Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Kontinuierlicher Betrieb eines DCDC Aufwärtsregleres mit Mikrocontroller


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von Achim K. (aks)


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Hallo,

Mein Fall:
Ich würde gerne eine Schaltung mit einem 5V USB Schaltnetzteil 
betrieben. Diese Schaltung hat eine Mikrocontroller und würde 12V bzw. 
24V für die Ansteuerung von Relais benötigen. Ich hätte gerne 100mA bei 
12V bzw 24V.
Daher dachte ich, eine PWM (ich bin bei so 20kHz) und eine ADC 
Rückkopplung der Spannung zur Regelung sollten es tun. Nun habe ich aber 
gelesen, dass man zwischen kontinuierlichem Betrieb (anstrebenswert) und 
diskontinuierlichem Betrieb unterscheidet. Die Frage für mich ist nun, 
müsste ich da über den OP im Mikorcontroller auch den Strom mit 
betrachten (und "rechtzeitig" wieder einschalten) oder kann man einen 
kontinuierlichen Betrieb auch "nur über die Ein-/Ausschalt Zeiten" 
erreichen (Idee: beim 1. Einschalten etwas länger an :-) ).

In anderen Threads habe ich gelesen, dass ein Aufwärtsregler vom einen 
oder anderen schon mit einem MikroController gemacht wurde. Vielleicht 
kann ja einer helfen.

Gruß
Achim

: Verschoben durch Admin
von Harald W. (wilhelms)


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Achim K. schrieb:

> Ich würde gerne eine Schaltung mit einem 5V USB Schaltnetzteil
> betrieben. Diese Schaltung hat eine Mikrocontroller und würde 12V bzw.
> 24V für die Ansteuerung von Relais benötigen. Ich hätte gerne 100mA bei
> 12V bzw 24V.

Dann solltest Du besser ein 12 oder 24V-Netzteil nehmen und die
niedrigereren Spannungen aus diesen ableiten. Du hast so einen
deutlich besseren Wirkungsgrad.
Gruss
Harald

von blub (Gast)


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Ich würde ein 5V-Relais empfehlen.

von Falk B. (falk)


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@ Achim K. (aks)

>In anderen Threads habe ich gelesen, dass ein Aufwärtsregler vom einen
>oder anderen schon mit einem MikroController gemacht wurde.

Ja, aber das ist ein anspruchsvolles Thema. Nimm 5V Relais oder ein 12V 
Netzteil und 12V Relais. Energie sparst du mit dem DCDC Wandler am Ende 
auch nicht. Denn dein 100mA/24 bedeuten mehr als 480mA bei 5V + Verluste 
im Schaltregler. Liefert dein Netzteil soviel?

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Das kommt auf die Last an. Wenn der Laststrom null sein kann, muss der 
Schaltregler ganz aussetzen. Denn schon ein einziger Impuls würde zu 
Überspannung am Ausgang führen.

In der Regel verhindert man diesen Extremfall durch eine Grundlast, z.B. 
eine Power-LED.

Wenn der Laststrom 1/1000 des maximalen Stromes sein kann, muss der 
Regler imstande sein, die lade-Impulse entsprechend kurz zu machen. Wenn 
er das nicht kann, sollte er wenigstens aussetzen können.

Die Aussetzer ermöglichen beliebig geringen Laststrom, führen aber zu 
weniger stabiler Ausgangsspannung und sind schwieriger zu filtern.

Eine Überwachung des Stromes macht Sinn. Allerdings würde ich da eher 
den maximalen Strom durch die Spule betrachten. Wenn sie in die 
Sättigung kommt, steigt der Strom schlagartig sehr stark an. Damit sich 
der Schaltregler dabei nicht selbst zerstört, braucht man eine 
entsprechende Überwachung oder im einfachsten Falle eine 
Schmelzsicherung.

Wenn die Spannungsversorgung jedoch sehr hohe Ströme liefern kann (z.B. 
Autobatterie) nützt eine Schmelzsicherung wenig. Bis die durchgebrannt 
ist, sind die Halbleiter auch schon kaputt.

Wenn die Spannungsversorgung jedoch ohnehin nur begrenzt Strom liefert 
(z.B. ein Transformator) kann eine simple SIcherung surchaus angemessen 
sein.

Ich würde dazu raten, ein fertiges IC zu benutzen. Da ist dann alles 
drin, was du brauchst und die Schaltung raucht Dir nicht komplett ab, 
bloss weil sich der Mikrocontroller aufgehängt hat.

von Michael K. (Gast)


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Achim K. schrieb:
> Nun habe ich aber
> gelesen, dass man zwischen kontinuierlichem Betrieb (anstrebenswert) und
> diskontinuierlichem Betrieb unterscheidet.

