MC34063 Schaltungsvorstellung 5V Stepup-Konstantstromquelle 1A für 2x10W Power-LED

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Hallo allerseits.

Nach langem Experimentieren möchte ich mal eine meiner Meinung nach 
gelungene Version einer Konstantstromquelle zum Betrieb einer oder 
zweier 10 Watt-LEDs vorstellen.

Anbei Bildschirmfotos von Spannungverläufen und dem 
Experimentier-Aufbau. Die Elkos sind schon betagt, funktionieren aber 
ohne jede Erwärmung einwandfrei. Wie Dioden in Industriegeräten gekühlt 
sein können, erkennt man in den Beispiel-Fotos.

Eingangsspannung sollte 5V geregelt sein. Ich verwende dafür ein 
Schaltnetzteil, das knapp 4 A liefern kann. Mit dem verbauten FET mit 
niedriger Gate-Schwellspannung funktioniet die Schaltung recht gut. Das 
am Gate anliegende Rechteck mit 4V Spitzenspannung genügt, um den FET 
weit genug aufzusteuen. Die niedrige Eingangsspannung habe ich bewußt 
ausgewählt, um daß aus aus einer niedrigen Eingangsspannung bei genügend 
Stromfluß und genügend "dicken" Bauteilen sowie Leitern beträchtliche 
Leistung heraus zu holen ist. Wer ein 6V-Auto hat, kann sich so 
LED-Licht einbauen.

Die Schaltung kann durch Änderungen auch an andere Werte des gewünschten 
maximalen Stroms oder an höhere Ausgangsspannung angepaßt werden. In 
jedem Fall ist der Spule besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Nicht nur 
der Wert sollte gut passen (nicht zu groß), sondern auch ihre Ausführung 
in Bezug auf Strombelastbarkeit und Kernverluste sind relevant, damit 
keine zu starke Erwärmung der Spule auftritt. Man sollte auch nicht 
irgendeinen Kern verwenden. Die Kerne auf den Fotos sind Ringkerne, die 
einen verteilten Luftspalt aufweisen, den man natürlich nicht sehen oder 
einstellen kann. Ein Kern ohne Luftspalt würde nicht funktionieren, da 
die Schaltung nach dem Prinzip des Sperrwandlers funktioniert: Wenn der 
FET abschaltet, entsteht in der Spule durch den unterbrochenen Stromfluß 
eine hohe Rückschlagspannung, die mit allen Mitteln versucht, den 
Stromfluß in eben genau der vorhergehenden Richtung aufrecht zu 
erhalten. Dabei kann eine "beliebig" hohe Spannung entstehen. Sofern ein 
Verbraucher angeschlossen ist, fließt dann so lange Strom durch den 
Verbraucher, bis das Magnetfeld in der Spule abgebaut ist. Nach einer 
kurzen Pause wird der FET wieder eingeschaltet, so daß durch Stromfluß 
das Magnetfeld in der Spule wieder aufgebaut wird. Dies nennt sich dann 
"lückender Betrieb". Falls die Spule einen größeren Wet hat, entstehen 
diese Lücken nicht.

Wer nachlesen möchte, kann unter den Begriffen Sperrwandler und 
Flußwandler z.B. bei Joretronik mal schauen.

Der kleine blaue Kern:  Ferrit-Ringkern HF-080160-2  Maße: Außen-Ø 20,5 
mm, Innen-Ø 12,5 mm, Höhe 6,5 mm. Best.Nr. 250 005 Pollin
Der größere grüne Kern: Ferrit-Ringkern Außen-Ø 27 mm, Innen-Ø 14 mm, 
Höhe 11,5 mm. AL-Wert ca. 95 nH.  Best.Nr. 250 006 Pollin

Hier erfährt man, was passiert, wenn die Spule nicht paßt, nämlich zu 
viel Induktivität hat:
Beitrag "MC34063 Stepup Pfeift laut, erzeugt Schwingungspakete"

Wer die Schaltung an höhere Eingangsspannung anpassen möchte, sollte den 
100 Ohm-Widerstand linear vergrößern, dabei die Verluste im IC nicht zu 
groß werden lassen und muß die Verlustleistung des MPSA56 im Auge 
behalten, denn dieser kann sich sonst überhitzen. In diesem Fall dann 
einen 1,5A-Typ verwenden. Siehe
Beitrag "PNP turn-off Transistor als FET-Treiber wird heiß"

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Das Voltek-Schalt-Netzteil (5V 3,7 12V 0,6A) schafft es gerade noch, die 
Schaltung mit zwei in Reihe geschalteten 10 Watt-LEDs bis zur vollen 
Helligkeit zu speisen. Manchmal schaltet es bereits ab. Gemessene 
Stromaufnahme: 3,7..3,8A steigt mit Erwärmung, 4,97V
Was die Helligkeit angeht, steigt sie beim Sprung von 2 A Aufnahme auf 
3,8 A Aufnahme nicht mehr wesentlich an.
Zum Sparen würde also 2A Stromaufnahme bereits ausreichen.
Bei der maximal möglichen Helligkeit wird am 0,6 Ohm Widerstand ca 500 
mV gemessen -->> 0,83A. Die Schaltung erreicht also nicht ganz 1 A.

