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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik LM2574HV-ADJ Dimensionierung Bauteile für Schaltregler


Autor: J. Kum (kum)
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Hallo Zusammen,

frohes Neues.

Für eine mobile Anwendung (Messschaltung) bräuchte ich eine Versorgung 
mittels Schaltregler von V(out)= 12V, I(load)=150mA. Die Messschaltung 
besteht aus MCU, Beiwerk und LCD 2x16 (grün). Die Last beträgt also ca. 
150mA. Die Spannungsversorgung soll sich später in einem Bereich von ca. 
37-56V bewegen können (Bleiakkus, LiFePo). Aus dieser Versorgung möchte 
ich gerne die 12V für die Schaltung erzeugen. Die Versorgung der 
Schaltung selbst wird noch einmal längsgeregelt (7805 und 78L06). Als 
geeigneten DC-DC-Switch-IC habe ich mir bei Angelika den LM2574HV-ADJ 
rausgesucht und dazu auch fleissig die Datenblätter (von National und ON 
Semi) studiert und wollte auch gerne das einseitige Design aus dem ON 
Semi-Datenblatt verwenden. Soweit so gut.

Allerdings bereitet mir die Auswahl der Bauteile noch Probleme. Hier 
meine vorläufigen Berechnung für den Schaltregler:

V(in)=36-56V
V(out)=12V
I(load)=0,15A

R1=2K
R2=17,4K

C(out)=62µF
(hier nehme ich 220µF/25V low ESR, Datenblatt spricht von einem 
vielfachen des berechneten Wertes?)

C(in)=22µF
(22µF/100V low ESR)

153,8 Vµs < E*T < 181,3 Vµs
ergibt mit der angehängten Abbildung einen Wert von ca. 1500-2200µH für 
die Induktivität. Bei Reichelt habe ich mir dazu die Induktivitäten 
L-07HCP 1,5M und L-PIS4728 1,0M rausgesucht (1mH eigentlich etwas zu 
wenig, aber es ist eine Power-Induktivität und größer Werte gibt es bei 
Reichelt nicht). Dann gibt es noch andere "Stehende-Induktivitäten" mit 
1-2mH, aber die vertragen zu wenig Strom (<=200mA).

Als Diode die MUR 110 und die SB 1100 (beides 1A/100V-Typen).

Werde vermutlich alle genannten Bauteile shoppen und alle Kombinationen 
aus Induktivitäten und Dioden ausprobieren. Und wahrscheinlich werden 
alle auch "irgendwie" funktionieren, allerdings habe ich keine 
Möglichkeit belastbar die Funktion/Effizienz/Ripple/Switching-Mode 
nachzumessen bzw. nachzuprüfen, um eine Aussage darüber zu treffen "wie 
gut" der Schaltregler denn nun arbeitet.

Könnte mir da jemand auf die Sprünge helfen bezüglich meiner Auswahl?

--
Kum

Autor: MaWin (Gast)
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> Könnte mir da jemand auf die Sprünge helfen bezüglich meiner Auswahl?

Ich würde dan mit dem nachfolgenden Längsreglen bleiben
lassen, hab aber keine Ahnung was du mit 6V und 5V vorhast.
Für uC tut es die Spannung eine Schaltreglers direkt,
die Analog kann man besser filtern über RC/LC-Glieder,
denn Spannungsregler sind eh zu langsam um die kHz der
Störimpulse auszufiltern.

Die Elkos dürfen natpürlich grösser sein, das verrinter den
Ripple und ergibt höhere Lebensdauer wegen höherem erlaubten
Ripplestrom, doch müssen sie bei Schaltfrequenz noch wirken.

Theoretisch brauchst du direkt hinter einem Akku kaum eine
nennenswerte Kapazität, anders als anch einem 50Hz Brücken-
gleichrichter.

Nicht nur die Berechnungssoftware, sondern auch ich würde
dir eine grössere Spule vorschlagen, insbesondere wenn du
Analogelektronik dahinter hast, weil das den Stromripple
verringert (allerdings auch die Nachregelgeschindigkeit
verlangsamt, falls also Elektromotoren daran sind, bleib
unter 1mH).

Autor: J. Kum (kum)
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Danke MaWin für den schnellen Input.

