Hallo, ich würde gerne die Funktionsweise eines StepUp-Konverters näher verstehen. Das Prinzip, ist halbwegs klar. Stichwortartig: Feld einer Spule/Speicherdrossel wird aufgeladen, die gespeicherte Energie muss nach "abschalten" der Spule irgendwo hin und der Strom durch die Spule kann nicht springen, beides wird dadurch erreicht, dass ggf. die Spule eine höhere Spannung als die erzeugt, mit der sie geladen wurde. Auch die Analogie zum Schwungrad ist mir bekannt (kann mit kleinem Drehmoment langsam in Rotation versetzt werden, beim schnellen Abstoppen wird ein hohes Moment freigesetzt). So ganz durchschaue ich aber noch nicht, was wann wo mit Strom u Spannung genau passiert. In angehängter Simulation z.B. hat der durch die Spule fließende Strom einen sägezahnförmigen Verlauf um 0V herum. Also die Stromrichtung durch die Spule ändert sich, was ich nicht nachvollziehen kann. Auch steigt die von der Spule erzeugte Spannung bei kürzeren Off- aber gleichbleibenden On-Zeiten schneller an. Da stellt sich mir die Frage, woher die Spule am Anfang der Off-Zeit "weiß", wie lange diese dauern wird? Usw... Irgendwie steige ich da absolut nicht durch. Internetrecherchen bringen mir entweder Erklärungen der Art "...die Spule "will" den Strom aufrecht erhalten..." oder komplizierte integrale Berechnungen. Ich suche irgendwas dazwischen, eine möglicht detaillierte Erklärung, aber ohne allzu hohe Mathekenntisse vorauszusetzen. Ist hier jemand zu sowas in der Lage (und gewillt :) ), oder hat einen Link auf eine entsprechende Seite? viele Grüße, Anfänger
es fehlt die "angehängte simulation" und ein Schaltplan. Es gibt viele verschiedene StepUp-Konverter Varianten.
Angehängte Dateien:
-
StepUp.PNG
2,6 KB
Stimmt, sorry, hier der Schaltplan. Mir geht es nicht um verschiedene Varianten von StepUp-Schaltungen, äußerer Beschaltung der Speicherspule o.Ä. Ich würde nur gerne die Funktionsweise der getakteten Speicherspule an sich verstehen und was mit Strom u Spannung direkt vor und hinter der Spule passiert.
Vorneweg: so wird die Schaltung nichts brauchbares tun, denn da fehlt (ganz wichtig!) noch eine Diode, die das Entladen des Kondensators bei leitendem Transistor verhindert! Und wenn die Diode dann drin ist,wird die Spannung hier beliebig weit hochlaufen, weil niemand die im Kondensator gespeicherte Energie entnimmt (und die Taktquelle nicht abgeregelt wird). Es gibt prinzipiell 2 Phasen: Phase 1: Transistor leitet, Strom durch Spule steigt linear an. Phase 2: Transistor ist abgeschaltet. Und jetzt kommts: der Strom durch die Spule fließt nicht mehr durch den Transistor, sonder /einfach weiter/ in den Kondensator. Wenn Strom in einen Kondensator fließt, steigt dort steigt die Spannung an. Unterdessen nimmt der Strom durch die Spule wieder linear ab. Und dann geht es wieder weiter bei Phase 1...
Ja... Das kommt daher, weil Du keinen Regler simuliert hast, sondern einen Schalter, der mit PWM angesteuert wird. Erst mal wird es der Simulation gut tun, wenigstens eine gewisse Grundlast hinten am Kondensator hinzuzufügen. Die Simulation ist ideal durchgerechnet und da gibt es am Kondensator keine Verluste (keinen Parallelwiderstand). Du regelst mit Deiner Simulation auch nichts, sondern taktest nur den MOSFET. Ich habe mir jetzt Deine Taktfrequenz nicht genau angeguckt und ob die halbwegs mit Deiner Spulen-/Kondensator -Kombination zusammen passt. Dein Verständnis über einen StepUp-Regler ist ja an sich nicht ganz falsch. Schau mal bei LT vorbei und in das Datenblatt vom LTC3787, da ist weiter hinten eine tolle Beispielschaltung mit allen relevanten Spannungs- und Stromverläufen drin.
aw4gqa34 schrieb: > Die Diode habe ich auch übersehen. Konntest du gar nicht. Die ist ja gar nicht drin... ;-)
Danke für die Antworten. Ich habe mich aber wohl etwas missverständlich ausgedrückt. Mir geht es NICHT darum, eine funktionierende Schaltung zu bauen/simulieren. Ich will keinen Kondensator laden, und auch keine höhere Spannung erzeugen. Auch geht es mir nicht darum, irgendein vages, näherungsweises Verständnis einer StepUp-Schaltung zu bekommen. Mir geht es um den genauen Funktionsablauf der getakteten Speicherspule. Also wie sich zu welchem Zeitpunkt Strom u Spannung vor, in und hinter der Spule verhält und warum.
Du hast die Schaltung doch schon im Simulator aufgebaut. Dann simulier die doch mal! Dann siehst du Ströme und Spannungen.
