Moinmoin, ich bin gerade dabei einen Step-Up converter aufzubauen welcher ca. 150-220V DC bei max. 3-5W aus 12V DC erzeugen soll. Ich habe mal einen Prototypen nach Lehrbuch aufgebaut. Taktquelle: Agilent Funktionsgenerator Mosfet: IRF520 (Leider etwas viel Vgs für den max 5Vpp Ausgang des Agilent) Diode: MURS320T3G Cin_ 220µF 35V Elko Cout 10n Folie + 22µF 250V Elko Spule: 1mH, 2,1 Ohm DC und 330µH 0.3 Ohm DC Die Schaltung funktioniert soweit auch, habe mich (wegen Spannungsfestigkeit des Mosfets) bis ca. 130V am Ausgang getraut. Der Ausgang war mit 4k belastet. Es tritt jedoch bei großen Tastverhältnissen und höheren Frequenzen eine starke erwärmung des Mosfet ein. Gehe ich mit der Frequenz zu tief erwärmt sich die Spule stark. Der Wirkungsgrad für die 4k Last lag zwischen 50 und 70%, ohne Last deutlich schlechter da ca. 80-120mA ruhestrom. Jetzt würde mich interessieren. Was bestimmt die Verlustleistung in der Spule konkret? Wie hängt sie von Vin, Duty Cycle und Frequenz ab? Was bestimmt allgemein die Ruhestromaufnahme der Schaltung? Beim Mosfet war ich der Meinung dass es an meiner Niedrigen Vgs liegt die mit 5Vpp für diesen Mosfet evtl ein wenig zu gering ist. Grüße
Wenn die Frequenz zu niedrig ist, dann stellt die Spule (in erster Näherung) nur noch einen Kurzschluss dar, wo nur noch der ohm'sche Anteil (irgendwas zwischen ein paar mOhm und ein paar Ohm) eine Rolle spielt. Ergo fließt ein hoher (relativ) konstanter Strom durch die Spule und es wird gemäß der Formel P = I^2*R ordentlich Leistung verbraten. Ist die Frequenz zu hoch, kann die Gate-Ladung am Mosfet nicht schnell genug umgeladen werden und der Mosfet sperrt bzw. leitet nicht vollends. Dadurch arbeitet der Mosfet (ungewollt) im "linearen Bereich" und es entstehen dort auch wiederum hohe Verluste.
Viellicht noch zur Info, Ich habe im Frequenzbereich von 35 bis ca. 110kHz getestet Die Spannung am Gate hat steile Flanken und erreicht schnell 0 bzw. 5V Pegel
Wo ist der Schaltplan? Ich gehe jetzt mal davon aus, dass due inen primitiven Step up mit Mosfet Spule und Diode gebastelt hast. So wird das nichts werden denn: Der Mosfet schaltet bei Ugs von 5V nicht richtig durch. Bei niedrigen Frequenzen geht die Spule in die Sättigung. Du kannst keinen wirklich sinnvollen Step up mit nur einer Spule machen, die die Spannung um Faktor 20 erhöhen soll. Da bist du schon an der Grenze der Güte deiner Spule. Für so eine Spannungserhöhung muss man einen Transformator statt einer Spule nehmen, zumindest aber eine Spule mit Anzapfung (Spartrafo).
Du solltest Dir die Strom und Spannungsverläufe dazu anschauen. Der Strom durch die Spule soll sägezahnförmig sein. Der Punkt an dem der Strom überproportional steigt ist der Bereich an dem die Sättigung einsetzt. Noch mehr Strom führt nur noch zu mehr Verlustleitung. Entweder schaltest Du bei Strom max. ab, oder Du bestimst in Deinem Laboraufbau die Zeitkonstante und bleibst immer darunter egal bei welcher Frequenz. cableer schrieb: > Die Spannung am Gate hat steile Flanken und erreicht schnell 0 bzw. 5V > Pegel Gut gemacht Großer ! Durch völliges ignorieren des Datenblattes und allem was über MosFet Ansteuerung auch hier im Forum zu lesen ist betreibst Du den MosFet nie voll durchgesteuert und damit als Heizwiderstand. Generell hast Du bei so großen Übertragungsverhältnissen (12V zu 300V) immer mit starken Schwingungen durch schlechte parasitäre Eigenschaften zu kämpfen. Schau Dir Uds, Ugs und I an dann verstehst Du was den Mosfet ausser Deiner miesen Gate Ansteuerung noch aufheizt.