Die Frage nach den 5V und 6V hatte ich befürchtet ;-) Es geht eigentlich 
darum mit der Messschaltung Spannung der Akkus und die Last eines 
Nabenmotors zu messen und die Werte auf dem Display auszugeben. Es geht 
um dieses Projekt, welches auch in der Elktor erschienen ist:

http://www.dg7xo.de/selbstbau/nt-power-modul.html

Die Hauptplatine selbst ist längsgeregelt mit 7805 und die Strommessung 
erfolgt als High-Sense-Messung. Mein Motor-Controller hat seinen Shunt 
allerdings auf der Masse-Seite. Es wird über eine kleine 
Erweiterungsplatine (78L06) eine Hilfsspannung für den OpAmp von +-6V 
erzeugt, damit die Messung des Shunts auf der Masseseite funktioniert.

Da meine Versorgung durch Akkus (mit der auch die Messschaltung versorgt 
wird) aber auch deutlich über den ursprünglichen Messbereich hinausgeht, 
sind diese Modifikationen erforderlich.

Könnte mit dem Schaltregler also auch 7-8V erzeugen, um damit die 
Schaltungen zu versorgen? Hatte eigentlich gehofft, dass die 
Linearregler da noch die Spannung glätten. Hatte das hier auch mal so 
gelesen.

Eingangskapazität bei Akkus also unkritisch. Danke. Und bei der Spule 
schaue ich dann noch mal nach größeren. Aber sollte die  L-07HCP 1,5M 
denn dann nicht reichen? Oder muss ich noch einmal über das gesamt 
Design meine Gedanken machen?

Autor: MaWin (Gast)
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Ach du Scheisse, Elektor.

1mOhm ist natürlich kritisch, das ist der Widerstand eines Stückchens 
Draht, so was sollte man nicht ohne Vierleitertechnik messen, und eine 
Verstärkung um 1:100 damit aus 50mV = 50A dann 5V werden verstärkt auch 
die 20mV Offsetspannung auf 2V und damit 20A Messungenauigkeit, und da 
nützt ein Offsettrimmpoti wenig.

Ich gehe mal davon aus, du willst das uC-Programm un die Platine 
möglichst beibehalten. Schade, sonst täts ein LTC2053 (keine Ahnung, 
warum ich den immer hervorzaubere, der muss neulich mal irgendwo im 
Sonderangebit gewesen sein). Dennoch wäre ein 
Rail-To-Rail-Instrumentation-OpAmp natürlich die beste Wahl.

Nimm einen LT1677 (oder einen ähnlichen Rail-To-Rail Precision OpAmp mit 
dem passenden PinOut) und beschalte den so:

           +5V (nicht wie bisher an Mess.)
            |
       +----(-9.9k-+
       |    |      |
  +----(---|+\     |
  |    |   |  >----+-- D2 entfällt C8 C9 C10 entfällt
  |    +---|-/
  |    |    |
Shunt 100R  |  <- besser grösseren Shunt und grösseren 100R
  |    |    |     für 100- 200mV bei Volllaststrom
  +----+----+------ Masse

Vergiss einfach die Elektorschaltung mit dem 30 Jahre alten 
Steinzeit-OpAmp. Die obige Schaltung lässt sich auf derselben Platine 
aufbauen.

Jetzt stellt sich die Frage nach dem Stromverbrauch: Der uC und die 
Restschaltung braucht nur wenige mA. Da hilft dir ein Schaltregler 
nichts, der braucht schon mehr mA im Leerlauf. Nur das Relais und die 
Hintergrundbeleuchtung des LCD braucht mehr Strom, dabei ist die 
Hintergrundbeleuchtung ständig eingeschaltet.

Mein Vorschlag wäre: Nimm statt des 5V Relais eines mit 36V passend zu 
deinen Akkus, und schliesse das dort an.

