Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Regelschleife TopSwitch-JX, Optokoppler und TLV431


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von Thomas H. (thomas_h80)


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Hallo zusammen!

Ich habe mir ein Schaltnetzteil mit einem Chip von Power Integrations 
aufgebaut. Es ist ein TopSwitch-JX 271K 
(http://www.powerint.com/sites/default/files/product-docs/topjx_family_datasheet.pdf, 
App-Note: 
http://www.powerint.com/sites/default/files/product-docs/an47.pdf)

Die Regelschleife habe ich nach den Richtwerten aus der App-Note 
erstellt und durch ein bisschen herumprobieren optimiert.
Nun aber meine Anforderung:
Ich möchte das Maximale aus der Regelschleife herausholen 
(spannungsstabil und einigermaßen schnell). Zur Zeit bricht die Spannung 
unter größerer Belastung nämlich noch um 1 - 1,5 Volt ein.

Das Netzteil lieftert 52W bei 24 Volt.

Ich habe schon probiert für die Schleife die Übertragungsfunktion 
aufzustellen, aber mir fehlen genaue Übertragungsfunktionen für den 
Optokoppler (Cosmo 1010), den TLV431, den TopSwitch und auch für den 
Transformator.
Was ich bisher weiß:
- R16 verändert den Arbeitspunkt (R größer -> Vout größer)
- R22, C19, C16 verändern die Geschwindigkeit, Stabilität und den 
Regelfehlerausgleich der Regelung.

Da meine bisherigen Ergebnisse aber hauptsächlich auf Experimentieren 
basieren, möchte ich nun einen professionellen Ansatz versuchen.
Wie könnte ich hier an die Sache am Besten herangehen?

Danke schon mal!

Gruß!
Thomas

von Falk B. (falk)


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@  Thomas H. (thomas_h80)

>aufgebaut. Es ist ein TopSwitch-JX 271K
>(http://www.powerint.com/sites/default/files/produc...,
>App-Note:
>http://www.powerint.com/sites/default/files/produc...)

Welche Schaltung hast du gebaut?

>(spannungsstabil und einigermaßen schnell). Zur Zeit bricht die Spannung
>unter größerer Belastung nämlich noch um 1 - 1,5 Volt ein.

Nicht so schön.

>Das Netzteil lieftert 52W bei 24 Volt.

Macht ~2A.

>- R16 verändert den Arbeitspunkt (R größer -> Vout größer)

Nö.

Vout wird über den Spannungsteiler R17/R18 eingestellt, Seite 25 im 1. 
Dokument. Oder Figure 12 in AN 47.

>- R22, C19, C16 verändern die Geschwindigkeit, Stabilität und den
>Regelfehlerausgleich der Regelung.

Nein, die sind eher exotisch. Die Frequenzgangskompensation machen in 
erster Linie R16 und C19.

>Da meine bisherigen Ergebnisse aber hauptsächlich auf Experimentieren
>basieren, möchte ich nun einen professionellen Ansatz versuchen.
>Wie könnte ich hier an die Sache am Besten herangehen?

Erstmal die Grundlagen verstehen, siehe oben. Dann wird man wohl durch 
ÜBERLEGTES Experimentieren schneller vorankommen als mit endlosem 
Formelaufstellen.

Sprich, du musst die Sprungantwort deines Reglers aufzeichnen und dann 
optimieren. Das macht man u.a. dadurch, dass man einen Lastsprung an den 
Ausgang legt. Also mit einem Widerstand belasten, sagen wir 100mA. Dann 
mittels MOSFET einen zweiten Widerstand zuschalten, sodass ca. 2A 
fließen. Das Ganze kontinuierlich, z.B. mit NE555 mit 1-10 Hz getaktet. 
Ein Oszilloskop zeigt dir die Spannung am Ausgang an. Nun muss man R16 
und C19 varieren, per Poti oder Dekadenwiderstand/kondensator. Damit 
beeinflußt man das Regelverhalten und sieht direkt die Wirkung.

Das Absacken der Spannung bei Vollast ist ein DC-Problem, möglicherweise 
falsche Leitungsführung. Sternförmige Verdrahtung der Hochstrompfade 
beachten. Ebenso des Messteilers RR17/R18.

MFG
Falk

von Thomas H. (thomas_h80)


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Hallo Falk,

meine Schaltung ist wie im Anhang dargestellt aufgebaut.

Die Beeinflussung von R16 veränderte aber direkt proportional die 
Ausgangsspannung.

Beim Routing habe ich mich an die Design-Regeln der Application Notes 
gehalten und unter anderem darauf geachtet, dass HF-Leitungen nicht nahe 
an Sense-Leitungen etc. liegen.