Die Frage kommt mindestens alle 2 Wochen. MaWin versucht sie jedesmal zu beantworten, teilweise mit einer Engelsgeduld. Hier z.B. Beitrag "Re: Step Up / Charge Pump Design für Hochspannung"
Udo Schmitt schrieb: > Die Frage kommt mindestens alle 2 Wochen. Jetzt stell Dir mal vor alle schon 100 mal gestellten Fragen fallen weg. Dazu alle Fragen die sich selber binnen 5min über Gurgel recherchieren lassen. Jetzt noch alle blöden Fragen (ja es gibt blöde Fragen), Trolle und Beleidigungen weg. Da bleibt nicht mehr viel übrig.
Michael Knoelke schrieb: > Udo Schmitt schrieb: >> Die Frage kommt mindestens alle 2 Wochen. > > Jetzt stell Dir mal vor alle schon 100 mal gestellten Fragen fallen weg. > Dazu alle Fragen die sich selber binnen 5min über Gurgel recherchieren > lassen. Jetzt noch alle blöden Fragen (ja es gibt blöde Fragen), Trolle > und Beleidigungen weg. Da bleibt nicht mehr viel übrig. Naja, früher haben sich Anfänger auch damit begnügt, als erstes ein Gartenhäuschen zu bauen. Heute muss es als Startprojekt mindestens die Elbphilharmonie sein. :-(
>Gut gemacht Großer ! >Durch völliges ignorieren des Datenblattes und allem was über MosFet >Ansteuerung auch hier im Forum zu lesen ist betreibst Du den MosFet nie >voll durchgesteuert und damit als Heizwiderstand. In der Gate-Leitung des Mosfet liegt ein 10 Ohm Widerstand. Uds ist ein sauberes rechteck. Der Regler arbeitet nicht im Lückenden Betrieb. Ugs steigt mit einer rise-time von etwa 10ns von den 0 auf 5V. Dass der Mosfet für diese Art von Ansteuerung nicht Ideal ist weiß ich selbst. Ich habe allerdings keinen Logic-Level Mosfet mit Vds >50V zur Verfügung. Es ist ja auch nicht so als würde die Schaltung rauchen, sie tut was sie soll. Ich versuche einfach nur zu verstehen was die genauen Mechanismen der Verlustleistung sind und woran sie physikalisch hängen. Dass der Fet nicht voll durchgesteuert ist und deshalb mehr verheizt als er müsste ist mir bewusst. Die Verlustleistung des Fet steigt natürlich auch mit der Frequenz. Bei 12V Eingangsspannung habe ich etwa 1,2Watt Verlust in Fet+Spule. Wie genau hängt die Güte mit der erreichbaren Ausgangsspannung zusammen? Ist meine Denkweise richtig, dass eine große Güte der Spule nötig ist um nach dem Ausschalten des Transistors eine hohe Spannung aufbauen zu können?
und an die ewigen Meckerer: wenn euch das nicht passt was ich mache, dann haltet euch doch einfach raus. Euer ewig gleiches lamentieren ist nicht im mindesten einfacher zu ertragen als mehrfaches Nachfragen zum selben Thema. genießt doch einfach eur Allumfassendes und schon immer da gewesenes Wissen und lasst andere Leute ihr trauriges Dasein in der Ahnungslosigkeit fristen.
bevor du hier beleidigend wirst, solltest du vielleicht mal mehr informationen liefern, zuallererst einen Schaltplan. Und Oszi-Bilder, falls vorhanden. Kennst du den Sättigungsstrom deiner Spule? Wenn nciht, hast du den bestimmt? Hast du die Schaltung mal simuliert?
