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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Buck-Boost mit µC steuern


Autor: Jörg K. (joergonaut)
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Hallo

ich habe einen Buck-Boost Regler mit einem LM2576T-adj aufgebaut. Die 
Schaltung wurde so aufgebaut wie sie vom SMS-Tool berechnet wurde 
(Anhang). Das ganze funktioniert wunderbar.
Nun würde ich gern die Ausgangsspannung mit Hilfe eines in der Schaltung 
vorhandenen ATmegas einstellen (-5V bis -14V). Beim normalen Step-Down 
Betrieb könnte man einfach eine geglättete PWM vom ATmega mit Hilfe 
eines OPVs als Offset zum Feedback Signal einrechnen und somit über den 
Tastgrad die Spannung einstellen. Die Spannung würde per ADC gemessen 
und ggf. nachgeregelt werden. Das muss absolut nicht schnell sein und 
eine Auflösung von 0,5V reicht auch aus.
Doch beim Buck-Boost Betrieb liegt am Feedback Eingang eine negative 
Spannung an (Vout-1.23V).

Mir würde nur die OPV Variante von oben einfallen. Allerdings brächte 
ich dann eine negative Hilfsspannung für den OPV von etwa -15V (je nach 
OPV) wenn ich auf -14V am Ausgang kommmen will. Dazu könnte ich die 
Versorgungsspannung vom ATmega (5V) invertiern und verdreifachen 
(Ladungspumpe) oder die Eingangsspannung (9-13V) invertieren und 
verdoppeln. Bei der letzten Variante müsste die Spannung noch begrenzt 
werden, da sie meisten OPVs nur bis -18V vertragen. Oder aber noch einen 
extra Buck-Boost Regler einbauen.

Geht es einfacher, besser, eleganter?
Ich würde gern um die Erzeugung einer negativen Hilfsspannung herum 
kommen. Oder gibt es ein fertiges IC mit dem man einfach von einer 
meiner Spannungen(5V, 9-13V) auf -15V kommt?

Gruß Jörg

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Jörg K. schrieb:
> Geht es einfacher, besser, eleganter?

Ja. Schmeiß´ den LMxxx ´raus und lass den AVR-Controller via PWM einen 
diskreten Buck-Boost-Converter mit FET, Spule, Diode und Kondensator 
ansteuern und lasse den ADC über einen Spannungsteiler nach Vcc die 
Ausgangsspannung messen und regele die PWM nach.

Autor: Jörg K. (joergonaut)
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Einen diskreten Buck-Boost-Converter direkt mittels AVR aufzubauen hatte 
ich auch schon überlegt. Allerdings fehlen mir da etwas die Kenntnisse 
bzw. der Ansatz, da man High-Side schalten muss und ich bislang nur mit 
N-Kanal Fets gebastelt habe.
Wie könnte denn die Ansteuerung/der Treiber für ein P-Kanal Fet 
aussehen?
AVR-Betriebsspannung: 5V, Versorgungsspannung: 9-13V, max. 
Ausgangsstrom: 250mA
Die Schaltfrequenz könnte bei etwa 50KHz liegen.

Bauteile die in meiner Bastelkiste zur Verfügung stehen würden:
Transistoren: BC547C, BC557C, 2N2222, BD136
P-Kanal Fets: BS250, IRF4905, IRF5305
N-Kanal Fets: BS170, IRLZ24N, IRLZ34N
Treiber: ICL7667, Max627
ICL7660

Autor: Frank B. (frankman)
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--> Knut Ballhause:

Ja, sicherlich... und der AT Mega ist auch schnell genug, um in einem 
PWM-Zyklus mehrere ADC-Wandlungen zu machen, den Mittelwert darau zu 
berechnen, den Tastgrad neu auszurechnen und den Auschaltpunkt zu 
bestimmen....natürlich bei Frequenzen im KHz-bereich.
Toller Tip.
Ansonsten hast Du eine Regelung, die sonst wie lahm ist. Das hat doch 
dann mit einem "Regler" nix mehr zu tun, wenn Du alle ms mal die PWM 
nachregelst...

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Jörg K. schrieb:
> Wie könnte denn die Ansteuerung/der Treiber für ein P-Kanal Fet
> aussehen?