Ct = 330 pF    Rsc = 0,05 Ohm

Der FET braucht für zwei LEDs bereits einen kleinen Kühler ca 3,5 x 8 cm 
und heizt diesen moderat auf.
Die Spule auf dem blauen HF-Kern 250005 mit 14 Wdg mit 1,5mm Voll-Draht 
hat ca 100°C. Zu Verbessern wäre also der Spulendraht. Am besten 
mehradrige Trafolitze verwenden. Sie bleibt immer unhörbar. Die Diode 
wird nie nennenswert warm. Mit dem größeren Kern 250006 bleibt selbst 
die Spule kühl.

Die Oszilloskopbilder zeigen, daß je nach Betriebszustand Pulse 
ausfallen oder lückender Betrieb auftritt.
Bei Vollast sind deutlich längere Einschalt-Zeiten als Ausschalt-Zeiten 
des FETs zu beobachten. Die Lücken verschwinden dann.


mittel hell:    215 mV 4µs FET aus, 10µs FET ein
geringer mittel hell:  100 mV 4µs FET aus und Diode leitet, 4µs 
abfallede e-Funktion und Diode leitet, 8µs 5V konstant und Diode und FET 
leiten nicht,       12µs FET leitet

voll hell:    500 mV 1,8 µs aus und Diode leitet, 10,2 µs FET leitet
fast voll hell: ist Grenze, wo der lückede Betrieb anfängt: 2µs aus und 
Diode leitet, 10 µs FET ein

Mit der einzelnen 10Watt-LED braucht der FET gar keine Kühlung.


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Bildschirm-Fotos:
geringe Helligkeit, oben 5V 20 µs/Teil  unten Ct Pin3  4056.jpg. 4060, 
4061 lückender Betrieb, 4061 ist das beste Bild

sehr hell    5V 20 µs  lückender Betrieb  4058, 4059

volle Helligkleit  20µs    4063      Spule wird heiß
volle Helligkleit  2µs    4064      Spule wird heiß

fast sehr hell    20µs  lückender Betrieb    4066, 4067


fast sehr hell    5µs        4068
fast sehr hell    5µs        4069 unten spannung an Rsc = 10 mOhm

Grenze zum lückenden Betrieb    4063 mit 20µs, 4064 mit 2µs  Spule wird 
heiß


FET eingeschaltet: 10 µs, FEt aus 2µs

voll hell:    FET aus 1,8µs, 10,2µs FET ein  1:5      entspricht ganz 
grob figure3 im Datenblatt Oszillator
gering mittel hell:  100 mV 16µs FET aus, 12 µs FET leitet  4:3
mittel hell:    215 mV   4µs FET aus, 10 µs FET ein  2:5
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Ich wünsche noch viel Spaß und den Gewinn neuer Erkenntnisse beim 
Nachbauen und Experimentieren mit dem Schaltungsvorschlag.

Mit freundlichem Gruß

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

In den Namen der Fotos steht _s. Das soll 20 µs oder 5µs heißen. 20µs 
pro Skalenteil.

[ArnoR (Gast)]

Der MC34063 hat einen Abschaltwert von 300mV über dem Sense-Widerstand, 
was bei 10mR einen Strom von 30A ergibt. Das ist viel zu hoch. Da 
entstehen nur irre Verluste ohne Leistung am Ausgang. Wenn man bei 5V am 
Eingang 20W übertragen will, dann braucht man beim Stepup idealerweise 
4A am Eingang, mit Verlusten etwa 5A.

Der blaue Pollin-Ringkern verträgt bei 14Wdg (17µH) und 0,5T einen Strom 
von 10A, er wird aber immer bis 30A (1,5T) betrieben, weil die Schaltung 
die Einschaltphase nur durch die Überstromabschaltung der MC34063 
beendet. Daher auch die Erwärmung:

Christian S. schrieb:
> Die Spule auf dem blauen HF-Kern 250005 mit 14 Wdg mit 1,5mm Voll-Draht
> hat ca 100°C. Zu Verbessern wäre also der Spulendraht.

Nein, der Kern ist total übersteuert und erwärmt sich entsprechend.

> Mit dem größeren Kern 250006 bleibt selbst die Spule kühl.

Ja, das liegt aber nicht am Draht, sondern an der viel kleineren 
Flussdichte.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

ArnoR schrieb:
> Der blaue Pollin-Ringkern verträgt bei 14Wdg (17µH) und 0,5T einen Strom
> von 10A, er wird aber immer bis 30A (1,5T) betrieben

Das ist ein Hi-Flux Kern von Magnetics. Der hat eine Sättigungsfluß- 
dichte von 1.5T. Trotzdem sollte man im Betrieb nicht über 1T gehen. Und 
20A Peak würden auch vollkommen ausreichen für 20W @ 5V. Die 4A sind ja 
nur der Mittelwert des Eingangsstroms.

