Sepic-ansteuerung

SEPIC an sich ist nur eine Schaltwandler-Topologie. Um zu Deiner Frage 
eine konkrete Antwort parat haben zu können, bedarf es auch einer 
konkreten Schaltung.

SEPIC-Schaltregler gibt's schon viele fix und fertig (damit meine ich 
ICs) von diversen Herstellern (z.B. Linear Technology (kurz: LT), 
u.v.a.). Schau einfach mal in den Schaltungs-Applikationen nach, dort 
gibt's u.U. viele interessante Schaltungen zu finden. Bei LT bin ich mir 
da sogar sehr sicher.

Für die 'richtige' Ansteuerung sorgt eben der sogenannte "Regler", 
während die Power-Transistoren (üblicherweise MOSFETs) nur das 
Stellglied darstellen.
Prinzipiell wird bei Schaltreglern alles über das Tastverhältnis 
gesteuert, d.h. die Ein- zur Ausschaltzeit der Transistoren im 
Stellglied wird bestimmt wieviel Energie vom Eingang (und irgendwie 
durch oder über eine Spule, dem energiespeichernden Element) zum Ausgang 
transferiert wird.
Ob die Kennlinie (d.h. Ausgangsspannung über Tastverhältnis oder 
umgekehrt aufgetragen) nun linear ist oder nicht hängt i.A. von der 
Topologie und im speziellen von der aktuellen Schaltung und der Regelung 
ab.

Für den Fall, daß Du Dich auch für andere Topologien erwärmen könntest, 
würde ich Dir die Buck-Boost-Topologie nahelegen, da dort keine 
gekoppelten Induktivitäten nötig wären. Als Beispiel fiele mir da der 
LTC3780 ein, den ich schon öfter benutzt habe. Leider reicht er nicht 
ganz an Deine geforderten 48V Eingangsspannung ran, denn er verträgt nur 
max. 36V.

Ich gebe aber nicht auf, und werde heute Abend mal Zuhause nach einer 
Wandler-Schaltung bis 48V am Eingang suchen. Möglicherweise könnte das 
aber ein reiner Buck-Converter sein, d.h. die Eingangsspannung sollte 
immer etwas größer als die geforderte Ausgangsspannung sein. Na mal 
sehen was ich finden kann. Kann Dir also hoffentlich morgen mehr 
'sagen', wenn weiterhin Interesse besteht?!

Tja, leider habe ich erst etwa 50% meiner Quellen durch - es zieht sich 
also etwas hinaus mit der Suche. Ich bleibe dran - Morgen hoffentlich 
mehr.

Solche Regler haben keinen spezifischen Namen (jedenfalls keiner der mir 
ad-hoc einfallen würde) außer den üblichen Verdächtigen (wie P, I und D) 
- nur eben auf Schaltregler gemünzt. Natürlich gibt es daneben auch ganz 
spezielle Kontroll-Methoden die nur bei Schaltreglern greifen (z.B. 
Singel-Cycle-Control, usw.). Manche nutzen auch einen 'Mechanismus', den 
ich nicht als Regelung sondern eher als Steuerung bezeichnen würde. Dazu 
benötigt man eigentlich nichts anderes als einen Komparator mit 
Hysterese, der den Schalttransistor ansteuert, z.B. beim Buck-Converter. 
Beim erreichen der Maximalspannung wird der Schalttransistor 
ausgeschaltet beim Unterschreiten der Minimalspannung wieder 
eingeschaltet. Durch geschickte Wahl der Schaltpunkte ergibt sich ein 
Gleichspannungssignal mit einer kleinen überlagerten Dreieckspannung. 
Mit einem Ripple von nur 5...20mVss hat man schon ein recht gutes 
Schaltnetzteil - zumindest für Digitalschaltungen.