Einen Boost, Flyback oder Aufwärtswandler, wie man den auch nennen mag 
im CCM Betrieb zu fahren bringt ganz eigene Probleme mit sich (z.B. 
Sättigung), DCM ist einfacher.
Ich baue gerade einen direkt MCU gesteuerten 2Phasen interleaved PFC.
Also quasi die doppelte Ausführung dessen was Du vorhast.

Das ist eine Menge Aufwand dafür das Du in Deinem Fall etwas für 
kleinsten Preis von der Stange bekommst.
Als 'Forschungsprojekt' nett, aber davor solltest Du Dich schon ziemlich 
intim mit Schaltreglern auskennen.

Du solltest Falks Vorschlag beherzigen oder einen DC/DC Wandler mit 5Vin 
und 12Vout nehmen.
Ich habe noch einige Traco TME0512S hier liegen die ich für 2€ / stk. 
weggeben würde.
www.tracopower.com/products/tme.pdf
Bei Interesse PN.

von c-hater (Gast)


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Achim K. schrieb:

> Daher dachte ich, eine PWM (ich bin bei so 20kHz) und eine ADC
> Rückkopplung der Spannung zur Regelung sollten es tun.

ADC und aufwendiger Regler sind möglich, aber nicht unbedingt nötig, 
insbesondere dann nicht, wenn du auch die Relais vom µC aus ansteuerst, 
die zu erwartetende Lastsituation also schon vorab kennst. In diesem 
Szenario kommt man sogar komplett ohne Regelung aus, da würde ich nur 
eine einfache Überwachung auf Überspannung mittels Analogkomparator 
vorsehen, um für den Fall eines Leiterbruches ein unkontrolliertes 
Hochlaufen der Spannung zu verhindern.

> Nun habe ich aber
> gelesen, dass man zwischen kontinuierlichem Betrieb (anstrebenswert) und
> diskontinuierlichem Betrieb unterscheidet.

Nun ja, der kontinuierliche Betrieb ist nicht unbedingt erstrebenswert.

Den besten Wirkungsgrad liefert so ein Switcher eigentlich genau an der 
Grenze zwischen kontinuierlichem und diskontinuierlichem Betrieb.
Das Blöde ist halt nur, daß es schwierig bis unmöglich ist, diesen Punkt 
in jeder Lastsituation zu erreichen bzw. zu halten.

Wenn es auf höchsten Wirkungsgrad ankommt, wird man den Switcher so 
auslegen, daß man bei "normaler" Last gerade am optimalen Punkt liegt. 
Nur dann, wenn es aus irgendwelchen Gründen wichtig erscheint, "Eisen" 
(Baugröße der Induktivität) zu sparen und Vollast eher die 
Ausnahmesituation ist, wird man dafür dann in den kontinuierlichen 
Bereich gehen.

> Die Frage für mich ist nun,
> müsste ich da über den OP im Mikorcontroller auch den Strom mit
> betrachten (und "rechtzeitig" wieder einschalten) oder kann man einen
> kontinuierlichen Betrieb auch "nur über die Ein-/Ausschalt Zeiten"
> erreichen (Idee: beim 1. Einschalten etwas länger an :-) ).

Ja, bei bekannter und näherungsweise konstanter Last und 
Versorgungsspannung und geringen Anforderungen an die Konstanz der 
Ausgangsspannung ist es definitiv möglich, ohne Regelung auszukommen und 
die Sache komplett als simple Steuerung des Dutyfaktors abzuhandeln.

In deinem Fall würde man die die Sache so auslegen, daß sich bei Vollast 
(alle Relais eingeschaltet) und Nennspannung der Relais gerade der 
optimale Arbeitspunkt an der Grenze zum kontinuierlichen Betrieb ergibt. 
Für alle anderen Lastsituationen (nur ein Teil der Relais eingeschaltet) 
bist du dann im diskontinuierlichen Bereich. Da wählst du halt je nach 
Zahl der eigeschalteten Relais (die du ja vorab kennst) die 
Einschaltzeiten so, daß sich gerade die Nennspannung ergibt. Und ist 
kein Relais eingeschaltet, schaltest du die PWM komplett ab.

von GB (Gast)


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Such mal im Netz nach dem Begriff

Right Half Plane Zero

Die tritt beim Boost/Flyback/Cuk-Converter im kontinuierlichen Betrieb 
(Continuous Conduction Mode) auf und ist relativ schwierig in den Griff 
zu bekommen.

von Max G. (l0wside) Benutzerseite


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Man kann durchaus Aufwärtswandler mit einem µC bauen. BTDT, war nicht 
mal so kompliziert. Die Layouthinweise von Lothar Miller gelten 
natürlich auch dann.