[Falk B. (falk)]

@ Axel Schwenke (a-za-z0-9)

>> Der blaue Pollin-Ringkern verträgt bei 14Wdg (17µH) und 0,5T einen Strom
>> von 10A, er wird aber immer bis 30A (1,5T) betrieben

>Das ist ein Hi-Flux Kern von Magnetics. Der hat eine Sättigungsfluß-
>dichte von 1.5T. Trotzdem sollte man im Betrieb nicht über 1T gehen. Und
>20A Peak würden auch vollkommen ausreichen für 20W @ 5V. Die 4A sind ja
>nur der Mittelwert des Eingangsstroms.

Leute, bei 100kHz und 1T Flußdichteänderung brennt euch JEDER 
Eisenpulverkern weg, da haben selbst GUTE Ferrite ordentlich zu 
schnaufen!

Siehe Transformatoren und Spulen.

[ArnoR (Gast)]

Axel S. schrieb:
> Das ist ein Hi-Flux Kern von Magnetics. Der hat eine Sättigungsfluß-
> dichte von 1.5T.

Ich habe für das Material 0,5T in Erinnerung. Muss ich wohl nochmal 
nachschauen.

Axel S. schrieb:
> Und
> 20A Peak würden auch vollkommen ausreichen für 20W @ 5V. Die 4A sind ja
> nur der Mittelwert des Eingangsstroms.

Wozu denn 20A? Beim Stepup fließt der Eingangsstrom ja immer, man hat 
nur eine Welligkeit drauf. siehe Anhang

[ArnoR (Gast)]

Witzigerweise kann man mit dem blauen Pollin-Kern genau die Induktivität 
erreichen, die der Schmidt-Walter vorschlägt. Mit 23Wdg. kommt man auf 
46µH, 6A bei 0,5T und die im Bild angegeben Ströme.

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Falk B. schrieb:
> @ Axel Schwenke (a-za-z0-9)
>
>>> Der blaue Pollin-Ringkern verträgt bei 14Wdg (17µH) und 0,5T einen Strom
>>> von 10A, er wird aber immer bis 30A (1,5T) betrieben
>
>>Das ist ein Hi-Flux Kern von Magnetics. Der hat eine Sättigungsfluß-
>>dichte von 1.5T.
>
> Leute, bei 100kHz und 1T Flußdichteänderung brennt euch JEDER
> Eisenpulverkern weg, da haben selbst GUTE Ferrite ordentlich zu
> schnaufen!

Das ist ja der Punkt. Das ist kein Eisenpulver. Und auch kein Ferrit. 
Vom Aufbau ist es zwar ein Kern aus Harz(?) Bindemittel und magnetisch 
leitfähigem Pulver. Aber das Pulver ist kein reines Eisen, sondern eine 
Legierung aus Nickel, Eisen und noch ein paar anderen schönen Dingen. 
Gibt es in verschiedenen Rezepturen von verschiedenen Herstellern unter 
Bezeichnungen wie MPP, Sendust, Hi-Flux oder Cool-Mu. Das HF Material 
von Magnetics hat dabei die höchste Sättigungsflußdichte. Aber auch MPP 
kommt auf 0.8 .. 1T, je nach Hersteller bzw. dessen Marketing-Aufschlag 
;)

Ich habe vor ein paar Jahren mal mit solchen Kernen experimentiert (man 
findet sie manchmal auf PC-Mainboards) und ein MPP Kern hat in der Tat 
deutlich niedrigere Verluste als -26 oder auch -52 Eisenpulver.


ArnoR schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> 20A Peak würden auch vollkommen ausreichen für 20W @ 5V.
>> Die 4A sind ja nur der Mittelwert des Eingangsstroms.
>
> Wozu denn 20A? Beim Stepup fließt der Eingangsstrom ja immer, man hat
> nur eine Welligkeit drauf. siehe Anhang

Örks. War dann wohl zuviel Kaffee heute nachmittag ;)

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Danke an die Experten für die Beiträge.

Ihr habt durch genaues Durchlesen genau die Stelle gefunden, bei der ich 
unschlüssig war, ob das so stimmt:
Beim kleinen Kern 250005 Bild 3972 konnte ich nicht unterscheiden, ob 
die Wärme aus dem Kern kommt oder ob es der Draht ist. Hier habe ich den 
falschen Schluß gezogen.
Den größeren Kern habe ich erst kurz vor dem Absenden ausprobiert, da er 
zuvor noch nicht bewickelt war. Er wird gar nicht warm und ist ebenso 
unhörbar. Falls der gleiche Strom fließt, müßte ein gleichartiger Draht 
sich also genauso stark erwärmen. Tatsächlich bleibt alles kühl bei 
gleicher Ausgangsleistung. Also erweist sich der 1,5mm 
Installationsdraht als vorläufig geeignetes Bauteil, so lange keine 
Trafolitze greifbar ist. Frequenz ca 50 kHz.
Was den 10mOhm Widerstand anbelangt, hatte ich dieses Exemplar zur 
Verfügung und keine weiteren Abstufungen greifbar. 0,13 und 0,065 Ohm 
wären die nächsten.

