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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik hilfe bei step up wandler


Autor: MC (Gast)
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tag leute,
ich wollte mich so langsam in den bereich der schaltregler vorwagen. 
dafür wollte ich zuerst einen kleinen regler selber aufbauen. er muss 
noch nicht effizient und nix sein. nur so zum besseren verstehen.
so, ich habe als spannungsversorgung einen großen li-ion akku. die 3,6v 
möchte ich jetzt zu 12v bei 1,75a wandeln.
mit dem tool http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/aww_smps.html habe 
ich eine spule von ca. 78µh ausgerechnet. aus dickem draht (2,5mm²) habe 
ich dann eine spule mit 108µh gewickelt. als schalter benutze ich einen 
buz11. die taktfrequenz ist mom 7,2khz. das ist sehr niedrig, ich weiß. 
es soll mom ja auch noch nicht ideal sein, es soll ja nur funktionieren.
mein problem ist nun, dass ich damit nicht auf die gewünschten 12v 
komme, sondern nur unwesentlich höher als die akkuspannung.
woran kann das liegen? hat da jemand eine idee? kann mir jemand einen 
tipp geben?
danke schonmal für eure antworten,
MC

Autor: avion23 (Gast)
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Schaltplan?
Mosfet-treiber / Ansteuerung?
Diode schnell genug?
Ausgangskondensator?
Welcher Kern / Welcher Sättigungsstrom?

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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Das:
>die 3,6v möchte ich jetzt zu 12v bei 1,75a wandeln.

passt nicht mit:
>in den bereich der schaltregler vorwagen.

zusammen.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Bei der arg niedrigen Frequenz reicht wahrscheinlich die Induktivität 
der Spule nicht aus und sie wird auch in die Sättigung gehen. Aber ohne 
Schaltplan kann man hier gar nichts sagen.

Autor: MC (Gast)
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danke schonmal für die antworten!
als mosfet-treiber nehme ich den 7667. der kern lag gerade herum, ka was 
der für einen al- und sättigungswert hat. die induktivität ist laut dem 
tool, was oben steht, eigentlich ausreichend. als diode benutze ich eine 
byv26e aus einem atx-netzteil ausgebaut. schaltplan kommt sofort.

Autor: MC (Gast)
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so, der schaltplan ist im anhang. ist zwar keine schönheit, sollte 
seinen zweck aber erfüllen.
kann ich denn irgendwie am verlauf von spannung oder strom eine 
sättigung der spule erkennen?

Autor: MC (Gast)
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ach ja, am ausgang ist ein 470µF kondensator. aber das ist doch 
unwichtiger, da der ja nur für die glättung sein sollte, oder?

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Der Schaltplan ist schon in Ordnung. Der BUZ11 ist für 5V wegen zu hoher 
Gate-Schwellspannung allerdings nicht geeignet, da wäre ein IRF7401 
geeigneter. Dieser ließe sich auch ohne MOSFET-Treiber direkt am 
Controller betreiben, da die Gate-Schwellspannung bei nur etwas über 1V 
liegt. Die Diode ist übrigens eine SoftRecovery Avalanche Diode, wenn 
Dir das hilft. Erhöhe mal die PWM auf über 30kHz und setze die EIN-Zeit 
für den MOSFET auf etwa 20% gegenüber der AUS-Zeit. Ach und da es keine 
Regelung in Deiner Schaltung gibt, kann es bei optimaler Ansteuerung 
durchaus zu extremen Spannungen am Ausgang des Wandlers kommen, welche 
den MOSFET zerstört. Daher nie ohne Last betreiben oder eine schnelle 
Regelung einbauen.

Autor: MC (Gast)
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eine regelung kommt natürlich noch. die wollte ich allerdings erst 
angehen, wenn der wandler an sich funktioniert.
werde deinen tipp mal ausprobieren, bin schon richtig gespannt!

hab gerade mal "avalanche diode" gegoogelt. wenn ich im arbeitsbereich 
der diode mit negativem deltaR bin, wäre das doch ideal, oder sind die 
dioden zu langsam? ich hab aus dem netzteil noch größere 
avalanche-dioden. werd mir da mal die datenblätter ansehen...

Autor: Olaf (Gast)
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1. Das wandeln von 3V auf 12V bei fast 2A ist bereits nicht mehr
   ganz so einfach, wenn sicherlich auch machbar. Fuer den ersten
   Schaltregler im Leben aber vielleicht schon zu anspruchsvoll.

2. Bei einer Schaltfrequenz von 7khz ist das ganze ein Witz.
   Die da notwendige Induktivitaet ist vermutlich bereits so gross
   wie dein Handy.

