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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schaltregler: Spannungsverlauf über Drossel


Autor: Gast (Gast)
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Ich bin gerade dabei einen simplen Step-Down Schaltregler auszumessen. 
Beim Spannungsverlauf über der Spule ist mir das Schwingen aufgefallen, 
dass abhängig des Ausgangsstromes ist:

U_Drossel, I_OUT = 0mA
http://img187.imageshack.us/my.php?image=print22va8.png

U_Drossel, I_OUT = 70mA
http://img187.imageshack.us/my.php?image=print21qw9.png

Dies ist wohl auf den Discontinuous Current Mode rückzuführen. Der 
Wikipedia-Artikel geht aber bei diesem Fall leider nicht auf die genaue 
Ursache ein:
http://de.wikipedia.org/wiki/Discontinuous_Current_Mode

Nun wollte ich fragen, ob ihr mir diesen Vorgang erklären könntet?
Ursache der Schwingung dürfte wohl der entstandene Schwingkreis aus der 
Speicherdrossel und dem Ausgangskondensator sein, liege ich da richtig?
Doch was sind die Kriterien, dass diese Schwingung eintritt?

Danke für eure Hilfe

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Also der Verlauf vor der Schwingung ist korrekt.
Das Schwingen dahinter ensteht aus der Drosselinduktivität und der 
parasitären Sperrschichtkapazität der Freilaufdiode vor der Drossel.
Sowas kann mit einem SNubbernetzwerk über der DIode begrenzt werden:
Reihenschaltung aus R-C parallel zur DIode. Formeln hab ich keine parat 
für die Werte, ich teste das immer. Größenordnung sollte einige nF und 
einige Ohm sein.

Kann es sein, das der Aufbau nicht gerade optimal ist? (Lochraster oder 
so?)
Kann es sein, das der Wandler auf >250mA Ausgangsstrom ausgelegt ist?


Es ist nicht der Ausgangskondensator, dieser ist mit einigen 100µF bei 
diesen Frequenzen eher leitend und die Diode verhindert das Schwingen. 
Hauptursächlich ist die Sperrschichtkapazität.

MEsse doch mal die Schwingfrequenz und rechne aus der 
Drosselinduktivität die notwendige Kapazität dazu aus. Und das 
vergleichst du mal mit der Größenordnung des Ausgangselkos.

Autor: Gast (Gast)
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Der Ausgangselko ist in der Tat viel grösser als der errechnete Wert für 
den Schwingkreis.

Aufbau ist in der Tat nicht optimal, ich verwende Lochrasterplatinen. 
Die Leitungen sind aber so kurz wie nur möglich.

Laut Datenblatt ist der Wandler bei meiner gewählten Induktivität und 
Eingangsspannung auf einen Ausgangsstrom von 450mA-650mA ausgelegt. Dass 
ich da darunter bin, ist mir auch klar. Ich war mir einfach unklar WIE 
GENAU diese Schwingung zu Stande kommt.

Inwiefern ist dieser Betrieb denn zu vermeiden? Am Ausgang habe ich bei 
tiefen Strömen immer noch eine schöne Spannung ohne viel Welligkeit... 
Oder schadet es dem Schaltregler?

Danke für den Hinweis mit der Sperrschichtkapazität. Doch inwiefern 
spielt da die Stromgrösse eine Rolle?

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Stromgrösse eine Rolle?
Für die Schwingung an sich garnicht. Nur entsteht diese Schwingung nur 
dann, wenn der Drosselstrom abreißt. uA deshalb ist der diskont.Mode zu 
vermeiden.
Die Drossel sollte so ausgelegt sein, das dieser DCM möglichst vermieden 
wird. Als Faustwert sagt man, dass ab ca 10% Nennstrom der Strom nicht 
mehr lücken sollte. Ströme darunter sollten, wenn möglich vermieden 
werden. SOnst:


>schadet es dem Schaltregler?
Nein. Aber die Regelung arbeit nicht mehr sauber. Es kann ein hörbares 
Summen enstehen mit der dann die Stellgröße hin und hergefahren wird.


>meiner gewählten Induktivität und Eingangsspannung auf einen Ausgangsstrom
Zur Info: Eine Drossel hat ZWEI Kenngrößen:
Induktivität UND Sättigungsstrom.
Beide müssen zur Anwendung passen. Wenn du als eine (bauform)kleinere 
Drossel mit derselben Induktivität einbaust, dann wirst du den Strom 
nicht mehr erreichen.

Achja, Lochraster ist bei den Frequenzen immer Murks. Bau es ordentlich 
auf, und es wird schon gleich anderser aussehen.

Autor: Gast (Gast)
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>>schadet es dem Schaltregler?
>Nein. Aber die Regelung arbeit nicht mehr sauber. Es kann ein hörbares
>Summen enstehen mit der dann die Stellgröße hin und hergefahren wird.
Die Messung der Ausgangsspannung bei Laständerung ergab aber keine 
besonders schlechte Werte.

>Zur Info: Eine Drossel hat ZWEI Kenngrößen:
>Induktivität UND Sättigungsstrom.
Sättigungsstrom der Induktivität ist berücksichtigt.