In Bild 4069 sieht man unten den Stromverlauf, den ich AC-gekoppelt am 
+Eingang der Spule abgenommen habe. 50mVss. Ihm ist allerdings noch ein 
ähnlicher Verlauf überlagert, der direkt an den +5V abgenommen werden 
kann, mit geringerer Amplitude, den man noch subtrahieren müßte. --> 
Differenzmessung. Die Elkos sind eben nicht ideal. Jedenfalls hätte ich 
erwartet, hier böse Spitzen zu sehen, falls der Kern in die Sättigung 
geraten würde.

Die Variante mit den vorgeschlagenen 23 Windungen werde ich mal noch 
testen. Der 1,5 mm Draht paßt dann nicht mehr drauf.

Die erneute Diskussion über die Wissenschaft bezüglich der 
Kernmaterialien zeigt, daß es gar nicht so einfach ist, gezielt und nach 
Anleitung auf direktem Weg zum Ziel zu gelangen. Experten für 
Werkstoffkunde können hier bestimmt weiter helfen...

[Axel S. (a-za-z0-9)]

Christian S. schrieb:
> Was den 10mOhm Widerstand anbelangt, hatte ich dieses Exemplar zur
> Verfügung und keine weiteren Abstufungen greifbar. 0,13 und 0,065 Ohm
> wären die nächsten.

300mV/5A = 60mR. Versuch also den 65mR Widerstand. Notfalls 65mR und 
130mR parallel. Oder gleich 3x 130mR (bessere Wärmeverteilung).

> Die erneute Diskussion über die Wissenschaft bezüglich der
> Kernmaterialien zeigt, daß es gar nicht so einfach ist, gezielt
> und nach Anleitung auf direktem Weg zum Ziel zu gelangen.

Wenn man bereit ist, den Kern nach den Anforderungen aus dem Katalog 
eines Herstellers herauszusuchen und dann auch genug Stückzahl abnimmt, 
daß man einen Distributor findet, dann ist das eigentlich einfach. 
Schwierig wird es erst, wenn man einen Kern mit weitgehend unbekannten 
Daten verwenden will.

[ArnoR (Gast)]

Christian S. schrieb:
> Nach langem Experimentieren möchte ich mal eine meiner Meinung nach
> gelungene Version einer Konstantstromquelle zum Betrieb einer oder
> zweier 10 Watt-LEDs vorstellen.

Naja, mir erschließt sich der Sinn deiner Dimensionierung nicht. Wozu 
die Wandlung von 5V auf 2x 9,5V? Die 5V muss man erst künstlich 
erzeugen, 12V dagegen sind ein gängiger Wert von Akkus und damit kann 
man die 9,5V-LEDs ganz einfach parallel (mit kleinem 
Stromverteilungswiderstand oder Drossel) mit einem Step-Down-Wandler 
betreiben.

Das Grundtastverhältnis deiner Schaltung, was aus den 330pF folgt, 
ergibt etwa einen Stromverlauf wie in der roten Kurve im Bild. Es würde 
sich ein mittlerer Strom von ~33A bei einer Welligkeit von ~4A 
einstellen. Das liegt daran, dass die Drossel die aufgenommene Energie 
in der zu kurzen Ausschaltzeit nicht los wird und ist natürlich zu viel 
und muss von anderen Schaltungsteilen ausgeregelt werden. Das macht zum 
einen die Überstromabschaltung und zum anderen die Stromeinstellung bzw. 
Strommessung.

Nur funktioniert das nicht gut, weil die Messspannung mit wenigen mV 
(grüne Kurve, die Welligkeit) einfach zu klein ist (Elko am Ausgang zu 
groß) und die Temperaturabhängigkeit des Transistors und die Welligkeit 
von der Versorgung da mit reinschlägt (der Spannungsteiler an Pin 5). 
Die Schaltungszustände und Einstellungen sind sehr stark von den 
Betriebsbedingungen abhängig.

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Hallo,

der Sinn der Anordnung war es, herauszufinden, ob ich einen Schaltregler 
in den Griff bekomme, der immerhin mit einigen wenigen Ampere hantiert, 
dies geräuschlos und ohne nennenswerte Erwärmung mit verfügbaren 
preisgünstigen Standardbauteilen  bewerkstelligt und dies in beliebig 
langem Dauerbetrieb auch durchhält. Gut, der Umweg über die 5 Volt war 
Absicht, um die höheren Ströme zu provozieren. Eine 3,3 Volt-Variante 
bräuchte dann erst mal irgendeine Bootstrap-Trickerei, um für das Gate 
genügend Spannung zu erzeugen. Die LEDs sind eben schon da und geben dem 
Experiment langfristig eine Anwendung.
Es geht also im Wesentlichen darum, ob ich in der Lage bin, die mir 
selbst gestellt Aufgabe zu erfüllen, wobei ich da keinem Markt oder den 
Regeln einer Serienfertigung Rechenschaft abgeben brauche. Schon alleine 
der Nachbau einer  vorgegeben Schaltung, egal ob ich diejenige von 
jemand anderem nachbaue oder sonst jemand mein Schaltbild von oben 
nachbaut, dürfte die meisten Unerfahrenen vor größere Probleme stellen.
Mir bleibt im Wesentlichen das Mysterium der Kernauswahl erhalten, da 
selbst der Umgang mit den Datenblättern der Kerne ohne passende 
Erfahrung nicht gerade begründbare Entscheidungen liefert.
Nehmen wir mal einen X-Beliebigen unerfahrenen Elektrotechnik-Ingenieur 
und schauen, wie sein erstes Bauprojekt nach 3 Wochen ausschaut... 
wieviel Material er verschlissen hat, wieviele Halbleiter er gekillt 
hat...
Es hat ungefähr die Qualität wie wenn jemand herausfinden möchte, ob er 
diesen übersteilen Berg im Gelände mit dem Fahrrad
elegant hinab fahren kann, oder ob er dabei böse absteigt.