3. Es mit einer Spule zu machen ueber die man keine Daten hat ist
   schlicht unmoeglich.
   Alle anderen Fehler die du noch gemacht hast sind dann noch ein
   Bonus.

Ich wuerde dir raten deine Arbeitsmethoden nochmal gruendlich zu 
ueberdenken. Fuer Anfaenger empfiehlt sich der MC34063. Mit einer
Schaltfrequenz von 50-80khz kann man noch ganz gut arbeiten, notfalls
sogar auf Lochraster, gleichzeitig sind die Spulen einfach beschaffbar.
Bei geringen Anspruechen geht sogar eine fertig kaufbare Drossel von
Reichelt. Ausserdem hat der Regler ein wirklich gutes Datenblatt und
eine gute Applikationsschrift. Wenn man lesen kann dann sollte man
das damit hinbekommen.

Olaf

Autor: MC (Gast)
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den mc34063a hab ich mir direkt mitbesorgt. wollte es einfach mal 
ausprobieren. die 12v bei 1,75a werden für eine auto-rücklichtlampe 
benötigt, die ich in eine alte größere taschenlampe eingesetzt hab. das 
ganze ist dann  schön hell;-)
werde einfach alles mal ausprobieren, denn: probieren geht über 
studieren

noch eine frage: kann ich irgendwie messtechnisch feststellen, ob die 
spule in sättigung gerät oder nicht?

Autor: Olaf (Gast)
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> noch eine frage: kann ich irgendwie messtechnisch feststellen, ob
> die spule in sättigung gerät oder nicht?

Du koenntest es wohl am Strom sehen. Im schlimmen Faellen kann man es
mit dem Finger durch beruehren messen. :-)

Olaf

Autor: Ich (Gast)
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Der Eingangsstrom steigt unverhältnismäßig hoch an.

Autor: Atmega8 Atmega8 (atmega8) Benutzerseite
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@ MC

1. Dein LiIon-Akku müsste einen Strom von 4 * 1.75A = 7A liefern können.
Das ist eine echt fette LiIon-Zelle von der Größe eines kleinen 
Laptop-Akkus.

2. Was für einen µC benutzt du? ATTiny o. ATMega

Bastle dir mal eine Schaltung (egal ob Platine oder schwebende 
Schaltung) bei der du die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung 
(Spannungsteiler erstmal reichlich dimensionieren) messen kannst.
Zusätzlich brauchst du noch einen Mosfet der bei LogikLevel (2.5V) 
schaltet. (oder Treiber mit genug Spannung)

3. Verbinde z.B. OC1A (PB1 beim Mega8) über einen Treiber mit dem Gate 
des Mosfets, bastle einen festen Widerstand (~100 Ohm -> 120mA) an den 
Ausgang und geh mal verschiedene Pulsweiten durch.

Von 0% bis 50% On-Zeit und miss die Spannung am Widerstand.
(Langsam erhöhen)

Zur Sicherheit kannst du einen kleinen Eingangswiderstand ( 1 bis 5 Ohm) 
verwenden.

Am Eingang (vor der Spule) und nach der Diode des Step Up 
Spannungswandlers kommen Kondensatoren!
(jeweils Keramik und Elko) je mehr Keramik desto besser :)

lg

Autor: MC (Gast)
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der akku besteht schon aus alten laptop akkus. so ca. 20zellen sind das. 
pi mal daumen haben die ne gesamtladung von 90Ah.
ich benutze keine avrs. der controller ist mom ein at89c2051, also ein 
8051er. deshalb auch nur die 7,2khz. der µc hat nämlich keinen 
hardware-pwm. langfristig wollte ich auf den 89lp2052 umsteigen. da kann 
ich dann zwei pwm's mit glaub ich über 100khz nutzen. die hab ich aber 
noch nicht hier...
das durchgehen der pulsweite hab ich schon drin. der mosfet ist ein 
buz11 mit 7667 als treiber, ich dachte, das wird auch gehen....(?)
die kondensatoren vor der spule hab ich noch nicht. wären aber vllt 
nicht schlecht, um die pulsströme besser zu puffern. die keramik-kondis 
sollten doch bei mir weniger von nöten sein, da ich ja nur eine lampe 
als last habe, oder?

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Kondensatoren direk an den schaltenden Elementen steigern den 
Wirkungsgrad, unabhängig von der Last.

Autor: MC (Gast)
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aha, wusste ich auch noch nicht! man lernt halt nie aus...

Autor: Atmega8 Atmega8 (atmega8) Benutzerseite
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@ MC
Mit einem AtTiny45 bekommst du ein Hardware-PWM-Signal von 100KHz bei 
25.6MHz PLL-Takt und 8 Bit PWM-Counter.