Allenfalls den RDSon des FET bei der verwendeten Gatespannung im Datenblatt nachschauen ? Allenfalls einen richtigen FET Treiber bei der richtigen Gatespannung verwenden ?
Auch noch als Tipp: Hast Du Ugs direkt am Gate gemessen? Selbst wenn die 5V Spannung schnell (ns-Berich) da (und auch wieder weg) ist (was man i.A. nur mit MosFET Treiber schafft): Der MosFET benötigt intern auch noch Zeit, leitend (bzw. sperrend) zu werden. Er fährt dabei immer durch den linearen Bereich (unabhängig vom RDSon). Je öfter er das macht, desto mehr Verlustleistung gibt's! Bei Spulen gibt's neben den resistiven Verlusten auch noch Magnetisierungsverluste!
HochspannungsFET habe eher hoehere Gate Kapazitaeten, welche umgeladen werden muessen. Mit einem 50 Ohm 5V Ausgang ist da nichts. Und den 10 Ohm am Gate sollte man dann weglassen. Auf die andere Seite steigen mit zunehmender Flankensteilheit auch die EMV Probleme. Bisher haben wir noch nichts vom Aufbau gesehen. Ich nehme mal Steckbrett an. Das sollte man vergessen. Da ist schon die Gateinduktivitaet zu gross.
Kai Mauer schrieb im Beitrag #3994465: > Du bist nicht in der Lage, diese einfache Schaltung im Kopf zusammen- > zustellen, die der TO hier mit Bauelementedaten beschreibt? Das ist nicht die Frage. Es ist nicht sinnvoll von sich auf Andere zu schließen. Wenn man selbst etwas aufbauen kann, heißt das noch lange nicht daß jemand anderes das auch kann, geschweige denn dies auf die exakt gleiche Art und Weise macht. Und umgekehr ist das was man selbst nicht kann nicht unmöglich etc. Wenn man Fragen zu einem konkreten Aufbau hat, so sollte dieser eindeutig und leicht verständlich dargestellt sein. Ein Schaltplan und Layout ist da oft eine Hilfe, denn auch das layout ist sehr sehr wichtig, gerade bei Schaltreglern! Zudem wird hier keiner dafür bezahlt, da kann man es den Anderen auch leicht machen zu helfen. Man sollte von einem kostenlosen Forum nicht mehr Aufwand erwarten als man selber bereit ist in sein eigenes Projekt zu investieren. cableer schrieb: > Ist meine Denkweise richtig, dass eine große Güte der Spule nötig ist um > nach dem Ausschalten des Transistors eine hohe Spannung aufbauen zu > können? Das stimmt nur begrenzt. Man kann auch mit schlechten Spulen hohe Spannungen aufbauen, aber der Wirkungsgrad wird schlecht sein und die Leistung wird zusätzlich begrenzt, weil nur noch ein kleiner Teil der Energie, die in die Spule geht, auch wieder in der gewünschten Form herauskommt.
Kai Mauer schrieb im Beitrag #3994465: > cableer schrieb: >> Ich habe mal einen >> Prototypen nach Lehrbuch aufgebaut. >> >> Taktquelle: Agilent Funktionsgenerator >> Mosfet: IRF520 (Leider etwas viel Vgs für den max 5Vpp Ausgang des >> Agilent) >> Diode: MURS320T3G >> Cin_ 220µF 35V Elko >> Cout 10n Folie + 22µF 250V Elko >> Spule: 1mH, 2,1 Ohm DC und 330µH 0.3 Ohm DC Eine 200V Diode für angestrebte 220V Ausgangsspannung ? Und die Elkos lowESR für 100kHz spezifiziert oder billige 100Hz ? cableer schrieb: > Jetzt würde mich interessieren. Was bestimmt die Verlustleistung in der > Spule konkret? Wie hängt sie von Vin, Duty Cycle und Frequenz ab? Was > bestimmt allgemein die Ruhestromaufnahme der Schaltung? Das kann man ausrechnen lassen http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/aww_smps.html Du siehst also daß das Tastverhältnis sehr ungünstig ist, lange ein und kurz aus (länger aus bringt nichts weil die Spule entladen ist). Schaltstrom ca. 1A, d.h. bei deine 2.1 Ohm Spule 2 Watt Verlust. Wichtig wäre bei der Spule halt deren maximaler Strom bevor sie in Sättigung geht, 1A muss sie schon aushalten. Desweiteren die Güte, wenn du von 12V auf 220V willst, muss die Güte deutlich über 20 liegen, eher 35 damit noch halbwegs was an Wirkungsgrad rüber kommt. Die billigen Spulen heben eher nur 20. Daher sind step up Wandler mit so hohem Transformationsverhältnis blöd. Man nimmt lieber Trafos, und erreicht auch eher 50% Tastverhältnis.
