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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Diskreter Aufbau, Switching Regulator


Autor: Simon Küppers (Gast)
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Ich hab mir mal Gedanken gemacht über einen diskreten Aufbau eines
Schaltreglers. Zwischendurch zwar schon wieder an meinem Verstand
gezweifelt, aber nun wieder die Idee aufgenommen ;)

Hier meine ersten Idee:
http://wayne.klinkerstein.m-faq.de/SwitchReg.jpg

V3 Ist die Referenzspannungsquelle. Hier legt man quasi ne Spannung an,
die im Endeffekt hinten am Ausgang erscheinen soll.

V1 ist einfach nur die Versorgungsspannung (hier 12V)

V2 wird später einfach durch einen Dreiecksgenerator ersetzt werden.

Der obere Opamp vergleicht die Ausgangsspannung mit der
Referenzspannung. Liegt diese Drüber liefert er ein HIGH am ausgang,
liegt sie drunter, liefert er ein LOW.

Der untere Opamp bekommt nun diese Spannung reingefüttert. Zusammen mit
dem Dreiecksgenerator erzeugt er unterschiedlich lange ON/OFF Times am
Ausgang, die im Endeffekt den IRF5305 an und ausschalten.

Soweit mein Gedankengang. Allerdings funktioniert dies nicht in der
Simulation. Ist ja irgndwo auch recht nachvollziehbar, da das ganze
sehr leicht anfängt zu schwingen, da es sicher etwas dauert bis der
obere OPAMP eine analoge Spannung ausspuckt. Vielleicht kommt es aber
garnicht ers dazu, sodass dieser OPAMP ständig zwischen HIGH und LOW
schwingt.

Meine Frage ist nun, wie mache ich OPAMPS träger ? Sodass sie nicht so
leicht schwingen. Nunja der Ausgang schwingt sowieso etwas, das ist
nicht zu vermeiden. Vielleicht braucht man da eine kleine Hysterese ?
Oder soll ich am liebsten die ganze Idee verwerfen?

Autor: Stefan (Gast)
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Mit deinem einzelnen Mosfet kannst du höchstens eine niedrigere
Ausgangsspannung erreichen, indem du das Gate über PWM ansteuerst und
die Eingangsspannung somit gepulst zum Ausgang durchleitest und dort
glättest. Ist aber sicherlich nicht mit hohen Strömen belastbar.
Schaltnetzeile haben zusätzlich zum Schaltelement (MOSFET) eine Spule
zur Energiespeicherung und Freilaufdiode. Du solltest dir erst einmal
die entsprechenden Standardschaltungen (z.B. Buck- oder
Boost-Converter) anschauen, um ein erst mal in die Materie einzusteigen
und dann deine Schaltung noch mal überdenken.

Autor: Simon Küppers (Gast)
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Ich steuer meinen Mosfet doch per PWM an ! Und zwar indem ich im unteren
OPAMP am (+) ne analoge Spannung anleg und an (-) die Dreickspannung.
Jenachdem wie hoch die Spannung an (+) ist, werden unterschiedlich
lange ON/OFF Pulse erzeugt. Damit wird ja die Spannung pulsweise
durchgeleitet und der Kondensator aufgeladen. Der Kondensator dient
hier als Energiespeicher. Ist halt klein aber was solls ;). Ich
verabscheue Spulen um ehrlich zu sein.

Außerdem wollte ich das ganze erstmal Spulenlos machen, über die
Glättung wollte ich mir nachher Gedanken machen. Also bringen mich die
Schaltungsprinzipe des BUCK und BOOST Konverters eigentlich nich
weiter. Das war soweit erstmal eine grobe Idee.

Zu der Regelung bei großen Lasten: Die ON/OFF Zeiten sollten sich
eigentlich verändern bei höherwerdenden Lasten, da der Kondensator
schneller entladen wird, und somit die Ausgansspannung schneller unter
Vout sinkt. Dann wird automatisch die ON Time etwas länger (zumindest
soll es so sein). Gegebenfalls ist hier noch ein riesiger Glättelko
nötig, der evtl die Regelschnelligkeit beeinflusst, aber das macht nix,
da er auf eine feste Ausgangsspannung ausgelegt sein soll.

Autor: Michael (ein anderer) (Gast)
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Alle Jahre (bzw. Wochen) wieder:

Ohne Induktivität kein Schaltnetzteil. Punkt.

Das was Du da versuchst zu bauen, ist ein "gepulster Linearregler".