Wenn ich nur R16 und C19 variiere, auf welche Werte sollte ich dann C16 
und R22 bringen?

Vielen Dank, den Tipp mit der Sprungantwort und "Live Optimierung" werde 
ich ausprobieren.

Gibt es hierbei sonst noch etwas zu beachten? Oder ein bestimmtes 
Vorgehen? Wie stelle ich dann z.B. den Arbeitspunkt richtig ein, wenn 
nicht über R16? R17 und R18 sind nämlich richtig dimensioniert und 
trotzdem kann ich bei falschem R16-Wert Spannungen weit über 24Volt 
erreichen.

Danke!

Gruß!
Thomas

von Falk B. (falk)


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@  Thomas H. (thomas_h80)

>meine Schaltung ist wie im Anhang dargestellt aufgebaut.

Welche denn nun?

>Die Beeinflussung von R16 veränderte aber direkt proportional die
>Ausgangsspannung.

Dann stimmt was nicht. Der TLV431 arbeitet als Konstanstromquelle 
und regelt damit den Strom durch den Optokoppler.

>Wenn ich nur R16 und C19 variiere, auf welche Werte sollte ich dann C16
>und R22 bringen?

Keine Ahnung, erstmal mit den Werten aus dem Datenblatt anfangen.

>Gibt es hierbei sonst noch etwas zu beachten?

Dein Schaltplan hat massive Fehler.

C22 ist VOLLKOMMEN fehl am Platz, ist auch NIRGENDWO im Datenblatt oder 
der AN drin!

R17 mit 187R = 187 Ohm kann niemals stimmen, der muss eher um die 100k 
sein, denn der Spannungsteiler aus R17/R18 ergibt an REF immer 2,5V.

In Reihe zu C16 fehlt der Widerstand.

R16 muss in etwa so diemensioinert werden, dass an der Kathode vom 
TLV431 ca. 3-10V anliegen. Dann kann er arbeiten.

R27 könnte man auf 1k verringern, ist aber nicht so kritisch.

> Oder ein bestimmtes
>Vorgehen? Wie stelle ich dann z.B. den Arbeitspunkt richtig ein, wenn
>nicht über R16? R17 und R18 sind nämlich richtig dimensioniert

Niemals, siehe oben.

>trotzdem kann ich bei falschem R16-Wert Spannungen weit über 24Volt
>erreichen.

Ein Nebeneffekt.

MfG
Falk

von Thomas H. (thomas_h80)


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>Welche denn nun?

Ist beides die gleiche Schaltung, scematic2 ist nur ein vergroesserter 
Ausschnitt daraus.

>Dann stimmt was nicht. Der TLV431 arbeitet als Konstanstromquelle
>und regelt damit den Strom durch den Optokoppler.

Was wuerde denn nicht stimmen?

>C22 ist VOLLKOMMEN fehl am Platz, ist auch NIRGENDWO im Datenblatt oder der AN 
>drin!

http://www.powerint.com/sites/default/files/product-docs/an47.pdf, Seite 
25. C22 = 100nF (ok, meiner ist vllt zu gross dimensioniert)

>R17 mit 187R = 187 Ohm kann niemals stimmen, der muss eher um die 100k
>sein, denn der Spannungsteiler aus R17/R18 ergibt an REF immer 2,5V.

Doch, da es ein TLV431 und kein TL431 ist! Der TLV431 hat naemlich eine 
Referenzspannung von 1.25V.

Ok, ich stelle mal die Werte wieder auf die vom Datenblatt zuruck und 
behalte die Kathodenspannung des TLV im Auge. Dann variiere ich R16 und 
C19.

Vielen Dank fuer die Hinweise!

Gruss!
Thomas

von Thomas H. (thomas_h80)


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Hallo,

>Nun muss man R16 und C19 varieren, per Poti oder Dekadenwiderstand/kondensator.
>Damit beeinflußt man das Regelverhalten und sieht direkt die Wirkung.

Da ich hier keinen veraenderlichen Kondensator besitze: ist es denn 
nicht moeglich den C19-Wert beliebig festzulegen und die Kompensation 
ueber R22, der ja in Reihe dazu angeschlossen ist, zu veraendern.
Die Polfrequenzen beinhalten ja beide Werte.

Vielen Dank!

Gruss!
Thomas

von Falk B. (falk)


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@  Thomas H. (thomas_h80)

>Ist beides die gleiche Schaltung, scematic2 ist nur ein vergroesserter
>Ausschnitt daraus.

Nicht sonderlich vergrößert und somit nicht sonderlich nützlich. Aber 
egal.