Da er ein 8 Beiner ist kann man ihn auch leicht löten.
Die Beinchen reichen für z.B.: 1xPWM, 3xADC und Software-UART.

Autor: MC (Gast)
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klingt ja ganz gut, bin nur von der 8051er fraktion... aber danke für 
den hinweis. vllt werde ich in ein paar jahren ja "überlaufen". wer weiß 
das jetzt schon?

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Für einen Step-Up-Converter braucht man kein 8-Bit-PWM, 5 oder 6 Bit tun 
es auch. Dafür hat man dann enschieden höhere Frequenzen, auch bei nur 
8Mhz Controllertakt.

Autor: avion23 (Gast)
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Hallo MC,
hast du ein Oszilloskop zur Verfügung? Das hilft enorm und ist extrem 
interessant. Multimeter zeigen oft die Spitzenspannung bei PWM an.

Ob die Spule in Sättigung ist kannst du am Strom erkennen. Anfangs 
steigt er linear an. Wenn der Sättigungsstrom erreicht ist geht die 
Steigung gegen unendlich und wird nur durch die ohmsche Komponente 
begrenzt. Den Strom kannst du evtl. schon durch den Spannungsabfall an 
einer Zuleitung messen.

Der 7667 ist mit 5V schon nicht so gut bedient. Mehr ist besser. Der BUZ 
braucht in jedem Fall mehr Spannung, 12V sind schön. Probier einen 
anderen Mosfet. Mosfets findest du in der Schutzschaltung der Akkupacks, 
sogar sehr schöne. Treiber kannst du dir auch aus npn-pnp transistor 
basteln, google totem pole.

Verwende nicht 20 Akkus parallel. Sonst ist jeder Fehler gleich 
kritisch. Ich verwende die Strombegrenzung von meinem Labornetzteil. Am 
Ausgang solltest du wenn möglich einen Widerstand anschließen und nicht 
direkt die Glühlampe (R_kalt = ~0Ω --> Strom fließt durch Spule, Diode, 
Glülampe und prägt die Spule vor ---> Sättigung). Eine Z-Diode kann 
deinen mosfet retten. Oder du nimmst einen "avalanche-rated".

Deine Frequenz von 7,2kHz ist zu niedrig. 50kHz < f < 200kHz nenne ich 
schön :)

Die Homepage von Schmid-walter spuckt mir übrigens follgendes aus:
 
Aufwärtswandler
Ue_min = 3.0V   Ue_max = 4.2V   Ue = 3.7V
Ua = 12.0V   Ia = 1.75A   f = 7.2kHz
L = 107.3uH  ΔILbei Ue_min = 2.96A   
Also darf die Spule bei 8A noch nicht sättigen. Nicht so einfach :( Ich 
hatte ein ähnliches Projekt geplant (Handscheinwerfer von Aldi mit 6V, 
50W). Aufgegeben habe ich weil ich keine vernünftige (kostenlose) Spule 
gefunden habe.

Autor: MC (Gast)
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ja, ich hab ein oszi hier stehen. sogar mit speichervorsatz, der ist 
allerdings etwas langsam (251k-Samples/sek). hab mom leider etwas mehr 
zutun, werde mich aber die tage dransetzen, und die messungen mit dem 
oszi machen.

Gruß,
MC

Autor: MC (Gast)
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am besten wäre es dann ja doch, wenn ich doch den mc34063a benutze. aber 
was kann ich als externen schalttransistor benutzen? ein 2n3055 ja wohl 
eher nicht, aber was ist kräftig und gleichzeitig schnell genug?

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Wie schon weiter oben gesagt: IRF7401. 8A schafft der allerdings nicht 
ganz, aber am Anfang war ja noch von 3A die Rede.

Autor: MC (Gast)
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und als mosfet treiber? wenn ich den transi des mc34063a mit nem pull-up 
versehe, dann kann ich ja den 7667 benutzen. aber weiter oben steht ja, 
dass der nicht so geeignet sein soll. dann müsste ich ne treiberstufe 
aus transis diskret aufbauen, oder? oder habt ihr da ne bessere idee?

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Der IRF7401 kann direkt über einen Widerstand 100 Ohm an einen Portpin 
des Controllers gehängt werden. Nix Treiber.

Autor: B e r n d W. (smiley46)
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Nehm den MC34063a, aber betreib ihn mit 8-9Volt, dann kann er deinen 
BUZ11 sauber durchsteuern. Oder nimm einen N-FET, der mit 3Volt schon 
voll durchschaltet.