Autor: Simon Küppers (Gast)
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Ich wüsste nicht wieso. Hauptaugenmerk bei einem Schaltnetzteil ist
nunmal ein "Schalter" der Strom entweder AN oder AUS schaltet um so
keine Leistung sinnlos verheizen zu müssen.

Ein "Schaltnetzteil" wäre ja dann bei dir ein gepulster Spulenregler
oder was? :P

Ein "gepulster Linearregler" ist ja nix anderes, nur statt ner Spule
nen Kondensator.

Was spricht denn dagegen einen Kondensator zu benutzen. Ohne eine
sinnvolle Erklärung gebe ich hier nicht auf, tut mir leid. Leider
konnte ich unter "gepulster Linearregler" o.ä. nichts bei google.de
finden.

Autor: Michael (ein anderer) (Gast)
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Na, überleg' mal:

12 Volt Spannung am Eingang, Schalter mit 0 Ohm Widerstand, und dann
auf ein Kondensator der plötzlich nur noch 5 Volt am Ausgand haben
soll.

Wo bleiben da die 7 Volt Differenz? Lösen die sich in Luft auf?

Such' im Web mal nach einem Herrn "Kirchhof" und dessen Summenregel
für Ströme in einem Knoten sowie für die Maschengleichung (-regel) für
Spannungen in einem Kreis.

Autor: A.K. (Gast)
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Simon scheint in der Spule nur ein Instrument zur Glättung zu sehen.
Darin mag das Missverständnis liegen.

Autor: Simon Küppers (Gast)
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@Michael: Der Kondensator wird ständig aufgeladen wenn dieser unter eine
bestimmte Spannung kommt. Und zwar über einen Schalter. Hängt ein
größerer Verbraucher dran, wird er öfter aufgeladen.

@A.K.: Tatsache. Dann sehe ich da ein Missverständniss. Dann bitte ich
um Erklärung. Soweit ich weiß baut eine Spule nur ein Magnetfeld auf,
dass sich beim Abbauen wieder in eine Spannung induziert.

Autor: A.K. (Gast)
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Wie Michael schreibt, müssen die 7V irgendwo hin. Normalerweise ist das
eben die Spule. Deren Magnetfeld entläd sich anschliessend in den
Ausgang. Damit ist es eben grad die Spule, die für den passablen
Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen sorgt.

Denn was ist die Alternative? Du kannst natürlich diese 7V auch per
Längswiderstand in die Luft pusten (so wie Du dir das vorstellts,
zerrupft es dir über kurz oder lang den FET). Womit das gleiche
Szenario wie bei einem Linearregler gegeben ist, nur geht die Leistung
nicht so sehr im Transistor drauf, sondern im Widerstand. Daher
Michaels etwas widersprüchlich scheinender Ausdruck eines gepulsten
(=digitalen) Linearreglers.

Von massiven EMV Störungen ganz abgesehen.

Autor: Simon Küppers (Gast)
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Das ist mir klar dass diese 7V wegmüssen - keine Frage. Bei
Linearreglern werden die halt in Hitze verbraten, das ist mir auch
klar. Aber was ist denn, wenn ich den Kondensator einfach immer dann
Lade, wenn der grad zu leer wird?

Aber ich glaub ich blick's langsam. Der Kondensator wird logischer
Weise mit 12V geladen, also ist es im Prinzip garnicht möglich 5V am
Ausgang zu bekommen, da immer 12V spikes vorhanden sind.


Aber wie funktioniert das ganze denn genau mit Spule? Die wird ja
schließlich auch immer ab und zu mit 12V geladen (in meinem Falle)
Wieso kommt hinten denn dann ne kleinere Spannung raus?

Autor: A.K. (Gast)
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Bei direkter Verbindung zwischen 12V und Ausgang wird der Strom durch
den Transistor nur durch diverse Innenwiderstände begrenzt und ist
dementsprechend hoch. Weder der MOSFET noch die Kondensatoren davor und
dahinter machen das lange mit. Ausserdem sorgen die dabei auftretenden
Transienten dafür, dass die Schaltung einen recht kräftigen Störsender
abgibt.

Jetzt wäre wohl die Vorlesung "was ist eine Spule" fällig. Das kurze
und wahrscheinlich nicht sehr hilfreiche Gleichnis: wenn man bei einem
Verhalten eines Kondensators Strom und Spannung vertauscht, dann kommt
dabei das Verhalten einer Spule heraus. Bitte Textbook oder Internet
benutzen.

Autor: Simon Küppers (Gast)
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Gut, danke dann aufjedenfall. Dann hab ich mich quasi schon beim Start
verlaufen ;)

Autor: Michael (ein anderer) (Gast)
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@Simon:

So, zurück vom Schlitten fahren.