>>Dann stimmt was nicht. Der TLV431 arbeitet als Konstanstromquelle
>>und regelt damit den Strom durch den Optokoppler.

>Was wuerde denn nicht stimmen?

R16 hat im Wesentlichen nur die Aufgabe, die überschüssige Spannung von 
den 24V zu verbraten, damit nicht zuviel Spannung und damit 
Verlustleitung am TLV431 entstehen.

>http://www.powerint.com/sites/default/files/produc..., Seite
>25. C22 = 100nF (ok, meiner ist vllt zu gross dimensioniert)

Ok, ist aber etwas merkwürdig.

>>R17 mit 187R = 187 Ohm kann niemals stimmen, der muss eher um die 100k
>>sein, denn der Spannungsteiler aus R17/R18 ergibt an REF immer 2,5V.

>Doch, da es ein TLV431 und kein TL431 ist! Der TLV431 hat naemlich eine
>Referenzspannung von 1.25V.

Schön, ändert aber am Fehler wenig.


In deinem Schaltplan stehen 187R = 187 OHM, es müssen aber KILOOHM sein!

>Ok, ich stelle mal die Werte wieder auf die vom Datenblatt zuruck und
>behalte die Kathodenspannung des TLV im Auge. Dann variiere ich R16 und
>C19.

Wer hat das empfohlen? Wir reden aneinander vorbei. Weil dein Schaltplan 
nicht mit dem aus dem Datenblatt Seite 15 100% übereinstimmt. Es fehlt 
R19. Denn mit C16 und R19 (und NICHT R16 und C19!) wird der Frequenzgang 
im wesentlichen beeinflußt, ebenso mit C22.

R16 und C19 sind IMO entbehrlich und irritieren mehr als sie helfen. R27 
im Datenblatt ist mir zu groß, 1K ist deutlich besser.

MfG
Falk

von Falk B. (falk)


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Ok, ich sehe gerade im Datenblatt, der TLV431 ist eine verbesserte 
Version des TL431.

      |  TLV431   TL431
------+------------------
V_ref |  1,25V    2,5V
I_min |  80µA     1000µA

Damit sind 10K für R27 auch OK.

MfG
Falk

von Thomas H. (thomas_h80)


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>In deinem Schaltplan stehen 187R = 187 OHM, es müssen aber KILOOHM sein!

Uii danke, das habe ich uebersehen! Ist aber Gott sei dank nur ein 
Tippfehler. Verbaut habe ich natuerlich 187k.

Du hast doch weiter oben geschrieben:
>Nein, die sind eher exotisch. Die Frequenzgangskompensation machen in
>erster Linie R16 und C19.

Ich belasse R27 auf den 1k8 und optimiere den Rest darauf hin.

Habe auch gerade herausgefunden, dass es keineswegs egal ist, ob man R22 
kleiner macht oder C19 groesser. Da ich keinen Drehkondensator hier 
habe, werde ich ein paar Werte fuer C19 ausprobieren und R22 
entsprechend darauf hinoptimieren.

Dass ich den Kondensator C22 komplett entfernt habe, hat das 
Regelverhalten schon mal stark verbessert! Vielen Dank fuer diesen 
Hinweis!

Gruss
Thomas

von Thomas H. (thomas_h80)


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Hallo,

bin mit der Optimierung nun soweit durch. Die Spannung bricht nun gar 
nicht mehr ein und die Regelung ist auch sehr schnell.

Nur habe ich unter Last (ca. 1.7A werden gezogen) noch einen Ripple von 
500 bis 600 mVpp drauf (siehe Anhang). Der Ripple tritt in Form von 
kleinen Spikes auf, die im Abstand der Periodendauer der Schaltfrequenz 
auftreten.
Die noch durchwirkende Neztfrequenz produziert einen Ripple von weniger 
als 50mVpp.

Sind diese Werte denn EMV-Technisch vertretbar? Welche Moeglichkeiten 
habe ich noch, diesen Ripple kleiner zu machen? Ein Postfilter (3mH, 
100uF) ist bereits installiert.

Viele Dank fuer die Hilfe!
Thomas

von Falk B. (falk)


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@  Thomas H. (thomas_h80)

>bin mit der Optimierung nun soweit durch. Die Spannung bricht nun gar
>nicht mehr ein und die Regelung ist auch sehr schnell.

Sehr gut! Gratulation! Was hast du gemacht?

>Nur habe ich unter Last (ca. 1.7A werden gezogen) noch einen Ripple von
>500 bis 600 mVpp drauf (siehe Anhang). Der Ripple tritt in Form von
>kleinen Spikes auf, die im Abstand der Periodendauer der Schaltfrequenz
>auftreten.