Schalte die Hintergrundbeleuchtung in Reihe

Akku
 |
 +------------------------------------+-----+
 |                                    |     |
Vorwiderstand (vermutlich 470R/5W)    | 36V Relais
 |                                    |     |
 |A                                   +-|<|-+
Hintergrundbeleuchtung (vermutlich 60mA)    |
 |K                                         |
 |                                          |
 +-----------+---- 5V für den uC            |
 |           |                              |
5V1 Z-Diode C3                           --|< Q_101
 |           |                              |
Masse--------+------------------------------+

Der Spannungsregler entfällt. Die Schaltung braucht weniger Strom als 
wenn sie mit Linearreglern aufgebaut wäre. Man kann mit Schaltreglers 
zwar noch weiteren Strom sparen, aber so lange man die 
Hintergrundbeleuchtung nicht ausschaltet, erscheint das ziemlich 
witzlos. Die Scahltung lässt sich immer noch auf der Platine aufabuen, 
auch wenn manch ein Bauteil nicht auf dem Aufdruck liegt.

Autor: MaWin (Gast)
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Und wieso liegt eigentlich AREF an VCC,
stammt dieser ständig wiederholte Murks aus der Elektor,
und +5V für den OpAmp in meiner Schaltung wäre AVCC des uC.

Autor: J. Kum (kum)
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Wow! Puh, da habe ich aber jetzt was zu tüfteln. Danke MaWin für deine 
sehr ergiebigen Ausführungen. Hab jetzt ein schlechtes Gewissen, dass 
ich auf das fremde Projekt verwiesen habe und es da jetzt soviel Kritik 
zu gibt. Möchte die Leistung des Entwicklers dadurch nicht schmählern.

Allerdings sind alle Verbesserungen am Design grundsätzlich zu begrüßen, 
obgleich meine ursprüngliche Fragestellung auf die Dimensionierung eines 
Schaltreglers abzielte ;-) Nun gut, es ist so wie es ist. Bin sehr 
dankbar für deine Hinweise.

Wollte eigentlich die Schaltung/Software so verwenden und hatte mich 
gerade eigentlich darum bemüht herauszufinden, ob etwas ganz 
wesentliches dagegenspricht die Schaltung direkt aus dem Schaltregler zu 
versorgen (MCU, ICL7660 -> TL081).

Es stimmt das die Last im Wesentlichen durch die Beleuchtung des 
LC-Displays verursacht wird (Datenblatt 150mA @4,1V). Relais bei mir 
nicht vorhanden. Ich schaue mir deinen Vorschlag der Versorgung mal sehr 
genau an. Muss das erstmal verarbeiten.

Auch deine Hinweise zum Ersatz des TL081 bei 1mOhm-Shunt werde ich 
durcharbeiten. Vielen Dank. Aber dafür brauche ich ein wenig Zeit ...

Autor: J. Kum (kum)
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Habe mir das jetzt mal in Ruhe angeschaut. Die Idee die 
Display-Beleuchtung über Vorwiderstand direkt aus dem Akku zu betreiben 
finde ich gut. Den Rest über Zener finde ich auch simpel und sehr 
günstig. Allerdings 51V Spannung mit 150mA über einen Hochlastwiderstand 
zu verheizen, dazu reicht dann schon ein 5W Widerstand nicht mehr aus. 
Müsste dann schon ein 9W sein. Außerdem soll die verwendete Akkuspannung 
flexibel wählbar bleiben (36-56V). Da ist ein fix gewählter Widerstand 
nicht sehr praktisch und führt bei der Untergrenze der Versorgung über 
Akkus (36V) dann zu geringem Strom. Oder ich knicke die Beleuchtung 
ganz, da muss ich noch aber die Ablesbarkeit prüfen.

Werde sowohl den Schaltregler (mit 1,5mH-Spule) als auch deinen 
Vorschlag umsetzen und damit mal ein wenig experimentieren. Kann nicht 
Schaden mehrere Varianten auszuprobieren und dabei etwas zu lernen.

Dein Hinweis zum TL081 überzeugt. Werde mal als Ersatz den LTC1152 bei 
Reichelt ordern. Der macht einen brauchbaren Eindruck. Die 1mOhm kommen 
vom Motor-Controller. Der hat diesen Shunt bereits eingebaut und führt 
diesen über ein Kabel neben der Betriebsspannung nach draussen.

Habe aber noch ein, zwei Fragen zum ASCII-Schaltplan: Gain von 99 
(9.9K/100r)? Warum nicht 100? Was macht Q_101?

Autor: Dieter Werner (dds5)
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> Habe aber noch ein, zwei Fragen zum ASCII-Schaltplan: Gain von 99
> (9.9K/100r)? Warum nicht 100?