Also, bei einer Spule ist es so:

Am Anfang, wenn eine Spannung an eine Spule angelegt wird, fliesst ja
sozusagen erstmal überhaupt kein Strom und die komplette Spannung fällt
an der Spule ab, da ihr Widerstand "effektiv" im Moment des
Einschaltens unendlich ist.

Jedoch existiert dieser Zustand ja nur eine unendlich kurze Zeit, denn
sobald eine Spannung an eine Spule angelegt wird, fängt der Strom von 0
an zu steigen. Bei einer idealen Spule steigt der Strom pro Zeiteinheit
exakt den gleichen Wert.

Strom und Spannung treten ja immer im Pärchen auf. Wenn irgendwo der
Widerstand sehr klein ist, fällt daran eine kleine Spannung bei großem
Strom ab. Und wenn ein Widerstand groß ist, fällt daran eine große
Spannung bei kleinem Strom ab.

Immer daran denken: U = R * I

So, und nun schau' Dir folgende Schaltung an:

   12V o----/Schalter/----/Spule/----/Kondensator/----o GND

Wenn der Schalter geöffnet ist, kann kein Strom fliessen. Die Spannung
am Kondensator ist 0 Volt.

Wenn der Schalter geschlossen wird, fliesst unmittelbar in dem Moment
in dem der Schalter geschlossen wurde, immer noch kein Strom, weil die
komplette Spannung an der Spule abfällt.

Jedoch unmittelbar sofort danach, fängt der Strom durch die Spule an zu
steigen. Der gleiche Strom lädt jedoch auch den Kondensator auf. Als
Folge davon steigt die Spannung am Kondensator. Wenn jedoch die
Spannung am Kondensator steigt, dann wird im gleichem Maße die Spannung
über der Spule geringer. Du hast ja insgesamt nur 12 Volt zur Verfügung.
Und die müssen sich nun über Spule und Kondensator verteilen.

Naja, irgendwann erreicht die Spannung am Kondensator die 5 Volt, und
der Schalter öffnet. In diesem Moment würde bei einer idealen Spule die
Spannung in's unendliche hochschiessen, weil die Spule den bis jetzt
erreichten Stromfluss um jeden Preis aufrechterhalten will. Hast Du nun
keine Freilauf-Diode drin, gibt's in der Praxis irgendwann ein Funke
über den Schalter oder sonstwo.


Soweit zur Spule. Und nun zu Deiner Schaltung. Dies sieht effektiv so
aus:

   12V o----/Schalter/----/Kondensator/----o GND

Wenn der Schalter geöffnet ist, fliesst kein Strom. Soweit ist es Dir
ja klar.

Was passiert aber in dem Moment, in dem Du den Schalter schliesst?

Nehmen wir mal an, wir hätten eine perfekte Spannungsquelle mit keinem
Innenwiderstand, der Schalter hätte keinen Innenwiderstand und der
Kondensator ebenfalls.

Wenn es so etwas gäbe, dann würde in dem Moment in dem Du den Schalter
schliesst, für einen unendlich kurzen Augenblick, ein unendlich hoher
Strom fliessen, um den Kondensator in "Null-Zeit" auf 12 Volt
aufzuladen. Denn der Strom würde ja von keinem Widerstand begrenzt.

Da nun aber jede Spannungsquelle, jeder Schalter und jeder Kondensator
auf dieser Welt einen Innenwiderstand hat, auch wenn der noch so klein
ist, wird der Strom durch die Innenwiderstände begrenzt. Die drei
Innenwiderstände kann man zu einem Innenwiderstand zusammen fassen:

 12V o----/Schalter/----/Innenwiderstände/----/Kondensator/----o GND

Wenn Du nun den Schalter schliesst, fällt unmittelbar am Anfang die
komplette Spannung von 12 Volt an den Innenwiderstände ab. D.h. der
Strom wird in Wärme "vernichtet". Wenn jedoch der Strom durch die
Innenwiderstände fliesst, lädt der gleiche Strom den Kondensator auf.
D.h. die Spannung am Kondensator steigt an. Da Du ja aber wie bei der
Spule nur eine begrenzte Spannung zur Verfügung hast, wird somit die
Spannung an den Innenwiderständen kleiner und der Strom beginnt zu
fallen. Irgendwann (in der Theorie in unendlicher Zeit, in der Praxis
in 5*R*C) ist der Kondensator dann auf die 12 Volt aufgeladen und es
fliesst kein Strom mehr.


So. So ist das mit Spannung, Strom, Widerstand, Induktivität und
Kondensator. Eigentlich ganz einfach.