@Udo Auch wenn ich über derartige Diskussionen nicht erfreut bin, der mit der Mauer war nicht einmal schlecht^^ Ich hoffe man kann das mit Humor sehen und die Diskussion etwas abkühlen lassen. @ cableer Ich bin neugierig wofür Du diese Konstruktion eigentlich einsetzen willst? Willst Du damit Nixie-Röhren betreiben?
Ich mache heute Abend wenn ich wieder zu Hause bin mal Bilder für euch mit dem Oszi. Wie gesagt, das ist erstmal ein Aufbau zum rumspielen. Allerdings nicht auf Steckbrett, das ganze ist auf einer Kupferleiterplatte aufgebaut die in 3 zonen aufgeteilt ist: GND, VIN, VOUT und auf Kurze Wege und gemeinsamen Massepunkt für Mosfet Diode und die beiden Elkos ausgelegt. Elko sind 105°C Low ESR von Panasonic. Eingangsseitig noch 1µF Ceramic parallel. Die Spule stammt aus einem Schaltwandler (Step-down) mit 260kHZ 24->12V mit max. 100W Ausgangsleistung. Ich habe keine genauen Daten dazu gehe aber davon aus, dass die nicht in die magn. Sättigung gehen sollte in meiner Anwendung. Habe die Schaltung mit LT-Spice simuliert, auch mit dem Online-Tool. Nochmal, mir ist bewusst dass das keine Art und Weise ist wie man ein SNT für ein Produkt auslegen würde. Es geht hier ums Verstehen. Mich interessieren Primär die Verlustmechanismen in der Spule. Ist ja auch nicht so als würde die Schaltung nicht gehen. Die 130V stehen wie eine 1 auch unter der geforderten Belastung
Carsten R. schrieb: > Ich hoffe man kann das mit Humor sehen und die Diskussion etwas abkühlen > lassen. Entschuldigung! Wenn ich irgendwo Mist schreibe, gebe ich das gerne zu, aber wenn man mich so völlig <selbstzensiert> von der Seite anmacht werde ich grantig. Ich versuche mich zu bessern...
Carsten R. schrieb: > Das stimmt nur begrenzt. Man kann auch mit schlechten Spulen hohe > Spannungen aufbauen Nein, das ist natürlich wieder grober fachlicher Unsinn. Wenn eine Spule eine Güte von 20 hat, dann wird nach Unterbrechung des Stromflusses maximal die 20-fache Spannung entstehen, also aus 12V macimal 240V, so ist die Güte definiert. Die Energie des Impulses wird in die Kapazität zwischen den Windungen umgeladen und dadurch in der Spule absorbiert. Mit etwas Glück hat der Anschlussdraht zwar nur 1% der Induktivität aber eine hohe Güte und reicht dann mit 0.5% Effizienz für höhere Spannungen, aber da baut nicht die schlechte Spule hohe Spannungen auf, sondern der Zuleitungsdraht ist die bessere Spule.