Für den Betrieb an 12 V hätte ich einen Stepdown-Wandler konstruieren 
können, oder wenigstens einen Zweipunkt-Schaltregler mit dem 555. So 
einen zierlichen für 300 mA mit Stromspiegel habe ich schon am Laufen. 
Vom Aufwand her etwa das gleiche, nur heißt mein derzeitiges 
Experimentierthema Aufwärtswandler. Durch die Reihenschaltung erhalten 
beide LEDs den gleichen Strom und man kann unterschiedlich  viele 
anschließen.

Danke für die Simulation.
Was für Skalen sind das denn im Bild? Links Ampère bis 80 und daneben 
bis 2 Volt? Stellen sich die 70A bei 0,9 ms ein? Sind das die 33 A ab 3 
ms? Sehe ich das richtig? Ist meine Schaltung überhaupt in der Lage, mit 
diesen realen Bauteilen auf die 33 oder 70A zu kommen? Also ich kann es 
mit meinen Mitteln leider nicht messen. Die unterste Stufe eines 
Hobby-Schweißgerätes ist 30 A. Das würde der 1,5mm Draht nicht lange 
aushalten und schon gar nicht kühl bleiben. Also der größere Kern wird 
bei 3,7A Stromaufnahme nur gering warm.

Ich hoffe, das Schaltregler 1x1 noch in den Griff zu bekommen. Es gibt 
ja ganz tolle Bücher darüber.


mit freundlichem Gruß

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Wie berücksichtigt denn die Simulation solche Eigenschaften der Spule / 
Speicherdrossel wie Verluste und oder Luftspalt sowie Sättigung, auch 
wenn es sich beim Ringkern um eine verteilten Luftspalt handelt. Kann 
man das der Simulation beibringen? Gibt es für die Kerne Spice-Modelle?

Was man alles wissen können möchte...

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Als nächstes Thema bietet sich der Snubber an:

Youtube
Snubber Analysis with Rudy Severns


http://www.snubberdesign.com/snubber-book.html

[Sascha (Gast)]

Ein Snubber, wofür? Am IRLZ34N liegt doch maximal die Ausgangsspannung 
an, das sind ca. 26V.

[ArnoR (Gast)]

Christian S. schrieb:
> Was für Skalen sind das denn im Bild? Links Ampère bis 80 und daneben
> bis 2 Volt? Stellen sich die 70A bei 0,9 ms ein? Sind das die 33 A ab 3
> ms? Sehe ich das richtig? Ist meine Schaltung überhaupt in der Lage, mit
> diesen realen Bauteilen auf die 33 oder 70A zu kommen? Also ich kann es
> mit meinen Mitteln leider nicht messen. Die unterste Stufe eines
> Hobby-Schweißgerätes ist 30 A. Das würde der 1,5mm Draht nicht lange
> aushalten und schon gar nicht kühl bleiben. Also der größere Kern wird
> bei 3,7A Stromaufnahme nur gering warm.

Ja, die Skalen sind so.
Die Ströme können in der Größenordnung schon auftreten: 10mR+50mR 
(IRLZ34)+10mR (der Drossel)~70mR, bei 5V sind das schon mal 71A. Die 
Simu berücksichtigt doch keine weiteren Schaltungsteile, die abregeln.

Christian S. schrieb:
> Wie berücksichtigt denn die Simulation solche Eigenschaften der Spule /
> Speicherdrossel wie Verluste und oder Luftspalt sowie Sättigung, auch
> wenn es sich beim Ringkern um eine verteilten Luftspalt handelt.

Diese Simu gar nicht. Ging nur um grobe Abschätzung.

> Kann man das der Simulation beibringen?

Ja

> Gibt es für die Kerne Spice-Modelle?

Ja

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Bei der Schaltung mit nur 19V Ausgangsspannung wird er nicht benötigt. 
Die Oszilloskopbilder sehen hier ganz harmlos aus. Aber für eine 
Variante mit LEDs, die mit 2x21V leuchten, könnte er sinnvoll sein, um 
einen 55 V - FET verwenden zu können, denn da habe ich schon Nadeln 
gesehen, die bei genau 55 V aufhören. Dort beginnt dann der 
Avalanche-Bereich. Neuere FETs haben eine Angabe, wieviel 
Avalanche-Energie sie schlucken können.


Ist ja heftig, daß die Ströme derartig hoch sein können. Zumindest habe 
ich die Skalen richtig interpretiert. Als Experte für Simulation kann 
man anscheinend beliebig tief einsteigen ins Thema.