Die Buck-Convertern kann man leider, bezüglich Ihres Verhaltens bei 
Unterspannung, nicht pauschalisieren, jedenfalls nicht, wenn sie mit den 
üblichen Controller-ICs von diversen Herstellern realisiert sind.
Ob sie mit der Taktung aufhören und schlichtweg den Schalttransistor 
immer eingeschaltet lassen halte ich für nicht sehr wahrscheinlich (habe 
ich aber auch (noch) nicht ausprobiert). Für wahrscheinlicher halte ich, 
aufgrund der oft implementierten Schutzschaltungen von solchen 
Regler-IC, daß sie ein Undervoltage-Lockout (Unterspannungsabschaltung) 
machen und den Ausgang einfach abschalten. Bei Boost-Convertern ist ein 
Undervoltage-Lockout mehr oder weniger Pflicht, wenn man den 
Schalttransistor vor Überstrom schützen möchte. Bedenke: Bei gleicher 
transferierter Leistung muß der Eingangsstrom steigen, wenn die 
Eingangsspannung sinkt. Diesen Maximalstrom muß sowohl der 
Schalttransistor als auch die Speicherdrossel verkraften (d.h. sie darf 
dabei nicht in Sättigung gehen).

Ooops - ELMOS-ICs waren bis bislang völlig unbekannt. Habe mich also 
mittlerweile mal ein bißchen schlau gemacht.
OK, im Produkt-Katalog 2007/2008 ist auf Seite 30 auch gerade z.B. der 
SEPIC-Wandler mit dem E910.24|25|26 gezeigt.

Jede der drei von Dir ins Auge gefaßten Konverter-Topologien haben ihre 
ganz spezifischen Vor- und Nachteile. Diese alle aufzuzählen würde den 
Rahmen eines Forum einerseits sprengen und sicherlich andererseits auch 
wieder zu elendig langen Diskussionen führen, welche nun die (für Dich) 
bessere Topologie sei. Entscheiden muß der Entwickler letztendlich 
selbst. Ein paar Punkte zum drüber Nachdenken möchte ich jedoch 
loswerden:

CUK:
  Vorteile:
    - Der Ein- und/oder Ausgangsstromripple kann, bei richtiger 
Auslegung, zu Null gemacht werden (ist schonender für die Elkos).
    - galvanische Trennung zw. Ein- und Ausgang möglich (aber leider 
Mehraufwand f. Rückführung der Istausgangsspannung nötig).
    - Nur ein aktives Schaltelement (Transistor) notwendig.
  Nachteile:
    - Benötigt große Koppelkondensatoren (evtl. teuer, voluminös, etc.).
    - Die gekoppelten Spulen/Übertrager gibt's i.d.R. nicht fertig zu 
kaufen, weswegen selber wickeln angesagt ist.
    - Es gibt keine Schaltregler-IC, die unmittelbar auf dieser 
Topologie aufsetzen, mißbrauch ist jedoch durchaus möglich. ;-)
    - Ausgangsspannung hat (ohne Übertrager) umgekehrtes Vorzeichen, 
d.h. aus pos. Eingangsspannung wird eine neg. Ausgangsspannung.

SEPIC:
  Vorteile:
    - galvanische Trennung zw. Ein- und Ausgang möglich (wie auch beim 
CUK).
    - Ohne Übertrager ist Polarität der Ein- und Ausgangsspannung 
identisch.
    - Auch hier nur ein aktives Schaltelement (Transistor) notwendig.
  Nachteile:
    - Benötigt großen Koppelkondensator (wie auch beim CUK).
    - Induktivitäten haben i.d.R. große Werte (z.B. gegenüber 
Buck-Boost).
    - Die gekoppelten Spulen gibt's i.d.R. ebenfalls nicht fertig zu 
kaufen.

Buck-Boost:
  Vorteile:
    - Kein großer Koppelkondensator nötig.
    - Induktivität kann sehr klein sein/werden, im Vergleich zum 
CUK/SEPIC.
  Nachteile:
    - Mehrere aktive Schaltelemente notwendig (z.B. sind's beim LTC3780 
immerhin 4(!) MOSFETs).

Um es vorweg zu nehmen: Diese Auflistung erhebt keinerlei Anspruch auf 
100%-ige Korrektheit (Irrtümer vorbehalten), Vollständigkeit usw., usw., 
usw., ...

Möglicherweise fallen anderen Forenmitgliedern/-teilnehmern noch andere 
Vor- und/oder Nachteile bei der jeweiligen Topologien ein.

Über die Wirkungsgrade habe ich hier explizit keine Aussage gemacht, da 
es zu großen Teilen auch an der Bauteilselektion liegt, d.h. z.B. 
MOSFETs mit niedrigem RDSon und Induktivitäten mit niedrigem Rdc wählen. 
Bei großen Ausgangsströmen keine Dioden zur Gleichrichtung verwenden 
sondern auch hier mit MOSFETs aktiv (und synchron) gleichrichten. Es 
gibt sogar Schaltregler-ICs die dazu einen dedizierten Ausgang bereit 
stellen.

