uC-gesteuerter Aufwärtswandler

[Weihnachtsmann³ (Gast)]

Guten Tag allesamt - ich hoffe, ihr hattet eine schöne Weihnachtszeit!

Jetzt, wo die kalten Wintertage einen mehr oder weniger in der Wohnung 
halten und dazu noch ein paar freie Tage bis zum Neujahr sind, wollte 
ich mal ein Projekt realisieren, welches so halb angefangen schon länger 
im Keller liegt.

Es geht um einen mikroprozessor-gesteuerten Aufwärtswandler, genauer 
gesagt einen Sperrwandler, der mir aus 12V eine beliebig hohe Spannung 
hoch bis zu 400V machen soll.

Ich hatte die Geschichte schonmal angefangen, sie verschwand aber dann 
im Keller, weiß auch nicht mehr genau warum, wahrscheinlich war wieder 
was anderes interessanter zu der Zeit. Geplant war ursprünglich, damit 
eine Kondensatorbank aufzuladen  - ich hatte damals mit Coil-Guns 
rumexperimentiert (das war irgendwann von Interesse, nachdem die 
Tesla-Spule endlich stand), wollte dann auch irgendwann mal an eine 
Rail-Gun dran, da war mir bisher aber der mechanische Aufwand zu hoch.

Jedenfalls hatte ich meine Kondensatoren dafür immer mit 
gleichgerichteter Netzspannung geladen - das funktioniert auch prima, 
aber da sollte mal was anderes her.

Ich dachte daher an einen Sperrwandler, welcher von einem 
Mikrocontroller gesteuert wird und per Eingabe so eine bestimmte 
Spannung erzeugt - dann natürlich noch mit LCD und was halt so dazu 
gehört - die Stromversorgung sollte aus einem 12V Blei-Gel-Akku 
erfolgen, welcher kurzzeitig genug Energie bereitstellen kann.

Angefangen hatte ich unter Zuhilfenahme des Buches "Schaltnetzteile und 
ihre Peripherie" - hier sind Dimensionierungsbeispiele enthalten - also 
hatte ich mir beim Conrad einen leeren Trafokern (Ferrit) besorgt, und 
mal angefangen zu wickeln...dauerte ewig, aber wurde fertig - diesen 
Trafo habe ich jetzt mal wieder gefunden (Bild im Anhang).

Ich suche zwar grad noch, welcher es genau war, um die Daten wieder zu 
bekommen, aber das werde ich noch herausfinden.

Was ich weiß:

N_primär: 20 Wicklungen mit d=1mm - diese habe ich damals doppeöt 
ausgeführt, also 20 x 2mm

N_sekundär: 700 Wicklungen mit d=0,35mm

Das Verhältnis ist somit in etwa 35 womit ich bei 12V auf rund 420V 
kommen würde - aber das kann ich ja über die Ansteuerung dann ausregeln 
- so war zumindest der Plan.

Ich weiß, dass ich den Trafo mal an nem einfachen 555 mit FET hängen 
hatte (Frequenz weiß ich nicht mehr genau - war nur zum Test) - hier kam 
ich recht schnell auf 400V am Kondensator.

Meine Frage ist jetzt eher die Regelung durch den Controller - 
galvanisch getrennt wird hier ja eher nicht möglich sein, oder? Bei ner 
fixen Ausgangsspannung wäre das vielleicht über eine optische 
Rückkopplung noch möglich, ab einer gewissen Spannung abzuschalten, bei 
einer variablen dann wohl über den üblichen Spannungsteiler auf einen 
ADC-Kanal...oder wie würdet ihr das machen?

Regel ich sowas rein per Tastverhältnis und bei gleichbleibender 
Frequenz, oder wie wirkt sich die Änderung der Frequenz auf die 
Ausgangsspannung aus? Ich hatte ja schon rumprobiert - klar gibt es 
einen Frequenzbereich, bei dem der aufgenommene Strom drastisch in die 
Höhe ging, und die Ausgangsspannung ebenso schneller Anstieg - ein 
großartiges Feintuning war aber nicht erforderlich. Aber da war es halt 
noch ungeregelt.