Nehm aber eine andere Diode. Die BYV26 hat bei 8A schon einen 
Spannungsabfall von ~5Volt und hält auf Dauer nur 1A aus. Nehm eine 
Schottky, die >=15A ab kann.

Bei 70kHz reicht auch eine Induktivität von 33 oder 47uH. Bei 47uH 
integriert der Spulenstrom zwischen 7 und 8 A hin und her bei einem 
Tastverhältnis von 74%. Dabei liefert die Schaltung 12V, 1.75A.

Entsprechend sollte die Induktivität für mindestens 8A ausgelegt sein. 
Hast du z.B. aus dem alten Netzteil einen Ferritkern? Du brauchst 
entweder einen Ringkern mit ~30mm Durchmesser oder noch besser einen EI 
Kern mit etwa 25mm Kantenlänge. Da wickelst du ca. 30 Windungen drauf, 
klebst aber das I des Kerns nicht direkt aufs E, sondern einen 0,6 - 1mm 
dicken Karton dazwischen.

Der MOS-FET und die Diode sollten bei 8A wenig Verluste aufweisen.

Den FET direkt aus der CPU ansteuern mag beim AVR funktionieren, aber 
beim AT89C2051 möcht ich das bezweifeln. Meine subjektive Meinung: Der 
AVR hat die "bessere" Architektur.

Gruss, Bernd

Autor: MC (Gast)
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@ B e r n d W.
>Meine subjektive Meinung: Der AVR hat die "bessere" Architektur.
ich arbeite nunmal (lieber) mit den 8051ern. im prinzip kochen alle 
ihren kaffee nur mit wasser. außerdem gibt es auch 8051er mit 
push-pull-ausgängen... aber egal. ich wollte hier eigentlich nicht die 
zu oft angefangene und sinnlose diskussion avr vs. 8051 oder was auch 
immer (PIC; HCS11...) anfangen.

Hab im Anhang einen Schaltplan wie ich mir das so mit dem MC34063A 
denke. die Anfangsbetriebsspannung ist etwas unter der Akkuspannung, 
geht dann aber auf die 12v hoch. damit sollte man den mosfet doch auch 
gut ansteuern können. die kondensatoren hab ich mal so gesetzt, wie ich 
dachte, das sie gut zur entstörung sind. falls ich da falsch liege, 
klärt mich bitte auf;-)
Aber wie kann ich den fet, egal ob jetzt buz11 oder irf7401 (den werd 
ich mir auf jeden fall auch mal kaufen, zum spielen xD), mit dem 
mc34063a ansteuern? der hat ja nur einen transistor drin.... hab dazu 
auf dem schaltplan im anhang ne skizze, bin mir da aber überhaupt nicht 
sicher....

Autor: Atmega8 Atmega8 (atmega8) Benutzerseite
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@  MC
Du brauchst natürlich einen Treiber.

Schau mal hier:
Beitrag "Re: MOSFET-Treiber durch einen Transistor ersetzen?"

Autor: u_d (Gast)
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@MC
Ein geeigneter Kern RM14 mit AL/nH=160 oder 250 hat eine Breite von 5 cm 
und eine Höhe von 3 cm und höchstwahrscheinlich einen Luftspalt. Glaube 
nicht, daß man sowas in der Bastelkiste hat. Weiterhin ist der niedrige 
Al-Wert bzw. Luftspalt wichtig, sonst geht die Spule sofort in die 
Sättigung, was man z.B. bei einer Ausgangsspannung nahe der 
Eingangsspannung unter Last vermuten kann.

Weiterhin würde ich ein eigenes kleines Controller-IC für Step-Up-Regler 
verwenden. Weis aber nicht, ob was für 3 Volt Eingangsspannung zu finden 
ist. Eventuell dann zwei Step-Up-Regler aufbauen. Einen zum Üben, der 
eine Betriebsspannung von 12 Volt erzeugt. Danach kann man z.B. den 
UC3845 (uralt) nehmen. Der Vorteil von diesem IC ist die maximale 
ton-Zeit von 50 %. Selbst wenn die Spule in Sättigung geht, hat man da 
noch einen gewissen Schutz für den Schalttransitor. Btw. Sättigung der 
Spule heißt hoher Strom für Diode und Schalttransistor, bzw. Kurzschluß 
der Versorgungsspannung über Diode und Schalttransistor nach Masse. :-))

Autor: u_d (Gast)
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Sorry,

UC3845 geht nicht wegen ton-max = 50 %. Da kommen dann in einer 
"einfachen" Step-Up-Schaltung nur maximal 6 bis 7 Volt raus.

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