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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Resonanzwandler mit IR2153D


Autor: Martin (Gast)
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Hallo,

ich habe ein Problem mit meinem Resonanzwandler und hoffe das mir jemand 
weiterhelfen kann.

Die gleichgerichteten Netzspannung möchte ich auf 18V/2A wandeln, dazu 
benutze ich den IC IR2153D der mit einer Frequenz von ca. 100kHz läuft. 
Das ganze funktioniert auch sehr gut nur das leider die Spule L4 sowie 
auch die Transistoren Q7 und Q9 sehr heiß werden. Die Temperatur der 
Spule steigt nach ein paar Minuten auf 90°C an.
Meine Vermutung ist, dass wenn der IC die Rückmeldung bekommt das die 
18V erreicht sind er die beiden Transistoren sperrt, in diese Moment ist 
aber noch Energie in der Spule und in dem Kondensator C11 gespeichert. 
Diese Energie schwingt dann zwischen Spule und Kondensator hn und her. 
Kann das der Grund des Erwärmens der Bauteile sein? Wenn ja, wie kann 
ich das verhindern? Oder gibt es ein ganz anderes Problem bei meiner 
Schaltung?

Gruß, Martin.

Autor: Uwe (Gast)
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Hi!
Wo haste denn diese Schaltung her? Kommt mir recht spanisch vor.
Wie kommst du auf Resonanzwandler? Ich sehe nicht wo der
Stromnulldurchgang auf deinen IR zurückgeführt wird damit der dann 
umschaltet. Und gehört nicht L4 in die +Leitung.......
Für mich ist das ein fremdgtakteter Wandler wo noch nicht mal die 
Sättigung überwacht wird.

Viel Erfolg, Uwe

Autor: Alfred B. (alfred_b979)
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Das scheint ja fast einer Threadfledderei wert zu sein - und zwar, um 
interessierte Leser daran zu hindern, von Frage UND Antwort allzusehr 
verwirrt zu werden...

Tatsache ist: Freilich soll das ein Resonanzwandler sein. Vgl. Trifolium 
NT Buch Beispiele (nur noch in Auszügen vorhanden - Kauf Komplettversion 
durchaus empfehlenswert) Auszug: Kap. 10; Bild 10E. Wurde nahezu 
"kopiert".

@Uwe(Gast): Diese Antwort ergibt m.M.n. weit weniger Sinn, als die 
Frage. Man kann die Sätze einzeln "zerpflücken"! 1.) (Unwichtig, aber, 
prinzipiell:) Quelle d. Schaltung ist gut. 2.) Und: In diesem Fall 
leider völlig deutsch... 3.) Wozu denn? Für die PWM oder gar PLL oder 
... wohin bitte sollte das geführt werden im IR2153??? Man beachte 
natürlich den fehlenden Kondensator, der R43 mit T4 verbinden sollte. 
Feedback also vorhanden. 4.) Das alles sollte man eigentlich besser ganz 
anders aufbauen? Wieso denn bloß??? 5.) Na endlich etwas Konstruktives.

Bitte lies, betrachte und überlege doch zukünftig etwas sorgfältiger, 
bevor Du nochmal einen TE gleich durch deine erste, übereilte Antwort 
scheinbar so völlig von seiner Unfähigkeit zum Lesen und/oder kapieren 
einfacher Zusammenhänge (und/oder von der scheinbar schlechten Qualität 
seiner o.g. Informationsquelle) überzeugst, daß er sofort Thread 
und/oder das ganze Projekt aufgibt.

@Martin(Gast) und zukünftige Leser: Das auf dem Bild ist im Gegensatz 
zum als ZCS-LC-Serie-Resonanz-Konverter (mit angenäherter 
Constant-On-Time) ausgelegten Beispiel im öffentlichen "InterNetzteil- 
und Konverterhandbuch" von Jörg Rehrmann eine Version ohne "Off-Time" 
(geschweige denn variabel), denn der IR2153 arbeitet mit (bis auf die 
nötige Totzeit) konstant 50% Duty-Cycle.

Das Ganze ist also frequenzgeregelt, und keine PWM. Sind die 18V 
erreicht, wird die Frequenz nach (zwecks ZVS) oben geregelt. Das 
wiederum erhöht die Impedanz des Schwingkreises, und verringert die an 
die Sekundärseite abgegebene Energie.

Also, Deine Probleme können verschiedene Ursachen haben. Erstmal 
bräuchte man für eine Schaltleistung von 36 Watt keine 6-Ampere-MOSFETs. 
Deren Kapazitäten sind für den IR2153 bei 100kHz einfach zuviel - die 
Schaltvorgänge dauern viel zu lang.