Deiner Ansicht nach ist der DCM also immer zu umgehen? Ich frage deshalb 
weil im Wikipedia-Artikel auch Vorteile aufgelistet sind. Ausserdem habe 
ich auch schon einen Schaltregler (AS1341) gesehen, der vollständig im 
DCM arbeitet, ohne dass man daran was ändern könnte...

Autor: Gast (Gast)
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Für mich sehen die Kurven so aus, daß Du an Stelle einer Speicherdrossel 
eine Entstördrossel verwendest, die nicht viel Energie speichern kann.

Autor: gast (Gast)
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>Für mich sehen die Kurven so aus, daß Du an Stelle einer Speicherdrossel
>eine Entstördrossel verwendest, die nicht viel Energie speichern kann.
Das ist wie gesagt nicht der Fall.

Ausserdem habe ich diese Kurvenform ja, wie gesagt, schon in einem 
Datenblatt eines anderen Schaltregler gefunden...

Autor: Gast (Gast)
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Um welchen Schaltregler geht es denn?
Die Schwingung hat nichts mit dem Ausgangselko zu tun; der Größenordnung 
nach ist es wohl die Eigenresonanz der Drossel (irgendwo hat die ja auch 
ihre Kapazitäten :-)

Autor: Andreas K. (a-k)
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Im Datasheet vom LM2594 wird dieses Verhalten ausnahmsweise mal 
ausdrücklich erwähnt und ist sogar bebildert.

Daraus geht übrigens auch hervor, dass dieses Verhalten umso deutlicher 
auftritt, je geringer die Spulenverluste sind. Was also bedeutet, dass 
eine zweckentfremdete Entstördrossel in dieser Hinsicht eher besser 
abschneiden dürfte als ein Ferrit-Ringkern.

Autor: Andreas R. (rebirama)
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Hi,

Die Schwingungen kommen mit ziehmlicher Sicherheit aus dem Schwingkreis 
aus Drossel&Sperrschichtkapazität (der Ausgangselko stellt dafür 
praktisch einen Kurzschluss dar). Ich hab solche Effekte selbst schon 
genauer untersucht.
Wenn Du's beweisen willst kannst du folgendes ausprobieren:

-Nimm eine Diode mit kleinerer Kapazität, z.b. eine schnelle Si Diode.
Damit sollte sich die Frequenz deutlich erhöhen, der Wirkungsgrad geht 
aber in die Knie wegen der höheren Flusspannung.

-Schalte ein paar 100pF testweise parallel zur Diode, auch damit lässt 
sich die Frequenz beeinflussen. Dadurch lässt sich auch direkt die 
Sperrschichtkapazität der Diode bestimmen!

Mit Hilfe eines Snubbers(Reihenschaltung aus R und C) parallel zur Diode 
kannst du die Schwingungen reduzieren. Typisch sind hier pF und kOhm.
Was ich machen würde wäre:
Festlegen des Snubber-C:
-C parallel zur Diode bis sich die Frequenz um ~10 - 50% reduziert
Bestimmen des passenden Rs:
-Jetzt R in Serie zu dem C schalten und solange ändern bis die 
Schwingung maximal gedämpft ist. Dafür tat es an nem kleinen 
Cuk-Konverter sogar ein einfaches Poti, welchen dann natürlich durch dem
entsprechnenden Widerstand ersetzt wird.

Nicht übertreiben mit dem C: je größer der ist, desto mehr strom fließt 
anschließend im R, das kostet Wirkungsgrad!

Nebenbei: Je kleiner die Fläche die von diesen oszilierenden Strömen 
umschlossen wird, also der Kreis Speicherdrossel-Diode-Ausgangselko, 
desto weniger HF wird auch abgestrahlt.

Wie schon Andreas Kaiser schrieb: ein "schlechtes" Kernmaterial bedämpft 
auch.

Autor: Detlef _a (detlef_a)
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Ja, die schnelle Oszillation ist die Schwingung der Speicherdrosseln mit 
der Sperrschichtkapazität der Diode. Die setzt ein, wenn die 
Speicherdrossel 'leer' ist, also der Strom durch die Spule 0 wird und 
die Diode sperrt.

Ich habe das in PSpice mal simuliert, doku anbei. Im oberen Teil des PDF 
ist die Schaltung von nen Aufwärtsregler zu sehen (step-up, booster) mit 
1Mhz Schaltfrequenz, 10u Drossel und 1N4148 als Diode. Das nächste Bild 
zeigt die Spannung am geschalteten Knoten in rot und den Spulenstrom in 
grün. Sobald der Spulenstrom 0 wird fängt die Oszillation an, ca. 40Mhz. 
40Mhz sind mit 10u als Spule ca 1pF oder so. Das dritte Bild zeigt die 
Verhältnisse, wenn 3pF zur Diode parallel liegen. Dann halbiert sich die 
Frequnz bei der Vervierfachung der Kapazität.

Wieder was dabeigelernt, thx.

Cheers
Detlef

Autor: gast (Gast)
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>Wieder was dabeigelernt, thx.
Ich danke ;)

Ich danke natürlich allen, die hier geantwortet haben. Ist nun alles 
klar...

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