MfG

[ArnoR (Gast)]

Christian S. schrieb:
> Aber für eine
> Variante mit LEDs, die mit 2x21V leuchten, könnte er sinnvoll sein, um
> einen 55 V - FET verwenden zu können

So ein Snubber ist in der Schaltung doch schon drin.
Die Spannung am Mosfet wird über die Freilaufdiode auf die 
LED-Flussspannung mit parallelem Kondensator geklemmt.

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Hallo,

ich möchte hier nochmals ein paar Fotos zum Besten geben, die schön den 
Überschwinger am Drain/Diode/Spule zeigen, der entsteht, wenn der FET 
abschaltet. Y-Achse ist im Maßstab 5V/Teil. Die beiden anderen Bilder 
zeigen die steigende Flanke sowie die fallende Flanke 10 fach gedehnt. 
Das Plateau in der Mitte ist die "Lücke" und hat 5 Volt vom Eingang.

Immerhin entsteht aus den harmlosen 5 Volt eine Spitze von 31 Volt. Der 
ausgedehnt Aufbau zeigt noch beherrschbares Verhalten. Ein Snubber ist 
noch nicht eingebaut.

Was ich jedenfalls noch nicht ausprobiert habe, ist das Verlangsamen des 
Abschaltens, z.B. durch einen größeren Widerstand am Gate.

nochwas zum Lesen:
SWITCHMODE. POWER SUPPLY. HANDBOOK. Keith Billings. Taylor Morey. Third 
Edition.
Switching Power Supply Design, Third Edition

SMPS Reference Manual
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/SMPSRM-D.PDF


mit freundlichem Gruß

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Hallo allerseits.

Hier möchte ich eine mögliche Erweiterung der bisherigen Schaltung 
vorstellen.

Die bisherige Schaltung lief mit 5 Volt Eingangsspannung. Dies bedeutet, 
daß am Gate des FETs eine PWM mit nur etwa 4 V Amplitude erscheint.
Mit dem gewählten logic-Level-FET funktioniert das ganz gut, trotzdem 
wird er bei hoher Ausgangsleistung etwas warm.
Es bietet sich an, die erzeugte höhere Ausgangsspannung als Versorgung 
für das IC und somit zur Erzeugung einer PWM mit höherer Amplitude zu 
verwenden.

Vorteil:
Der eingeschaltete FET hat einen niedrigeren Kanalwiderstand und somit 
niedrigere Verluste in der leitenden Phase.


Nachteil:
Die Ausgangsspannung darf etwa 20 Volt nicht überschreiten, weil sonst 
am FET die maximal zulässige Gate-Spannung überschritten wird.
Im-IC und in der 1N4148 gibt es zwar noch einen geringen 
Spannungsabfall, aber nur etwa 1 V. Sollte der Ausgang mal offen sein, 
läuft die Spannung unkontrolliert hoch und kann IC sowie FET zerstören. 
Um dies zu vermeiden, wird die Ausgangsspannung begrenzt. Im Fall der 
zwei LEDs auf 24 V, im Fall der einen LED auf 18 V. Es ist keine 
Strombegrenzung auf die herkömmliche Art mehr möglich, denn die Spule 
muß nach wie vor an die 5 V angeschlossen bleiben, wobei aber das IC 
insgesamt auf die höhere Ausgangsspannung angehoben wird. Deshalb die 
Verbindung zwischen Pin7 mit Pin6. Der Current-sense-Widerstand 
entfällt. Falls man trotzdem einen Strombegrenzung haben möchte, wäre 
z.B der Umweg über einen Stromspiegel möglich, dessen Ausgang an Pin7 
angekoppelt wird. Im Fall der von mir verwendeten Spule mit 9 Windungen 
entsteht in der Spule keinerlei Geräusch und dies über den ganzen 
Helligkeitsbereich. Es wird nur der Kern moderat warm. Die Spule darf 
keine größere Induktivität haben.


Nebeneffekt:
Man muß die Strombegrenzung neu anpassen. Wenn sie zuvor für Betrieb an 
5V gestimmt hat, sollte der Widerstand zwischen Basis und GND 
verkleinert werden, um wieder 1 A maximalen Strom zu erhalten.



Beobachtungen:
Die Schaltung mit nur einer 10 Watt - LED benötigt am FET keinerlei 
Kühler mehr.
Die Schaltung mit zwei 10 Watt - LEDs kommt am FET mit einem kleineren 
Kühler aus.



erstes Schaltbild ohne BC237:
Dies ist die einfache Variante, bei der die Amplitude der PWM direkt von 
der Ausgangsspannung abhängt.
Sie darf 20 V nicht überschreiten. Hierzu ist die ZD18 eingebaut, die 
die Ausgangsspannung auch im Leerlauffall auf 18,4 V begrenzt.
Die Ausgangsspannung gelangt über die 1N4004 auf das IC. Anfangs sind 
das nur knapp 5V. An der Diode 1N4004 fällt ca 0,6 volt ab. Zum Glück 
reicht die verbleibende Amplitude der PWM noch aus, damit der FET leiten 
kann und die Schaltung überhaupt hoch läuft. Der 10 µF-Kondensator darf 
nicht größer sein, weil sonst bei geringer Helligkeit Flackern auftritt. 
Der Schalter kann über den 100 k - Widerstand den Regler ganz 
abschalten.