Einfach einen npn-Transistor vorschalten. Diesen möglichst mit 
Basiswiderständen so beschalten, dass er nicht oder gerade so in die 
Sättigung geht, so dass er noch schnell schaltet. Eine PWM von 
100...250kHz hat sich bei meinen Versuchen als günstig erwiesen.

Autor: Olaf (Gast)
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> Einen diskreten Buck-Boost-Converter direkt mittels AVR aufzubauen hatte
> ich auch schon überlegt.

Vergiss den Unsinn gleich mal wieder. Erstens ist ein AVR viel zu
langsam und zweitens hast du gute Chancen das jedes mal wenn dein
AVR abstuerzt die Ausgangspannung voll daneben ist.

Olaf

Autor: Jörg K. (joergonaut)
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Das die Regelung sehr träge wäre ist mir bewusst, wäre bei meiner 
Anwendung aber nicht weiter schlimm (Lüfter)
Allerdings habe ich noch nicht daran gedacht, was passieren kann, wenn 
der AVR einen unbestimmten Betriebszustand erreicht. Wäre nicht so 
schön. Mit einem separaten Regler wäre man da auf der sicheren Seite.

Doch wie steuere ich den mit dem AVR? Das Problem ist ja die negative 
Spannung am Feedback-Pin. Oder gibt es geeignetere Schaltregler als den 
2576 (aber nicht viel teurer) der sich einfach steuern lässt?

Denkbar wäre auch ein Sepic-Wandler. Das Hauptproblem ist ja, das die 
Ausgangsspannung genau im Bereich der Eingangsspannung liegt.

Es sollten allerdings auch keine Exoten zum Einsatz kommen, Segor oder 
Conrad als Bezugsquelle wäre ideal.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Olaf schrieb:
> Vergiss den Unsinn gleich mal wieder. Erstens ist ein AVR viel zu
> langsam und zweitens hast du gute Chancen das jedes mal wenn dein
> AVR abstuerzt die Ausgangspannung voll daneben ist.
>
> Olaf

Das zeigt, dass Du

( ) keine Ahnung hast.

( ) es noch nie probiert hast.

Jörg K. schrieb:
> Allerdings habe ich noch nicht daran gedacht, was passieren kann, wenn
> der AVR einen unbestimmten Betriebszustand erreicht. Wäre nicht so
> schön.

Lege die wichtigen Regelroutinen in Interrupte und lass einen Timer das 
PWM erledigen. Schreibe Deine Programme so, dass der AVR nicht 
abschmieren kann.
Baue eine Sperrschaltung mit einem zusätzlichen Transistor und 2 
Widerständen, der den npn-Steuertransistor sperrt, denn die Spannung am 
Ausgang unzulässig hoch wird. Lege diese Schaltschwelle ein wenig höher, 
als die zu regelnde Sollspannung.

Autor: Matze (Gast)
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Also wenn ich Lüfter und Regelung höre, dann denke ich an ein sehr 
träges System.
Ich würde da nicht mit Buck-boost konverter anfangen. Eine einfache PWM, 
die aller einer Sekunde mal nachgeregelt wird, kann da schon reichen. 
Kommt natürlich auf die genauen Bedingungen drauf an. Evtl. zuerst einen 
Step-up converterter und danach die Regelung mit Hilfe des µC.

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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1. Für einen Lüfter benötigt man doch keinen Regler. Da tut es auch eine 
PWM + Filter (Als Steuerung, ohne Rückführung).

2. Wenn man einen LC Filter benutzt hat man schon einen Schaltregler 
(bzw. eher einen Schalt-Steller ;-))

3. Wenn der Schaltregler keine Halbbrücke als Ausgangstreiber hat, muss 
man die bei Schaltreglern übliche Freilaufdiode mit einbauen.

Autor: Jörg K. (joergonaut)
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Einfache PWM geht nicht, da es ein bürstenloser Lüfter ist und ihm das 
nicht bekommt. Daher müsste sowieso gefiltert werden.
Der eigentliche Grund, warum ich einen entsprechenden Regler einsetzten 
möchte ist, um den Lüfter auch bei niedriger Eingangsspannung (bis 9V) 
noch mit maximaler Spannung (max. 14V) betreiben zu können. Wird dann 
die volle Lüfterleistung mal nicht gebraucht, soll er gedrosselt werden 
(bis 5V).
Der Wirkungsgrad eines einzelnen Buck-Boost Regler sollte eigentlich 
auch besser sein als der von einem Step-Up mit nachgeschaltetem 
Step-Down.