Es hat schon einen Grund, warum in jedem Schaltnetzteil eine Spule
drinn ist, obwohl Spulen teuer sind und im Vergleich mit anderen
elektrischen Bauteilen schlechte elektrische Werte haben. Es geht
einfach nicht ohne Spulen.

Autor: Fritz Ganter (Gast)
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Ratber würde sagen, Simon seine Schaltung ist perfekt!

:-)

SCNR

Autor: Simon Küppers (Gast)
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Aha ! Super. Jetz versteh ich das Geheimnis um die Spule ;)

Wie ist das nun mit der "Induktivität" ? Je höher der
Induktivitätswert ist, desto mehr kann eine Spule speichern? desto
weniger Windungen hat sie ?!

Eigentlich müsste eine Spule mit niedrigen Windungen eine niedrige
Induktivität und eine relativ hohe Speicherwirkung haben, oder? kratz

Autor: Michael (ein anderer) (Gast)
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Also, je mehr Windungen, desto größer die Induktivität (bei gleichem
Kern etc.). Soweit so richtig.

Je größer die Induktivität, desto langsamer steigt der Strom an (bei
gleicher Spannung).

Mit der "Speicherfähigkeit" hängt das erstmal nicht zusammen, so wie
beim Kondensator.

Du kannst z.B. in einem 1nF Kondensator die gleiche Energie wie in
einem 1uF Kondensator speichern. Nur die dazu erforderlichen Spannungen
unterscheiden sich; den 1nF müsstest Du auf die 1000-fache Spannung
aufladen, um die gleiche Energie wie in einem 1uF Kondensator zu
speichern.

Mit der Spule ist's genau so, nur werden dort keine Spannungen
gespeichert, sondern es werden sozusagen "Ströme gespeichert".

D.h. wenn Du eine 1mH Spule auf einen Strom von 1mA "auflädst",
müsstest Du dafür eine Spule mit 1uH auf einen Strom von 1A
"aufladen" um die gleiche Energie zu speichern.

Beim Kondensator gibt die Kapazität an, wieviel Energie bei einer
bestimmten Spannung im Kondensator gespeichert ist, und bei der Spule
gibt die Induktivität an, welche Energie bei einem bestimmten Strom in
der Spule gespeichert ist.

Im Kondensator wird die Energie im elektrischen Feld zwischen den
Platten gespeichert, bei der Spule wird die Energie im Magnetfeld der
Spule gespeichert.

In der Praxis ist die "Energiespeicherfähigkeit" von Spulen und
Kondensatoren natürlich durch die Werkstoffe begrenzt. Beim Kondensator
hauptsächlich durch die maximale Spannung. Würde die Spannung zu groß,
würde der Kodensator durchschlagen. Bei der Spule wird die
Speicherfähigkeit hauptsächlich durch den maximalen Strom begrenzt.
Wird der Strom zu hoch, gerät der Kern in die magnetische Sättigung und
kann keine weiter Energie aufnehmen. Die Spule wird in diesem Fall zum
"Kurzschluss" weil die Induktivität rapide abnimmt.

Autor: Simon Küppers (Gast)
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sehr interessant, vielen dank schonmal. Ich les mir das alles noch 10mal
durch ;)

Autor: Stefan (Gast)
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1) Die Induktivität ist nicht nur von der Windungszahl abhängig
sondern vor allem auch vom Kernmaterial auf das die Windungen
aufgebracht sind und der Querschnittsfläche A einer einzelnen Windung.
Für eine langgestreckte Zylinderspule (Länge l) lässt sich die
Induktivität zum Beispiel berechnen mit
L = my_r  my_0  N^2 * A/l
Für kommerzielle Wickelkörper fasst man die Kernparameter (Material
und Geometrie) gerne zum AL-Wert zusammen, der auch in den
Datenblättern zu finden ist. Die Induktivität kann dann über den
AL-Wert berechnet werden mit:
L = AL * N^2

2) Die Energie, die einer Spule gespeichert IST berechnet, man über
W = 0.5  L  I^2
Von der Windungszahl hängt dies unter Beachtung von Punkt 1) also
nicht unbedingt ab. Wichtig ist die Windungszahl, wenn man
Sättigungseffekte des Kerns berücksichtigt:
Mit höherer Windungszahl steigt der magnetische Fluss im Spulenkern;
der Kern geht eher in Sättigung. => Der Induktivitätswert bricht
zusammen, der Spulenstrom (und so auch die Ströme duch die Halbleiter)
kann merklich ansteigen und gegebenenfalls die Schaltung zerstören.

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