Das ist aber kein klassischer Ripple, sondern Schaltpulse. Da ist es 
nicht so einfach zu sagen, ob die echt sind oder ein Messfehler. Bei 
Schaltnetzteilen muss man immmer mit SEHR kurzer Masseverbindung am 
Tastkopf arbeiten, Stichwort ground spring.

>Die noch durchwirkende Neztfrequenz produziert einen Ripple von weniger
>als 50mVpp.

Nicht top, aber OK.

>Sind diese Werte denn EMV-Technisch vertretbar?

Kommt immer auf das Einsatzgebiet an.

> Welche Moeglichkeiten
>habe ich noch, diesen Ripple kleiner zu machen?

Erstmal sicherstellen, dass es kein Messfehler ist.

MFG
Falk

von Thomas H. (thomas_h80)


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Hallo,

>Sehr gut! Gratulation! Was hast du gemacht?

Erst habe ich C22 entfernt, dann habe ich mit einem Poti R16 so 
eingestellt, dass die Kathodenspannung des TLV431 im zulaessigen Bereich 
liegt. Abschliessend dann noch mit einem Poti R22 so eingestellt, dass 
unter Last die Spannung nicht einbricht und der Ripple so klein wie 
moeglich wird.

>...sondern Schaltpulse

Das muss ich noch genauer evaluieren und kuerzere Masseleitungen 
verwenden.

Vielen Dank fuer deine ausfuehrliche und gute Hilfe!

Gruss!
Thomas

von Falk B. (falk)


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Noch eine Anmerkung. Man kann die Schaltung auch dahin verbessern, als 
dass man

http://www.mikrocontroller.net/attachment/129822/scematic2.png

D77 Kathode an Pin 1 vom Optokoppler
Parallel zu D77 noch 0,1-1uF Keramikkondensator
R22/19 entfallen
R16 auf 3k3 ändern
in Reihe zu C16 noch einen Widerstand wie im Datenblatt

Hat den wesentlichen Vorteil, dass die Betriebsspannung für den TLV von 
der zu regelnten Ausgangsspannung entkoppelt ist und diese damit nicht 
doppelt einwirkt. Ausserdem kann man damit die bisweilen großen 
Toleranzen der Optokoppler einfach kompensieren, ohne an R16 drehen zu 
müssen (Serienproduktion).

Die Einstellung der Ausgangsspannung erfolgt nur durch R17/R18, die 
Frequenzgangkompensation der Regelschleife über C16 und den Widerstand 
dazu in Reihe.

MFG
Falk

von Thomas H. (thomas_h80)


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Hallo Falk,

danke fuer den Tipp!
Das werde ich bei naechster Gelegenheit gleich testen.
Auch wenn R22 entfaellt, soll C19 aber noch mit etwa 1u erhalten 
bleiben, oder?
Den richtigen Wert fuer den neu eingefuegten Widerstand ermittle ich 
dann am Besten wieder ueber ein angeloetetes Poti?

Sind diese Vorschlaege von dir eigentlich Erfahrungswerte, oder kommt 
man da mit logischem Ueberlegen drauf, wo welcher Widerstand/Kondensator 
sitzen muss, dass man die besten Ergebnisse bekommt?

Vielen vielen Dank!

Gruss!
Thomas

von Falk B. (falk)


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@  Thomas H. (thomas_h80)

>Auch wenn R22 entfaellt, soll C19 aber noch mit etwa 1u erhalten
>bleiben, oder?

Nein, C19 entfällt, da fehlt das C in meinem Posting 8-0

>Den richtigen Wert fuer den neu eingefuegten Widerstand ermittle ich
>dann am Besten wieder ueber ein angeloetetes Poti?

Jo.

>Sind diese Vorschlaege von dir eigentlich Erfahrungswerte, oder kommt
>man da mit logischem Ueberlegen drauf, wo welcher Widerstand/Kondensator
>sitzen muss, dass man die besten Ergebnisse bekommt?

Beides, ich hab vor eniger Zeit mit dem TL431 exakt sowas gemacht.

MFG
Falk

von Thomas H. (thomas_h80)


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Hallo Falk,

ok dankeschoen fuer deine Tipps!

Bei der "in der Luft haengenden" 19 hab ich uebersehen, dass damit C19 
gemeint ist ;-)

Hast du denn auch ein Schaltnetzteil selbst gebaut oder hast du den 
Feedback fuer etwas anderes verwendet?

Gruss!
Thomas

von Falk B. (falk)


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@  Thomas H. (thomas_h80)

>Hast du denn auch ein Schaltnetzteil selbst gebaut

Jain, ich habe ein Redesign gemacht.

MfG
Falk

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