zweites Schaltbild mit BC237 und schwarz eingezeichneten zusätzlichen 
Bauteilen:
Um nochmals zu verdeutlichen, wie es in der Zeichnung gemeint ist.
Pin8 ist mit dem Emitter des BC237 verbunden und mit dem kleinen Elko 
2,2 µF. Pin1, Pin7 und Pin6 sowie der Kollektor des BC237 sind mit der 
positiven Ausgangsspannung verbunden über die schwarze Verbindung.
Die Spule ist ohne Widerstand mit +5V und den dicken Elkos verbunden. An 
stelle des BC237 kann jeder andere kleinsignal NPN mit etwas höherem
Ausgangsstrom, z.B. 800 mA verwendet werden. Durch die hohe Verstärkung 
fließt aber nur ein kleiner Strom.
Es soll die PWM-Amplitude begrenzt werden. Der Ausgangstransinstor im IC 
ist als Emitterfolger geschaltet. Somit beträgt die Spannung an Pin2 die
Spannung an Pin8 minus den Spannungsabfall Ube im Ausgangstransistor 
minus Spannungsabfall Uce im vorgeschalteten internen Transistor. Die 
Spannung an Pin8 Wird durch die äußere Transistorschaltung begrenzt. 
Ebenfalls ein Emitterfolger. Aus den 13V der Zenerdiode werden 12V am 
Emitter des BC237 und noch etwas weniger an Pin2. Am internen 
Ausgangstransistor fällt die Differenzspannung voll ab. Das IC erwärmt 
sich trotzdem kaum.
Der bisher verwendete 100 Ohm widerstand sollte vergrößert werden. 220 
Ohm passen gut.
Am Ausgang kann die Spannung deshalb deutlich über 20 V betragen. ZD 24 
begrenzt auf 24,4 V. Die ZD13 begrenzt die PWM auf etwa 12 V.
BC337, BC338, BC546..BC550 sind auch geeignet.

Anmerkungen zu den Fotos:
Abgebildet ist die Versuchsschaltung, bei der vieles hinzu und abgelötet 
wurde, oder Bauteile ausgewechselt wurden, um einen anderen Wert zu 
testen.

Aus diesem Grund sind die beiden Z-Dioden gut zugänglich weg gebaut.
Die 10-Watt-Led ist auf einem Kühlblech von 13 x 11 cm aufgeschraubt, 
das nur als Kühler dient. Es reicht gerade so aus ohne Luftströmung bei 
voller Helligkeit.
Das kleine Kühlblech am FET kann mit nur einer 10W-LED entfallen. Er 
dient somit nur der Sicherheit beim Experimentieren.
Der blaue und der blanke Draht auf dem Kern ist nicht angeschlossen und 
daher unwirksam.
Die Spule läßt sich über die Lüsterklemmen leicht austauschen. Besser 
wären natürlich ganz kurze Verbindungen zu FET und Spule.
GND und + Leitungen sind als 1,5 mm² draht ausgeführt, ebenso die Spule.
Die beiden parallel geschalteten Dioden an der Betriebsspannung sollen 
die Schaltung vor Verpolung durch den DAU schützen.
Am 47k Poti kann man die Helligkeit einstellen.


Kleine Meßreihe zur Schaltung mit nur einer 10 Watt - LED 
(Strombegrenzung bei 1,94 A):

Stromaufnahme  Spannung am Eingang  LED-Strom  Leistung an LED
          (berechnet)  (0,6 Ohm Widerstand herausgerechnet)

  0,5 A    5,6 V    221 mA    2 W
  1,0 A    5,45 V    425 mA    4 W
  1,5 A    5,3 V    626 mA    6,1 W
  1,94 A    5,32 V    773 mA    7,8 W
  begrenzt

Die Strombegrenzung müßte also nochmals angepaßt werden, um möglichst 1 
A durch die LED fließen zu lassen.
Aus 10,32 W Eingangsleistung erscheinen 7,8 W als Ausgangsleistung an 
der LED. Immerhin 75,6 % Wirkungsgrad! Die Schaltung verschluckt 2,5 
Watt.

mit freundlichem Gruß

[Fetzenstein (Gast)]

Puh soviel Text für sowas simples ...

> ... Nach langem Experimentieren ...

Freut mich, dass du mit deiner Schaltung Erfolg hattest.

Als Errungenschaft der Menschheit würde ich das jetzt nicht verkaufen 
... Dafür ist sie nicht Spektakulär genug ... Ist halt ein normaler 
Step-Up.

Hab letztens auch einen gebaut ... Step Up von 12V auf 40V für 50W LEDs 
... Bin damit nicht so hausieren gegangen ... Bescheidenheit siegt ;-)


Trotzdem Glückwunsch, dass du es hinbekommen hast!

