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?
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.
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.
Alle Jahre (bzw. Wochen) wieder: Ohne Induktivität kein Schaltnetzteil. Punkt. Das was Du da versuchst zu bauen, ist ein "gepulster Linearregler".
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.
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.
Simon scheint in der Spule nur ein Instrument zur Glättung zu sehen. Darin mag das Missverständnis liegen.
@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.
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.
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?
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.
Gut, danke dann aufjedenfall. Dann hab ich mich quasi schon beim Start verlaufen ;)
@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.
Ratber würde sagen, Simon seine Schaltung ist perfekt! :-) SCNR
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
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.
sehr interessant, vielen dank schonmal. Ich les mir das alles noch 10mal durch ;)
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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