Autor: A. K. (prx)
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Bei einem Buck Regler kann man einen Steuerstrom in den Feedback-Teiler 
des Reglers direkt ohne OPV einspeisen, wodurch sich die Charakteristik 
des Feedbacks in passendem Umfang steuern lässt. Der Zusammenhang ist 
zwar nicht linear, aber das sollte hier egal sein, bzw. lässt sich 
rausrechnen. Dieser Steuerstrom kommt aus einem PWM-DAC plus Widerstand.

Siehe Anhang für die Buck-Version einer solchen im Einsatz befindlichen 
Lüftersteuerung. Das Prinzip sollte bei einem Boost-Regler oder Inverter 
ebenso funktionieren. Dass der Elko in der PWM das Feedback leicht 
dämpft stört bei einem Lüfter nicht.

Autor: A. K. (prx)
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PS: Bei einem Inverter wird die Sache sogar noch etwas einfacher, weil 
man den Feedback-Teiler geht nicht mehr gegen GND und DAC sondern nur 
gegen den DAC schalten kann. Allerdings ist die maximale 
Spannungsänderung auf den DAC-Bereich beschränkt, d.h. bei DAC=0-5V sind 
keine 5-14V drin, sondern beispielsweise 7-12V (für einen 12V Lüfter).

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Jörg K. schrieb:
> Einfache PWM geht nicht, da es ein bürstenloser Lüfter ist und ihm das
> nicht bekommt. Daher müsste sowieso gefiltert werden.
Ja, wäre aber doch kein Problem, wie ich oben schon schrieb.

> Der eigentliche Grund, warum ich einen entsprechenden Regler einsetzten
> möchte ist, um den Lüfter auch bei niedriger Eingangsspannung (bis 9V)
> noch mit maximaler Spannung (max. 14V) betreiben zu können.
In deinem Plan hast du 12V eingezeichnet. Und da der LM2575 kein Step-Up 
Regler ist, geht das sowieso nicht damit.
Allerdings kann man auch einen diskreten Step-Up bauen.

> Wird dann
> die volle Lüfterleistung mal nicht gebraucht, soll er gedrosselt werden
> (bis 5V).
> Der Wirkungsgrad eines einzelnen Buck-Boost Regler sollte eigentlich
> auch besser sein als der von einem Step-Up mit nachgeschaltetem
> Step-Down.

Du kannst auch einen Buck-Boost nehmen, wie schon vorgeschlagen. Da 
spannt man die Spule quasi in eine H-Brücke ein und hat je nach 
Ansteuerung einen Step-Down oder Step-Up.

Autor: Jörg K. (joergonaut)
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>> Der eigentliche Grund, warum ich einen entsprechenden Regler einsetzten
>> möchte ist, um den Lüfter auch bei niedriger Eingangsspannung (bis 9V)
>> noch mit maximaler Spannung (max. 14V) betreiben zu können.
> In deinem Plan hast du 12V eingezeichnet. Und da der LM2575 kein Step-Up
> Regler ist, geht das sowieso nicht damit.
> Allerdings kann man auch einen diskreten Step-Up bauen.
Die Schaltung mit den 12V ist nicht von mir, sondern von A. K.. Er 
zeigt, wie man die Steuerspannung direkt in den Spannungsteiler des 
Feedback einspeisen kann, quasi genau das wonach ich gesucht habe.

>> Wird dann
>> die volle Lüfterleistung mal nicht gebraucht, soll er gedrosselt werden
>> (bis 5V).
>> Der Wirkungsgrad eines einzelnen Buck-Boost Regler sollte eigentlich
>> auch besser sein als der von einem Step-Up mit nachgeschaltetem
>> Step-Down.
>
> Du kannst auch einen Buck-Boost nehmen, wie schon vorgeschlagen. Da
> spannt man die Spule quasi in eine H-Brücke ein und hat je nach
> Ansteuerung einen Step-Down oder Step-Up.
Ich werde jetzt den Lösungsansatz von A. K. mit der Schaltung aus meinem 
Eröffnungspost ausprobieren (Buck-Boost mit LM2575 bzw. LM2576).

Vielen Dank für Eure Hilfe

ps: wenn das funktioniert, werde ich mich auch noch an einem diskreten 
Buck-Boost probieren

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