etwa 10 kHz minimale Taktfrequenz.

Darunter wäre der Betrieb lückend, was bei geeigneter Spannungsregelung 
auch kein Problem darstellt.

Aber bei 10 kHz ist die Drossel in der Regel störend laut, so dass man 
einen Betrieb unter 20 kHz vermeiden wird.

>Und eine konkrete Frage lautet: Wie groß muss tein min. für den
>nichtlückenden Betrieb sein?

Wir sprechen von einer Mindestfrequenz, also einer MAXIMALEN 
Periodendauer.
tEin haben wir auf 50 µs bestimmt, die max. Priodendauer ist also 100 
µs.

Grundsätzlich ist die Qualität der Ausgangsspannung und die Lebendauer 
der Elkos besser, wenn der Stromrippel klein ist. Demnach sollte man die 
Frequenz so hoch wie möglich wählen, unter Berücksichtigung, dass die 
Verluste durch zu hohe Frequenz erheblich ansteigen.

Bei einem guten Aufbau (und 10 Ohm Gatevorwiderstand) sind 100 kHz 
überhaupt kein Problem.

Grüße,

Peter

Autor: Marvin (Gast)
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Guten Morgen,
danke, hat zwar eine Weile gedauert bis ich wirklich alles verstanden 
habe, aber ich denke jetzt is es drin!

Allerdings sind uns die 3,3kOhm Gatevorwiderstand sogar in der 
Aufgabenstellung gegeben.

Vielen Dank nochmal für deine Ausführliche Erläuterung (auch zu dieser 
frühen Stunde :-) )

Autor: I. L. (Gast)
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Peter Diener schrieb:
> Die
> Gateansteuerung sollte mit mindestens 15 Volt positiv aussteuern und
> kann zum schnelleren Abschalten auch negativ sein.

Positiv ja, negativ bei MOSFETs nein. IGBTs benötigen eine negative 
ansteuerung (zwingend), bei MOSFETs ist das eher schädlich.
(Nachzulesen irgendwo auf der Semikron Homepage im 
Applikationshandbuch).

Marvin schrieb:
> Allerdings sind uns die 3,3kOhm Gatevorwiderstand sogar in der
> Aufgabenstellung gegeben.

Dann hat derjenige der die Aufgabe gestellt hat keinerlei Ahnung. Das 
kann man schon daran erkennen das mit einem Funktionsgenerator 
angesteuert werden soll.

Ausbildung oder Studium?



Gruß Knut

Autor: Marvin (Gast)
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Studium

Autor: Frank B. (frankman)
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> Dann hat derjenige der die Aufgabe gestellt hat keinerlei Ahnung. Das
> kann man schon daran erkennen das mit einem Funktionsgenerator
> angesteuert werden soll.


Da stimme ich Knut völlig zu!

3Ohm würde nehmen...einen guten MOSFET-Treiber vorausgesetzt.

Aber ich erkläre mir das so: Der Lehrer (Aufgabensteller) hat selbst 
keine Ahnung und möchte den guten, (teuren) Funktionsgenerator vor 
überlast schützen.

Meine Geheimtips zum Thema:
http://www.we-online.de/web/de/emc/produkte_4/Tools_1.php
Der "Inductor Selector" ist sehr empfehlenswert, was die Dimensionierung 
von Spulen betrifft.

Und: http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/smps.html

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