Welcher Trafo wird verwendet? Müssen es denn 100kHz sein???

Viele Fragen... aber es ist wohl zu spät, wie gesagt, mein Hauptanliegen 
sind Leser, die diesen Thread finden, und evtl. von Antwort Nr. 1 
ähnlich entmutigt werden könnten.

SALVE!

: Bearbeitet durch User
Autor: voltwide (Gast)
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Die Schaltung sieht schon nach einem Resonanzwandler aus.
Wie hier die Frequenzregelung über den Optokoppler funktionieren soll, 
erschließt sich mir anhand des Schaltbildes allerdings nicht.

Diese IR-Treiber haben feste, ziemlich lange Totzeiten. Möglicherweise 
zu lange Totzeiten, so dass die body-Dioden der MOSFETs leitend werden.

Eine einfache Frequenzsteuerung ist da auch nicht vorgesehen.


Für einen LLC-Konverter würde ich lieber dafür vorgesehene 
Ansteuerbausteine einsetzen, z.B. NCP1396 (ON-semi), L6599 (ST) usw. 
Alles andere ist "fishing for problems".

Autor: Alfred B. (alfred_b979)
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*"Fishing..." - das ist echt gut. ^^

Eine Frequenzregelung ist da schon vorhanden. Wie gesagt: Fast exakte 
Kopie der Topologie im Bild 10E (Beispielauszug Kap. 10) des trifolium 
Netzteilhandbuches. Dies Bild zeigt u.a. auch den fehlenden Kondensator 
zwischen (hier:) R43 und T4.

Beim Absinken von V(out) unter... (Teiler beim TL431 etc.) wird der 
immer stärker durchsteuernde Phototransistor auch T4 immer stärker 
durchsteuern, und die Schaltfrequenz sinkt. So verstehe ich das. Das 
entspricht einem einfachen VFC bzw. VCO. Aber die Relation ist halt hier 
nur wenig linear.

Diese heutzutage recht günstigen ICs mit integr. Oszillator kann man 
schon sehr vielfältig verwenden. Ach ja: Für ausführliche Infos zu Arten 
dieser Frequenzbeeinflussung solcher IRF-ICs sollte man den guten alten 
IRF Design Tip DT98-1 bemühen. Und: Vertrauenswürdige Beispiele mit 
funktionalen Schaltdiagrammen gibt´s unter Joretronik.de/trifolium.de.

Jörg Rehrmann vermittelt hier übrigens (für fast jeden verständlich) 
Wissen über viele Bereiche. (Auch für den erfolgreichen Selbstbau.) 
Seine Abhandlung über Resonanzwandler (+++) ist für jedermann ein guter 
Einstieg in die Materie. Nur eins fehlt: Leider behandelt er (bei den 
Brücken-schaltungen) theoretisch nur den ZCS-Serie-Resonanzwandler. PRC 
und SPRC fallen aus.

Auch der LLC wird in der Theorie leider ausgelassen. (Schemata dafür 
sind aber sozusagen da - alle RC-Schemata von "Nicht-ZCS"-SRCs, wie aa/ 
Bild 10E gehört zu diesen.)Die zum echten Verständnis (auch des 
Unterschiedes zum "normalen" SRC) nötigen Grundlagen (z.B. die FHA) 
wollte er wohl nicht auch noch alle behandeln. Dafür wird z.B. auch der 
Eintakt-(++auch gut verständlich), aber vor allem der 
Gegentakt-Sinuswandler (ZVS), eine Art "Stromgespeister 
Großsignal-Oszillator", (+++wirklich extrem ausführlich) behandelt.

(Ironisch gesehen sind wir an diesem Punkt DOCH noch topologisch 
komplett - ja, MEHR als das: Es ist sogar etwas dabei, was bei den 
Brücken-Topologien gar nicht fehlte - und zwar: Anders betrachtet ist 
der GT-Sinuswandler durch den der Primärspule parallelen Kondensator 
DOCH NOCH ein PRC... (...ha, ha.) Und noch dazu isser auch noch parallel 
GESPEIST, nicht? (...oje.) Das war´s... ;-)

Alsdann, SALVE!

Autor: Alfred B. (alfred_b979)
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Ups...

Sorry, 4. Absatz am Ende müßte statt "theoretisch nur den ZCS-RW" 
normalerweise stehen "topologisch nur den LC-Serie-Resonanzwandler".
Das ist am Schluß beim rigorosen Einkürzen und Umreihen meines Beitrags 
per Copy-and-Paste verwechselt worden.

@voltwide: Da kann man sich schon einige Probleme einfangen... Freilich 
ist ein moderner, spezialisierter IC etwas ganz anderes. Hat mehr oder 
weniger viele anwendungsgerecht nutzbare (und für viele Gegebenheiten 
praktisch unverzichtbare) Zusatzfunktionen.