Ich wollt einfach mal eure Meinungen dazu hören, bevor ich jetzt in die 
ganze Rechnerei einsteige - das sah in dem Buch doch recht komplex aus.


Gruß und schönen Tag, der Weihnachtsmann³ (Gerd Obermayer)

[Weihnachtsmann³ (Gast)]

So, jetzt habe ich zumindest schonmal den Kern wiedergefunden:

Artikel-Nr.: 51 65 89 - 
http://www.conrad.de/ce/de/product/516589/DROSSELSPULENBAUSATZ-EF421

1 Kammer
AL 220nH
LxBxH 47x36x46
maximale Frequenz: 25kHz

nur zur Info

[ETH Zürcher (Gast)]

Warum nimmst willst Du dafür einen Sperrwandler bauen? Der ist 
eigentlich nur die potentialgetrennte Version des Inverswandlers. Da Du 
mit der Spannung ja hinauf und nicht runter willst, reicht ein 
Boost-Converter. Potentialtrennung ist doch nicht nötig, oder? Gut, die 
Diode sollte nicht durchschlagen. Sonst hast du 400V am Akku. Aber die 
kann man ordentlich dimensionieren. Dann sollte sich Potentialtrennung 
erübrigen.

Der Nachteil vom Boost-Converter gegenüber dem Sperrwandler ist in 
Deinem Fall die höhere Spannungsbeanspruchung des Transistors. Der muss 
die Ladespannung vertragen. Da empfiehlt sich z.B. ein IRFP460 oder 
Ähnliche.

Einen µC brauchst Du eigentlich auch nicht (es sei denn, Du willst 
einen). Das Ding lässt sich nämlich nicht schön steuern, da es nicht im 
steady-state arbeitet. Du könntest die Ladekennlinie beliebig 
konstruieren. Aber das macht ja keinen Sinn. Von dem her würde ich eine 
feste PWM mit irgendwas um die 80% Duty-Cycle basteln. Die 
Abschalt-Überwachung kann man mit einem Komparator (oder wenns sein muss 
mit einem µC) lösen.

Ich hab das für meine 17.5mF @940V Elko-Bank auch so realisiert. Das 
Ding liefert einfach eine exponentielle Ladekurve, da bei jedem 
Schaltvorgang eine konstante Energiemenge in den Elko fliesst.

Die Leistung hängt von der Schaltfrequenz und vom Duty-Cycle ab. Je 
höher der Duty-Cycle und je niedriger die Schaltfrequenz, desto höher 
die Leistung.

$$P=\frac{U_{1}^{2}D^{2}}{2f}$$

Du musst allerdings aufpassen, dass Du den Kern nicht in die Sättigung 
treibst. Bedingung für sättigungsfreien Betrieb ist, dass die 
Sättigungsflussdichte Deines Kerns grösser ist als die Flussdichte, mit 
der Du arbeitest:

$$B_{s\ddot{a}tt}>\frac{u_{1}\cdot D}{f\cdot N\cdot A}$$

Den Duty-Cycle kannst Du frei festlegen (Hausnummer 80%). Dann kannst Du 
die minimale Schaltfrequenz für maximale Leistung ermitteln.

Ich hoffe, dass Dir das hilft.

ETH Zürcher

[ETH Zürcher (Gast)]

Es lohnt sich immer wieder, jemandem ein paar Tips zu geben. Warum 
stellst Du überhaut eine Frage, wenn Dich das, was hier geschrieben 
wurde, sowieso nicht interessiert?

Selbst wenn Du die Schaltung auch schon zum Laufen gebracht hast, kann 
es für andere Leute von grossem Nutzen sein, wenn sie sehen, wie es 
gelöst wurde. Nur so kann ein Forum funktionieren.