Also bis morgen.

Der Buck-Boost muß aber nicht zwangsläufig wegfallen, denn eigentlich 
können alle Wandler so umgemodelt werden, das die Auskopplung der 
Energie über eine getrennte Wicklung, und somit eine galvanische 
Trennung, realisiert werden kann.

Naja, bei 24V und 10A sind wir schon bei etwa 250W Leistung und man 
sollte sich die Frage stellen, ob aufgrund dessen die Sperr- und 
Durchflußwandler noch sinnvoll sind. Bei dieser Leistung ist es schon 
grenzlastig (meiner Meinung nach). Und den Übertrager bei diesen 
Wandlern würde ich nicht selber wickeln wollen. SEPIC und Buck-Boost 
können mit den einfachen Standardspulen realisiert werden, zumindest 
solange keine galvanische Trennung unbedingt erforderlich wäre.
Bei diversen Schaltungsappliaktionen bzw. Referenz-Designs (u.a. von LT, 
TI, etc.) gibt es von diversen Herstellern schon fix und fertige 
Übertrager käuflich zu erwerben. Bislang habe ich es mir immer 
verkniffen darauf zurück zu greifen, da die Hersteller überwiegend 
irgendwo in den USA angesiedelt sind. Bevor ich also hier Tage oder 
Wochen ins Land gehen lasse, dort Quellen aufzustöbern, Angebote 
einzuholen, Bestellungen und Lieferungen abzuwarten, mache ich's lieber 
in einer Topologie, die ich hier in Deutschland mit vertretbaren Aufwand 
auch aufbauen kann, insbesondere bei Einzelstücken. Bei 
Serienfertigungen sähe das vermutlich anders aus.
Aber auch das ist eben, neben der generellen Schaltungs-Topologie, ein 
weiteres Kriterium warum sich der Eine oder Andere für oder gegen diese 
oder jene Topologie entscheidet.

Also Bene, nach mühevoller nächtelanger Sucharbeit (hat immerhin einiges 
wieder in Erinnerung gerufen) konnte ich leider keinen passenden 
Schaltplan für Dich finden. Höchstens Anregungen (Applikationen) und den 
Hinweis auf ein paar ICs, die es möglicherweise Wert wären mal genauer 
betrachtet zu werden - allerdings (fast) alles Konzepte ohne 
galvanische Trennung - als da wären (übrigens alles von Linear 
Technology, oder kurz LT):

- Design Note 156 (DN156), Figure 2 (LT1339)
- Application Note 66 (AN66), Seite 11 (LTC1149)
- Application Note 73 (AN73), (LT1339)
- Application Note 84 (AN84), Seite 27 (LT1339)

andere evtl. in Frage kommende ICs (Datenblätter einsehen) wären z.B.:
- LTC1435A
- LTC1438
- LT1533
- LT1339

Es dürfte sich sicherlich auch noch lohnen bei anderen Herstellern, wie 
National Semiconductors, Maxim, International Rectifier, NXP (ehemals 
Philips), ON Semiconductor, usw., zu suchen.

Nun, die Flyback-Wandler müssen die Energie im Übertrager speichern. Da 
ein Transistor die Spule bestromt (er liegt ja in Serie mit ihr), 
enstehen beim Abschalten recht große Spikes, die bedämpft werden wollen 
(vermeiden kann man sie halt nicht). Diese Spikes sind dafür 
verantwortlich Schalttransistoren zu wählen, die u.U. eine (sehr) hohe 
Sperrspannung aufweisen müssen. Allein schon die Bedämpfung (also die 
Umwandlung von magnetischer/elektrischer Energie in Wärme) an sich, ist 
etwas, was den Wirkungsgrad sinken läßt. Mit einer zusätzlicher Wicklung 
und ein paar weiteren Bauteilen kann man diese Energie speichern und 
beim nächsten Schaltzyklus wieder nutzen. Dies kompliziert aber wieder 
die Berechnung und Anfertigung des passenden Übertragers. Also egal wie 
man es dreht oder wendet, kein Vorteil ohne Nachteil, und ganz allgemein 
gesagt: Die Summe aller Übel ist stets konstant! ;-)