Anfänger84 schrieb: > Auch steigt die von der Spule erzeugte Spannung bei kürzeren Off- aber > gleichbleibenden On-Zeiten schneller an. Da stellt sich mir die Frage, > woher die Spule am Anfang der Off-Zeit "weiß", wie lange diese dauern > wird? Die Spule weiss es nicht. Sie baut in der Off-Zeit das Feld anfangend mit dem aktuellen Strom und der Elko-Spannung am Ausgang ab, bis der Regler der Ansicht ist, dass es wieder an der On-Zeit wäre. Da kann dann noch Feld übrig sein (continuous mode) oder nicht (discontinuous mode). Im continuous mode sinkt also der Spulenstrom nicht auf 0. In der Anlaufphase eines Switchers pumpt sich daher der mittlere Strom durch die Spule von einem Zyklus zum nächsten sukzessive hoch, bis der Punkt erreicht ist, wo die Last exakt bedient wird. In dieser Betriebsart kann man also nicht den einzelnen Zyklus isoliert betrachten. Der discontinuos mode ist etwas leichter verständlich, da darin jeder Zyklus für sich betrachtet werden kann.
Anfänger84 schrieb: > > Mir geht es um den genauen Funktionsablauf der getakteten Speicherspule. Was bitteschön soll dieser Satz bedeuten? Solange du dich vage ausdrückst, wirst du auch nur vage Antworten bekommen. > Also wie sich zu welchem Zeitpunkt Strom u Spannung vor, in und hinter > der Spule verhält und warum. Zeichne dir doch mal den Step-up Wandler auf ein Blatt Papier. Darunter zeichnest du den Step-up Wandler, wenn der Schalter eingeschaltet ist und die Diode blockt und darunter zeichnest du den Step-up Wandler, wenn der Schalter ausgeschaltet ist und die Diode leitet. Dann wirst du sofort erkennen, welche Spannungen wie und wo herrschen und wo welcher Strom fließt. Alternativ, wenn du dir die Arbeit ersparen willst, hier die Diagramme: http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/aww_smps.html Und hier eine Erklärung, was da passiert. http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/aww_hilfe.html Nun musst du nur noch lesen.
Verstehe ich Folgendes richtig?: -Eine ideale Spule kann keine Ladung speichern, sondern nur Energie. -Der Strom vor, in und hinter der Spule hat immer die gleiche Stärke. -Im Ausschaltmoment muss die in der Spule gespeicherte Energie abgebaut werden. Dazu fließt auch nach dem Ausschalten der Spule noch weiter Strom. -Ist hinter der Spule ein strombegrenzendes Bauteil (z.B. ein Kondensator, der nur begrenzt (bzw. von der anliegenden Spannung abhängig) Ladung aufnehmen kann), dann erhöht die Spule die Spannung so weit, dass die gespeicherte Energie auch mit geringer Ladungsmenge abgebaut werden kann. In oben angehängter Schaltung (die ich natürlich auch simuliert habe,4toTakoe) fließt der Strom durch die Spule in beide Richtungen. Ich habe einen sägezahnförmigen Stromverlauf (logisch, linear ansteigender Strom bei eingeschalteter Spule, schnell abfallend nach dem Ausschalten), aber eben nicht nur im positiven Bereich, sondern die 0-Ampere-Linie liegt irgendwo mittendrin. Woran liegt das?
Anfänger84 schrieb: > > In oben angehängter Schaltung (die ich natürlich auch simuliert > habe,4toTakoe) fließt der Strom durch die Spule in beide Richtungen. Ich > habe einen sägezahnförmigen Stromverlauf (logisch, linear ansteigender > Strom bei eingeschalteter Spule, schnell abfallend nach dem > Ausschalten), aber eben nicht nur im positiven Bereich, sondern die > 0-Ampere-Linie liegt irgendwo mittendrin. Woran liegt das? Dass du keine Diode eingebaut hast. Denn du befindest dich im Lückbetrieb.
Dass durch eine Diode rückfließender Strom verhindert werden würde ist klar :-) Aber warum "will" der Strom überhaupt rückwärts durch die Spule fließen? Woher kommt da die entsprechende Potentialdifferenz (oder was auch immer Elektronen-Treibendes).
Anfänger84 schrieb: > -Ist hinter der Spule ein strombegrenzendes Bauteil (z.B. ein > Kondensator, der nur begrenzt Ein Kondensator begrenzt nicht den Strom.
Anfänger84 schrieb: > Aber warum "will" der Strom überhaupt rückwärts durch die Spule fließen? Tut er nicht. Die Stromrichtung bleibt gleich, die Spannung polt um. Das lässt sich nachvollziehen, wenn man den Elektronen folgt. In der Ladephase fliessen die Elektronen am Minuspol der Spule rein und am Pluspol raus. In der Entladephase wird die Spule zur Stromquelle und die der Minuspol einer Stromquelle ist dort, wo die Elektronen raus kommen. Das war vorher der Pluspol.
Anfänger84 schrieb: > Dass durch eine Diode rückfließender Strom verhindert werden würde ist > klar :-) So wie du deine Fragen hier stellst, ist es für mich nicht klar, dass es für dich klar ist. > > Aber warum "will" der Strom überhaupt rückwärts durch die Spule fließen? Weil die Ausgangsspannung eines Step-up Wandlers - und jetzt bitte nicht vor lauter Überraschung vom Stuhl fallen - größer ist als die Eingangsspannung. :)
Zur Klärung: Ist in der Diskussion eigentlich noch ein Step-Up gemeint, oder ist das schon Schnee von gestern und es geht um das, was rauskommt, wenn man bei einem Step-Up die Diode weglässt?
Anfänger84 schrieb: > Aber warum "will" der Strom überhaupt rückwärts durch die Spule fließen? > Woher kommt da die entsprechende Potentialdifferenz (oder was auch immer > Elektronen-Treibendes). Weil du mit dem Kondensator einen Schwingkreis gebaut hast. Da pendelt die Energie immer zwischen Kondensator und Spule hin und her bis sie dur die ohmischen Verlust irgendwann abgebaut (in Wärme) ist. Da muss eine Diode rein sonst funktioniert es nicht. Mit Diode polt sich auch der Strom nicht um.
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