Was ich noch spannend fände wäre das Konzept "Spule mit Anzapfung" - Wie wäre da der Funktionsmechanismus? Laden der Spule, die nur aus einem Teil der Windungen besteht und dann entladen der im Kern gespeicherten Magnetischen Energie durch alle Wicklungen?
cableer schrieb: > Was ich noch spannend fände wäre das Konzept "Spule mit Anzapfung" Siehe mein Link oben zu MaWins Beitrag. Eine Spule mit Anzapfung ist wie ein Trafo, bei dem eine Seite der Primär und Sekundärwicklung miteinander verbunden sind. Das nennt sich auch "Spartrafo". Das ist also auch ein Transformator, nur ohne galvanische Trennung.
cableer schrieb: > Ich habe keine genauen Daten dazu gehe > aber davon aus, dass die nicht in die magn. Sättigung gehen sollte in > meiner Anwendung. Das ist sehr gewagt, denn cableer schrieb: > Ich habe im Frequenzbereich von 35 bis ca. 110kHz getestet Du arbeitest mit einer sehr erheblich niedrigeren Frequenz und dazu mit einem sehr hohen Dutycycle. Dadurch ist die On-Zeit in der die Spule bestromt wird sehr viel größer. Die niedrigere Versorgungsspannung kann das nicht kompensieren. Das geht nur gut, wenn die Spule zuvor mit großer Reserve gewählt wurde. cableer schrieb: > Der Regler arbeitet nicht im Lückenden Betrieb. Das ist gut. Dann "klingelt" es nicht so sehr (EMV und Verluste), aber im kontinuierlichen Betrieb kann dir der Spulenstrom leicht hochlaufen (Sättigung). Um das zu beurteilen wären deteils über die Regelung und die Last nötig. cableer schrieb: > und auf Kurze Wege und > gemeinsamen Massepunkt für Mosfet Diode und die beiden Elkos ausgelegt. Das ist ein Punkt beim Layout. Schau dir mal das hier an: http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layout-Schaltregler Das ist zwar ein Step-Down-Regler, aber die Idee hinter den Strompfaden kommt da allgemein recht gut rüber.
Stefan Schmidt schrieb: > Ist die Frequenz zu hoch, kann die Gate..... und der Kern der Spule spielt nicht mit, ich musste das selber feststellen das nicht jeder Kern für jede Frequenz geignet ist. Also die Spule ohne Kern mit Frequenz zu betrachten, ausser es ist eine Luftspule, hat wenig Sinn. mit einem LT1070 und angezapfter RingSpule habe ich aus 12V -> 130V DC erreicht zum Betrieb eines Ladegerät(SNT) für Akkus, aber nie fertig gebaut.
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Bearbeitet durch User
MaWin schrieb: > Carsten R. schrieb: >> Das stimmt nur begrenzt. Man kann auch mit schlechten Spulen hohe >> Spannungen aufbauen > > Nein, das ist natürlich wieder grober fachlicher Unsinn. Das hängt davon ab wo man die Grenze zu "hoch" zieht. Bei einem bestimmten Verhältnis oder bei einer bestimmten Spannung oder.... Außerdem ist das keine harte Grenze. Der Wirkungsgrad nimmt bei gleicher Güte mit zunehmender Spannung, genauer gesagt Spannungsverhältnis, immer weiter ab. Irgendwann kommt man natürlich an eine Grenze. Ich schrieb ja auch micht "beliebig hoch" Ich möchte aber auch nicht daß der Eindruck entsteht daß man mit Spulen schlechter Güte keine gefährlich hohen Spannungen erzeugen kann. Man könnte dann auf die Idee kommen nur Spulen schlechter Güte zu verbasteln und wäre damit immer sicher unterwegs.
Angehängte Dateien:
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scope_29.png
38 KB
Anbei das Bild vom Scope: Vin = 8 VDC Vout = 93V f = 135kHz Grün = Stromzange direkt vor der Spule lila = Vout Gelb = Vds magenta = Vgate
Magenta kommt als rot rueber. Sooo steil ist das Gate nun auch wieder nicht. Zoom da mal rein.
Das nicht so steile Gate liegt daran, dass mir grade mein Buffer zwischen Funktionsgenerator und Gate abgeraucht ist. Durch kurzschluss mit einem metallischen reisverschluss :/ ..hatte einen THS3091 x 3 Buffer dazwischen, der kann ordentlich Strom am Ausgang.
Die Strommessung liefert lineare Rampen - ergo ist noch keine Sättigung der Drossel zu sehen. Imho kannst Du mit der Taktfrequenz noch etwas herunterfahren.
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