Ein SEPIC-Wandler ist nicht auf 1-2A begrenzt, weil ab da der 
Wirkungsgrad in den 'Keller' geht. Zur Zeit bin ich an der 
Entwicklung/Aufbau eines Labornetzteils mit 'automatischer 
Bereichsumschaltung' (wie es Agilent nennt) in der 250W-Leistungsklasse, 
daß ich als SEPIC-Wandler aufbaue. Es soll dann 0-100V bei max. 10A-2,5A 
liefern. Bis 25V Ausgangsspannung beträgt der max. Ausgangsstrom 10A und 
bei größeren Spannungen sinkt der Ausgangsstrom bis auf 2,5A bei 100V - 
Limit ist hier jeweils die max. mögliche Ausgangsleistung von 250W. Die 
Eingangsspannung liegt bei nominell 40-60V und ist als Ersatz für linear 
geregelte Netzteile gedacht. Eigentlich genau das Richtige für den 
DIYer, der bei einem bestehenden Netzteil den Trafo, Gleichrichter und 
Sieb-ELKO im Gehäuse beläßt und den eigentlichen Regler ersetzt. So war 
es von mir jedenfalls angedacht gewesen. Damit ist dann auch die 
Ausgangsspannung galvanisch getrennt von den 230V~.
Wenn's fertig ist stell ichs mal hier rein, denke ich.

Na dann kanns ja losgehen. :-)
Meinst Du mit 'regelbar', bei variabler Last, die Ausgangsspannung 
konstant zu halten? Oder soll's auf ein in der Ausgangsspannug 
regelbares Netzteil hinauslaufen?
Bedenke das ein Durchflußwandler immer eine (Mindest-)Last benötigt, da 
die meisten Controller-ICs das Tastverhältnis nicht von 0 an regeln 
können. Des weiteren ist das Tastverhältnis max. 50% wenn die 
'Entmagnetisierungswicklung' die gleiche Windungszahl wie die 
Primärwicklung hat, usw., usw., usw.
Aber vmtl. erzähle ich Dir da nichts neues, Du wirst Dich wohl schon 
schlau machen oder bereits schlau gemacht haben, gelle?
Und mit 48V bei 5A (also bis 250W) halte ich einen Durhcflußwandler auch 
für gerade noch durchführbar (wie schon erwähnt setzte ich persönlich 
hier die Grenze für diese Topologie, auch wenn es welche gibt, die das 
bis 500W treiben).
Wenn Du soweit bist, dann poste doch mal Deinen Schaltplan.

Eine gute Starthilfe wäre z.B. die folgende Seite:

http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/smps.html

Hier kann auch per Java-Applet eine Berechung durchgeführt werden, um 
mal die grundlegenden Bauteilwerte bei gegebenen Eingangsgrößen zu 
erhalten.


> Das mit der Mindestlast habe ich noch nicht gehört/gesehen. Meinst Du
> damit, dass er nicht kurzschlussfest ist?

Ein Durchflußwandler transferiert die Energie wenn der Schalttransistor 
eingeschaltet wird/ist. Dadurch ist der Übertrager kein speicherndes 
Element, sondern er arbeitet eben ganz simpel als das was er ist: Ein 
Übertrager. Der Vorteil ist, daß er keinen Luftspalt benötigt. 
Nachteilig ist, daß die hineingesteckte Energie auch am Ausgang 
abgenommen werden will. Ist keine (Grund-)Last vorhanden, so steigt ganz 
unweigerlich die Spannung. Um das zu verhindern, baut man entweder eine 
Grundlast ein (da reicht manchmal schon der Bruchteil eines Watt). Bei 
geregelten Netzteilen, mit Messung der Ausgangsspannung und 
entsprechender Rückführung, kann der Messspannungsteiler z.B. recht 
niederohmig ausgeführt werden, um bereits diese Grundlast zu erfüllen. 
Oder einen leistungsmäßig passenden Widerstand vorsehen. Als 
Schutzmaßnahme sieht man häufig eine sogenannte Crowbar-Schaltung, die 
bei Überschreiten der max. zulässigen Spannung den Ausgang mit einem 
Thyristor schlicht kurzschließen. Wenn das passiert, machen sich solche 
Netzteile häufig akustisch auf sich aufmerksam. ;-) Sie pfeifen und 
quitschen oft in den 'höchsten Tönen'.

Und nein, mein Netzteil ist von 0...100V und 0...10A regelbar (bei max. 
250W Leistungsabgabe und als Topologie kommt ein SEPIC-Wandler zum 
Einsatz.