Verstärkung ist 100, da der OP hier nichtinvertierend betrieben wird.

Zum Einen ist aber 9k9 kein Wert aus einer gängigen Normreihe und zum
Anderen geht das eine Prozent Abweichung in der R-Toleranz fast unter.

Autor: J. Kum (kum)
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Danke Dieter für deine Erklärung.

Autor: MaWin (Gast)
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> Allerdings 51V Spannung mit 150mA über einen Hochlastwiderstand
> zu verheizen, dazu reicht dann schon ein 5W Widerstand nicht mehr aus.
> Müsste dann schon ein 9W sein

Ja, finde ich auch zu heftig, selbst eine 500mW Z-Diode reicht dann 
nicht mehr.

Womit man wieder beim Schaltregler wäre. Aber nur einem, direkt auf 5V.
Und falls für Analogtechnik und AVCC etwas saubere 5V vorliegen sollen, 
dann hat ja z.B. Atmel schon mit 10uH und 100nF gezeigt, wie man Ripple 
wegbekommt. Eventuell dieses LC-Glied noch an die Schaltfrequenz des 
Reglers anpassen, damit die Sperrfreqeunz dieses Notch Filters exakt bei 
der Schaltreglerfrequenz liegt.

Autor: J. Kum (kum)
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Habe mich auch mal durch die knapp 1.800 Absätze de.sci.electronics FAQ 
gelesen. Sehr interessant und lesenswert. Dank der Linkliste bin ich auf 
das faszinierende Hubersoft.net gestossen. Dort gibt es zufällig ein 
SMD-Design für den LM2574 ;-) und andere sehr nette Schaltungen.

MaWin, werde mich mal bei Atmels ANs und auch in diesem Forum nach der 
Dimensionierung von LC-Glieder bei 52kHz umsehen. Weiterhin auf der 
"Muss-ich-mir-mal-anschauen"-Liste: Notch-Filter, Sperrfrequenz, 
AREF/AVCC/VCC.

Autor: Oliver _. (verleihnix)
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Moin J. Kum,

lass Dich nicht verunsichern, der MaWin hat die Schaltung nicht mal 
richtig gesehen, sonst wüste er, dass ein 4-Leiter Metallfilm Shunt zum 
Einsatz kommt.  Die Widerstände am OP haben 0,1% Toleranz, somit ist die 
Verstärkung genau genug, mehr als ein Betriebsmessgerät kann es mit 
einen 10bit AD-Wandler ja auch nie sein. Alleine das 
Quantisierungsrauschen des AD-Wandlers kostet 1-2 Digit und bei dem 
großen Messbereich sind das gute 100mA, egal mit welcher OP-Schaltung 
der Strom gemessen wird. Da hilft nur kleinerer Messbereich oder mehr 
Auflösung. Auch das geht aus der Dokumentation hervor, wird kein 
Geheimnis daraus gemacht.

Und aus gutem Grund wird kein Schaltregler verwendet, um nicht unnötig
Schaltprodukte im Messkreis zu haben.
Gerade wenn Empfänger mit locker -30 dbµV noch was empfangen sollen,
ist jede weitere Rauschquelle zu vermeiden.

Auch das mit dem Offset hat er nicht wirklich verstanden, weil der mit 
dem Poti auf Null eingestellt wird. Ach ja, der TL-071 ist ein 
Rail-To-Rail, macht ja nix.

Viel Erfolg...

Autor: J. Kum (kum)
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Moin Oliver,

du bist hier auch aktiv? Und vermutlich hat dich der Referer hierhin 
geführt? Wie ich oben schon schrieb, hatte ich bei MaWins Feedback zu 
deinem Projekte schon so meine Bauchschmerzen. Auch kann ich die Kritik 
bei meinem Wissensstand nicht wirklich bewerten - nur dankbar 
entgegennehmen und das Beste daraus machen. Nur soviel kann ich sagen:

Dein Design funktioniert für die von dir angegebenen Messbereiche als 
Betriebsmessgerät sehr gut.

Das habe ich selbst getestet. Leider passte es nicht ganz zu meinem 
gewünschten Einsatzzweck und um die Versorgung musste ich mich noch 
kümmern (Idee Schaltregler siehe oben).