Für einen ersten Versuch, einen kleinen SRC aufzubauen, sind diese ICs 
aber sicher nicht übel geeignet. Nur ist das Ergebnis nicht ganz sooo 
prickelnd, wie ein mit modernen Mitteln aufgebauter, 
applikationsoptimierter LLC.
Das wollte ich damit auch nie sagen. Um als Anfänger und für privat für 
den Kleinleistungsbereich (sagen wir doch mal, unter 50W) und für ne 
Last ohne allzu starke Sprünge eine isolierte Topologie mit annehmbarem 
Wirkungsgrad hinkriegen zu können (wer kann), geht m.A.n. manchmal auch 
so ein SRC mit so einem IC. Jeder, wie er will.

(Du sagtest ja auch nix davon, daß Du in dem Leistungs-Bereich überhaupt 
einen LLC verwenden würdest - wahrscheinlich nicht, denke ich.)

MfG

Autor: voltwide (Gast)
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Der Leistungsbereich eines LLC ist nach unten ja nicht beschränkt. Ich 
habe mal einen LLC für 13W entworfen - mit dem Ziel eines maximalen 
Wirkungsgrades. Ein korrekt arbeitender LLC bei Deinen 36W arbeitet nach 
meiner Erfahrung völlig stressfrei, das wärmste Teil sollten die 
Sekundärgleichrichter sein.
Also gehe ich davon aus, dass in Deinem Aufbau irgendwo der Wurm steckt.
Da LLC-Wandler auch problemlos ungeregelt arbeiten können, würde ich als 
erstes vorschlagen, den IR2155 auf Festfrequenz laufen zu lassen - 
einstellbar mit einem Trimmpoti.

Und dann, beginnend bei der höchstmöglichen Taktfrequenz, einjustieren 
auf Serienresonanz. Die findest Du z.B. durch messen des Primärstromes.
Bei Resonanz ist dieser nahezu perfekt Sinusförmig. Damit dies 
funktioniert, muß der Ausgang belastet werden, je mehr, desto deutlicher 
die Ausprägung.

Es kann sein, dass Deine Transistoren heiß werden, weil der Wandler hart 
schaltet. Ein korrekt abgestimmter LLC-wandler macht ZVS. Dazu muß 
hinreichend induktiver Primärstrom fließen, so dass innerhalb der 
Totzeit die Primärkapazitäten umgeladen werden. Die dazu passende max 
Primärinduktivität wird über den Luftspalt eingestellt.

ZVS überprüft man mit dem Zweistrahler: 1 Kanal 
LowSideMOSFET.Vgate,source,
der andere LowSideMOSFET.Vdrain,source

Autor: Alfred B. (alfred_b979)
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Ich denke, daß @Martin sich das evtl. etwas zu einfach vorgestellt 
hatte. Er hatte wohl Schwierigkeiten, die Bauteilwerte aus seiner 
Vorlage (welche auch immer - aber meine Vermutung schrieb ich schon) auf 
seinen Leistungsbereich anzupassen.

Die errechnete Resonanzfrequenz (angenommen ohne Beachtumg von Lm (SRC) 
ist´s ja imaginär nur eine) ist ja schön und gut, aber das ist doch 
nicht alles. Gefühlsmäßig sind die Werte von Lr und Cr für 36W/100kHz 
beide zu klein gewählt.

Autor: Alfred B. (alfred_b979)
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Zumindest ist Lr zu klein, denke ich. Bei Cr bin ich nicht ganz so 
sicher.

@voltwide: Welche Kurve und Spitzeneffizienz kamen denn heraus beim 
13W-LLC? Kleiner ist doch etwas schwieriger effizient zu bauen. Die 
Steuerelektronik (ohne Treiberstufe) hat ja immer gewisse 
Grund-Verluste.

Induktive Bauteile sind wohl auch schwerer zu fertigen. Wegen 1. des 
erhöhten Frickelgrades, und 2. der Crux, daß in Volumen und Gewicht 
direkt proportional ("~") zur relativen "Leistungsverkleinerung" 
verkleinerte Trafos dann zu klein sind. Tja, ...

...auch wenn sich bei verkleinertem Trafo das Verhältnis etwas zugunsten 
größerer relativer Kühloberfläche verschiebt - viel bringt das nicht. 
Gibt doch viele mögliche Schwierigkeiten, oder? Was noch alles? Welche 
unvorhergesehenen Probleme gab es? (Oder gab es gar keine? ;-) Würd mich 
interessieren, will sowas auch mal versuchen.

MfG

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