[ArnoR (Gast)]

Christian S. schrieb:
> Hier möchte ich eine mögliche Erweiterung der bisherigen Schaltung
> vorstellen.

Wer soll denn das alles lesen? Zumal es sich auch nicht gerade leicht 
und flüssig liest. Außerdem hast du die Schaltung nicht nur erweitert, 
sondern auch ausgedünnt. Und gerade die wichtige Überstromabschaltung 
ist nun raus. Jetzt gibt es einen deftigen Überstrom bis die Drossel in 
den vom MC34063 aufgezwungenen unpassenden Schaltphasen die Energie mal 
los wird. Und immer noch die unsinnigen künstlichen 5V. Besser geworden 
ist es also nicht. Wenn es wenigstens 6V wären, oder sogar 12V, es wäre 
immer noch ein Aufwärtswandler.

Ich habe auch gerade so einen Wandler wie Fetzenstein gemacht, von 12V 
auf ~33V, wie die meisten High-Power-LEDs heute sind. Baue einige 
Strahler mit solchen LEDs auf 12V-Betrieb um.

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Hallo,

erstmal danke für's Lesen. Technische Abhandlungen sollen ja Fakten und 
Erfahrungen vermitteln und sind naturgemäß nicht gerade leicht zu lesen.
Beispielsweise zum Pendelaudion gibt es ausführliche Abhandlungen, die 
nicht einmal die Schaltung vollständig erklären, siehe:
https://de.wikipedia.org/wiki/Superregenerativempf%C3%A4nger
Sicher ein Bauprojekt, das heutige Grundschüler nebenher erledigen, ohne 
Wurstbrot und Ball aus den Händen zu legen.

Als Zielgruppe dachte ich an solche Leute, die noch wenig Erfahrung mit 
dem Aufbau einer solchen Schaltung haben und hier Unterstützung finden 
sollen. Ein schlichtes Schaltbild in eine reale funktionierende 
Schaltung umzusetzen dürfte nicht für jeden interessierten leicht sein. 
Für Experten hingegen dürfte der Stepup wie oben eine alter Hut sein. 
Sie machen direkt alles richtig und haben die richtigen Teile da liegen.

Die fehlende Strombegrenzung in der neuen Variante schränkt die 
Nachbausicherheit stark ein, unter meinen Randbedingungen überlebt die 
Schaltung jedoch gut. Wenn ich eine Lösung dafür habe, werde ich sie 
hier vorstellen. Der Betrieb mit 6 V ist genehmigt.

Vielleicht baut das mal jemand in SMD nach.

mfG

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Hallo allerseits,

die Variante mit erhöhter PWM-Spannung und mit einstellbarer 
Strombegrenzung möchte ich hier noch nachliefern.

An dem Transistor T1 ganz links fehlt noch die Verbindung zwischen 
Kollektor und Basis.
Links am 25k-Poti kann man die maximal erlaubte Stromstärke durch die 
Spule einstellen.
Dreht man die Helligkeit auf, wächst sie ganz normal stetig an, um dann 
bei Einsetzten der Strombegrenzung etwas abzufallen.
Am Kollektor des T4 entstehen dann "negative Nadel-Pulse", die das IC 
abschalten lassen.
T1 und T2 bilden einen einfachen Stromspiegel, mit dessen Hilfe sich die 
sehr kleine Spannungsänderung am 10 mOhm - Widerstand deutlich 
verstärken läßt. Es ist ebenso möglich, mittels zweier NPN-Transistoren 
den Strom durch einen Widerstand in der Source-Leitung des FETs zu 
überwachen. Dann sind nur drei Transistoren notwendig.

Falls die Strombegrenzung in Betrieb ist, hört man wieder das bekannte 
Rasseln und Rauschen aus der Spule. Wie bisher.

Die Wirksamkeit der Strombegrenzung zeigt sich darüber hinaus auch dann, 
wenn man einzelne Windungen der Spule kurz schließt oder gar die ganze 
Spule kurz schließt. Das macht der Schaltung nichts.


Auf den Oszilloskopbildern sieht man oben den Kollektor des T4 und unten 
den Drain des FETs. Der negative Puls beeendet die Einschalt-Zeit des 
FETs, dann folgt eine längere Entlade-Dauer, dann eine Totzeit mit 5 
Volt, dann nach Ausfall von drei Takten die nächste Ein-Zeit. Die Elkos 
am Ausgang haben reichlich ESR, wie man im oberen Strahl leicht sieht.

mit freundlichem Gruß

[Paul B. (paul_baumann)]

Wenn Du die Schaltung eventuell noch mal mit einem Programm (Eagle, 
Altium etc.) zeichnest, wäre das für eventuelle Nachbauer sicher nicht 
schlecht.

Ansonsten: Eine schöne Beschreibung Deines Vorgehens bei der Entwicklung 
der Schaltung. Laß Dich nicht von den Nörglern verdrießen, mach Dein 
Ding.

https://www.youtube.com/watch?v=ZFwSjgC8Cr4

MfG Paul

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Ja, danke für's Lesen.

Mittels Programm gezeichnet sieht es natürlich ansprechender aus. 
Demnächst...

MfG