> lass Dich nicht verunsichern

Schon passiert ;-) Aber...

Habe einen Schaltregler mit LM 2574 HV5N aufgebaut mit Low ESR-Elkos, 
MUR 110 und L-PISM 1,0M und der lieferte rauf bis 60V seine fixen 5V am 
Ausgang. Funktioniert!

Habe den Längsregler ausgelötet und bin mit den 5V des Schaltreglers auf 
der Platine an den Ausgang des Längsreglers gegangen. Deine Schaltung 
lief auch damit tadellos. Dann den Spannungsteiler für meinen 
Messbereich angepasst dann Spannung langsam hochgefahren bis ein R in 
der Strommessschaltung weggekokelt ist. Habe da erst realisiert, dass 
die beiden Lötanschlüsse (Mess.) miteinander verbunden sind. Erstmal die 
Verbindung zwischen den beiden Anschlüssen aufgetrennt. Habe nur auf die 
Spannung geschaut. Die zeigte (natürlich) nur knapp die Hälfte der 
eigentlichen Spannung an, da in der Software noch der alte Wert für den 
Teiler stand. Den wollte ich im Code anpassen, da kam dann auch schon 
die 4Kb-Beschränkung von der Bascom-Demo. Das Ganze in einem 
virtualisierten Windows. Wollte mir dann wenigstens mal den ADC-Wert für 
die Spannungsmessung in C auf dem Display anzeigen lassen. Also ein 
provisorisches ISP-Kabel direkt auf der Platine an die MCU gelötet. 
Allerdings gab es da schon mit der LCD-Routine Probleme, da das LCD auf 
verschiedenen Ports geht. Habe die Fleury-Routine genommen, aber die 
verlangt nach RW-Anschluss des LCD (Busy Flag). Also entsprechende 
Leitung nach GND auf der Platine aufgetrennt und direkt an die MCU 
gelötet. Ohne Software-Korrektur und mit ca. 54mV pro Digit (mit oder 
ohne Rauschen) vielleicht nicht sehr genau. Zeigt auch zu wenig an. Aber 
bin absolut zufrieden, weil ich in den 2 Tagen mehr als in den letzten 6 
Monaten gelernt habe. Ob ich es schaffe da jemals eine funktionierende 
Schaltung an den Start zu bekommen, ist gar nicht so wichtig, wenn ich 
dabei so viel lernen kann.

Also betrachte ich deine Schaltung und Platine als eine Art 
"Entwicklungsplattform" auf der ich rumlötet und Sachen ausprobieren 
kann. Sie erfüllt also einen Bildungszweck ;-) Danke.

Autor: Stephan Henning (stephan-)
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ich würde dann lieber den 2674 nehmen. Der macht 150kHz. der 25er nur 
50KHz.
Damit sind kleinere C und kleinere L möglich.

Autor: Oliver _. (verleihnix)
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Also du musst nur den Spannungsteiler anpassen, da max. 5V am uC-Port, 
der Abgleich erfolgt per Software, somit sind die Widerstände und dessen 
Torreranzen wurscht, so lange nicht mehr als 5V am uC abfallen.

Zu beachten ist aber, dass der OP nur 30V verkraftet, und die ist ja 
immer auch die Messspannung. Wenn man mehr Spannung messen will, muss 
die Strommessung auf der Masseseite erfolgen. Dazu habe ich eine 
extra-Platine mit Ladungspumpe, die den OP-Teil auf der Hauptplatine 
ersetzt, siehe Anhang.

Die -5V Option auf der Platine wird nur gebraucht, wenn man den Strom 
schon ab 0V Messspannung erfassen will. Denn die Messspannung versorgt 
den OP und unter 5V wird das noch nix. Mit -5V senke ich seine Masse und 
alles passt wieder. Aber bei normalen Netzteilen für Funk etc braucht 
man das nicht, weil immer fest 13,8V und gut.

Aber wie beim Auto, die perfekte Lösung gibt es nicht, wenn man es nicht 
selber baut. Aber viele fangen auch nicht an, Bleche etc zu sammeln, um 
sein Auto selber zu schweißen :-)

Den LM2574 nehme ich für viele Anwendungen, wie DCF77 Uhr mit VFD-Modul 
oder LEDs im Auto...

Viel Erfolg ..

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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