Da du keine sonderlich präzisen 12V brauchst, sondern die Relais 
diesbezüglich recht gutmütig sein dürften, würde ich folgende simple 
(aber garantiert stabile) Variante vorschlagen:
* Der eigentliche Wandler bekommt ein festes Tastverhältnis und eine 
feste Frequenz.
* Wenn die Zwischenkreisspannung unter 12V fällt, schaltest du den 
Wandler ein.
* Wenn die Zwischenkreisspannung über 14V steigt, machst du ihn wieder 
aus.

Damit hält sich auch der Rechenaufwand in engen Grenzen.


Abstürze des µC sind nicht sonderlich kritisch: der Timer wird erst mal 
weiterlaufen, und für dem Rest gibt es ja hoffentlich einen Watchdog.

Max

Anekdote: Beim Debuggen meiner Schaltregler-Applikation war es beim 
Stoppen des Programmablaufs nur vom Zufall abhängig, ob der FET gegen 
Masse nun gerade an oder aus war. Wenn er an war, haben die kleinen 
SOT23 den satten Kurzschluss etwa 500ms lang mitgemacht und starben dann 
durch innere Explosion. Nach ein paar getauschten Bauteilen war dann die 
Leiterplatte lokal so verkohlt, dass die Nachfolger per Fädeldraht 
angeschlossen wurden. Da war das Problem dann nur noch, dass mir 
irgendwann die FETs ausgingen.
Klar hatte ich die SW angepasst, aber der Schutz funktionierte nur, wenn 
man vor dem Stoppen rechtzeitig daran dachte. Und im Eifer des Gefechts 
dachte ich nicht immer rechtzeitig daran...

von Michael K. (Gast)


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c-hater schrieb:
> Das Blöde ist halt nur, daß es schwierig bis unmöglich ist, diesen Punkt
> in jeder Lastsituation zu erreichen bzw. zu halten.

BCM (Boundary Conduction Mode) mit MCU Steuerung.
4hv.org/e107_files/public/1317180979_1806_FT124875_01_03.pdf

Geht die Last gegen 0 geht F gegen Sauhoch.
Ganz toll zu filtern aber sehr einfacher Aufbau.

Schöne Diskussion hier, aber in Anbetracht der ursprünglichen 
Aufgabenstellung das ein 12V Relais statt eines 5V verwendet wird gehen 
wir schon ganz schön ans Eingemachte.
Ich denke Achim kommst da jetzt so gaaanz langsam ins Schwimmen.

Machen wir doch gleich das nächste Fass auf:
http://de.wikipedia.org/wiki/Ladungspumpe

Immer noch Sinn frei aber leichter zu beherrschen.

Max G. schrieb:
> Anekdote: ....
Das hast Du ja richtig Dein Fet wegbekommen :)
Deswegen mag ich den break input beim z.B. stm8s003 so gern.
Wenn der kommt gehen die Outputs in einen definierten Zustand.
Sofort, asynchron zum Takt, egal ob die MCU im HALT oder sonstwo ist.

von Achim K. (aks)


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Erstmal vielen Dank für die vielen schnellen Antworten!

Ich habe schon befürchtet, dass schon zu viele solche
Fragen die Antwortlust sehr gedämpft haben.

Klar kann man ganz andere Lösungsansätze nehmen (tue ich aktuell
hauptsächlich auch, Netzteil 24V und dann StepDown). Ich habe aber
gerade etwas mehr Zeit und wollte es der Übung wegen andersrum
versuchen.

Beim Druchlesen der Antworten ist mir aufgefallen, dass das mit
dem "kontinuierlichen Betrieb" wohl für meine Anwendung gar nicht
so entscheident ist (die 24V sind nur selten eingeschaltet und
der Wirkungsgrad daher eher belanglos :-) ). Meine ersten
StepUp Versuche für die Relais waren übrigens auch zeimlich
einfach und haben an einem Nachmittag schon zum Anziehen der
Relais geführt (ürigens auch einfach fest Frequenz mit festem on/off
Verhältnis und das dann aus- oder eingeschaltet je mach aktuell
gemessener Spannung). Beim weiteren Einlesen in das Thema ist
dann halt der "kontinuierliche" Betrieb gekommen. Der ist aber
in der Tat und wenn überhaupt nur an der oberen Leistungsgrenze
interessant.

Ich werde die nächsten Tage die neuen Infos mal durchlesen und
ggf. einarbeiten.

Nochmals vielen Dank für die regen Antworten!

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