> Dann hab ich dich falsch verstanden. Tut mir leid...

Muß Dir auf keinen Fall leid tun. Es kommt ja keiner dabei zu Schaden!

Wie eine Crowbar aussehen kann, zeigt Dir der Anhang.
Die Diode D ist so zu dimensionieren, daß sie abzüglich der nötigen 
Zündspannung (Gate-Cathode-Spannung) der gewünschten 'Abschalt'-Spannung 
entsprechen muß. Der Kondensator C bestimmt das Ansprechverhalten bzw. 
die Empfindlichkeit (d.h. kleine Spikes sollen ggf. noch nicht zur 
Auslösung führen). Der Widerstand R ist so zu wählen, das die Diode im 
Arbeitsbereich liegt - 1mA (oder sogar weniger) reichen hier schon 
häufig. Als Thyristor (Ty) kann man jeden Thyristor nehmen, solange er 
den max. möglichen Kurzschlußstrom, den das Netzteil liefern kann, auch 
aushält. Ein sogenannter Sensitive-Gate-Thyristor ist hier nicht 
notwendig, jeder Feld-, Wald- und Wiesentyp mit soundsoviel Ampere 
reicht.

Ein Beschaltungsbeispiel (nur zur Anregung) für den TL431 mit Optokppler 
suche ich derzeit noch. Kommt evtl. in einem späteren Post (sofern ich 
überhaupt fündig werde).

Bene wrote:
> @Josef: Der SEPIC geht an Raimund oder?
>
> @Raimund: Du hängst dich ja mächtig rein. Danke.

Gern geschehen.

> Wenns dich interessiert: hab einen gefunden...ist jedoch mit einem
> Controller, welchen ich nicht verwende und es ist ein TLV431. Da ist nur
> ein Unterschied: der hat eine Vergleichsspannung von 1,25 und nicht 2,5
> V...

Yip. Bei nur +3.3V Ausgangsspannung hätte ich auch nicht unbedingt den 
2.5V-Shunt-Regler eingesetzt, sonst würde ja nichts für die LED übrig 
bleiben!
Bei 48V Ausgangsspannung ist das dann aber völlig unkritisch und der 
TL431 kann/darf zum Einsatz kommen (weil billiger). ;-)

> Jedenfalls ist halt eine Beschaltung dabei, an welcher ich mich vllcht
> ein wenig anlehnen kann.
> http://focus.ti.com/lit/ml/slup204/slup204.pdf
> Dies ist der Link und auf Seite 16 ist die Schaltung ;)
> Endlich kann ich dir auch mal was zeigen :)

Najaaaaaa - wenn man mal davon absieht, daß mit Figure 14 ein 
3.3V/2.5A-Wandler gezeigt ist, der also gerade einmal etwas mehr als 8W 
an Leistung zur Verfügung stellt ...
Mit den 48V und 5A bist Du schon 'ne ganze Leistungsklasse darüber.
Gut, für den Controller ist das eh egal, solange er z.B. nur die 
Treiberleistung für den Schalt-MOSFET bereitstellen kann (oder eben über 
einen zusätzlichen Treiber). Feedback, Regelung, etc. sind bereits 
intern mehr oder weniger vorgegeben. Such evtl. mal eine Applikation, 
die mehr Power überträgt und Du bekommst möglicherweise einen 
Eindruck/Idee was man wo, wie umdimensionieren muß. Das konkrete und vor 
allem komplette Durchrechnen der Schaltung ersetzt das natürlich nicht. 
Also z.B. welche maximalen Spannungen und Ströme ergeben sich an welchen 
Schaltungspunkten zu welchen Zeiten. Ist nicht immer ganz trivial. 
Außerdem ist auch der Aufbau entscheidend für die Funktion oder 
Nichtfunktion einer Schaltung. Z.B. sei da genannt, wie man den 
Übertrager wickelt oder wie das Platinenlayout auszusehen hat, um 'böse' 
Überraschungen zu vermeiden.

Zwar ist der Durchlußwandler kein Hexenwerk, aber möglicherweise nicht 
sooo simpel wie Du Dir das zu Anfang evtl. vorgestellt hast. Aber wir 
werden Dir sicherlich in jedem Schritt helfen, und Du hast 
offensichtlich auch kompetente Hilfe. :-)

Bis demnächst.