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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik schmutzige Versorgungsspannung


Autor: Karren Karl (Gast)
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Hallo,

ich sitze hier über einem Schaltnetzteil. Das Schaltnetzteil macht aus 
24V jeweils drei Spannung.

+7V für den Mikrocontroller, welche dann über einen Spannungsregler auf 
3.3V stabilisiert werden und eine symmetrische Spannungsversorgung 
bestehend aus +/-7V welche dann über Spannungsregler auf +/-5V 
stabilisiert werden (siehe Anhang mit schematischer Darstellung).

Schaltfrequenz liegt bei 30kHz.

Das funktionier auch alles soweit ganz gut. Die Spannungen die benötigt 
werden, werden auch vom Multimeter angezeigt. Die Spannung für den 
Mikrocontroller ist auch sauber.

Die Spannung +/-5V ist dagegen sehr unsauber, wenn man diese mit dem 
Oszi betrachtet. Dort sind Spannungspitzen im Abstand der Schaltfrequenz 
zu sehen.

Ich habe jedoch schon einiges probiert: Tiefpass, größere Kondensatoren, 
Begrenzung der Flankensteilheit der Schaltflanke, aber nichts hat 
geholfen.

Dann kam mir der Gedanke, dass ja AGND und GND irgendwann verbunden 
werden müssen. Wenn ich die beiden verbinde, dann bringt das auch keine 
Besserung. Im Gegenteil. Dadurch bekomme ich die Flanken auf der 
Versorgung für den Mikrocontroller ebenfalls zu sehen.
Wie dann die nachfolgende Schaltung aussieht, kann ich nicht sagen. Es 
sollte nur ein einfaches, konstengünstiges SNT erstellt werden, welches 
einen µCu versorgt und eine Spannung für die OAmps zu verfügung stellt. 
Es wurde ausdrücklich gesagt, dass in der nachfolgenden Schaltung die 
Massen zusammengeführt werden.

Könnt ihr mir bitte einen Hinweis geben? Das ist mein erster Kontakt mit 
SNTs und mit diesem Forum. Seid bitte nett. Ich hab schon öfters 
mitgelesen und schon öfters wurden Leute hier unfair behandelt.

Vielen Dank :)

Autor: Gerd E. (robberknight)
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Hat das schon mal funktioniert, ist dann irgendwann kaputt gegangen und 
Du möchtest es jetzt reparieren?

Oder bist Du jetzt dabei das neu zu entwickeln?

Autor: Karren Karl (Gast)
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Gerd E. schrieb:
> Oder bist Du jetzt dabei das neu zu entwickeln?

Dieses

Autor: Erax (Gast)
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Hübsche Skizze, aber wie sieht Deine Schaltung aus?
Du geizt mit Infos!
Schaltplan, Messwerte, Oszibilder, Layout fehlt alles.
Also sei fair und lass uns nicht raten!

Autor: Karren Karl (Gast)
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Anbei sende ich euch die gewünschten Infos und Pläne.

Ich habe eingangs von der weiteren 3,33V Spannung nichts erzählt, weil 
hier ebenfalls das Problem herrscht und ich dachte, dass wenn man die 
Problem mitder 5V Spannung löst es sich dann auch auf die 3,33V Spannung 
niederschlägt.

Autor: Erax (Gast)
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Schön, als nächstes würde ich mit dem Oszi die Spannung über C1 und C7 
abbilden und vergleichen.

Vermutlich ist die Spannung an C1 noch viel zu dreckig für die Spec des 
Längsreglers.

Autor: Karren Karl (Gast)
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Ja sie sind dreckig. Bilder kann ich erst morgen liefern.

Woran kann es liegen?

Autor: Erax (Gast)
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Wie hast Du denn die Gleichrichter und Filterstufe dimensioniert?

Autor: Karren Karl (Gast)
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Als Dioden kommen SS16 Dioden von Multicomp zum Einsatz. 60V 1A. Welche 
es jetzt genau sind, kann ich dir nicht sagen. Stückliste nicht im Kopf.

Die Filterstufe (damit meinst du sicherlich die 180µ) waren ursprünglich 
so ausgelegt, dass die Induktivität mit dem anschließenden 100nF die 
100kHz Schaltfrequenz unterdrücken. Mit 180µH und 100nF wäre das so eine 
Grenzfrequenz von 37kHz gewesen.

Da ich mich dann auf 30 kHz festgelegt habe, habe ich im Anschluß den 
Kondensator so variiert, dass die 30 kHz unterdrückt werden. Das hat 
keine Besserung gebracht. Vermutlich liegt es daran, dass ich es nur in 
einem Spannungszweig testweise gemacht habe und nicht in allen?

Autor: Nikolai H. (Gast)
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Ich würde hinder die Dioden D1 und D4 einen zusätzlichen Elko packen, 
dann das Filternetzwerk aus L1 und C18.
Allgemein würde ich die Kapazitäten vergrößern (>47uF) oder die 
Schaltfrequenz erhöhen (oder beides).
10uF ist echt wenig bei 30kHz...

Autor: Erax (Gast)
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Nikolai H. schrieb:
> 10uF ist echt wenig bei 30kHz...

Sagt mein Bauchgefühl auch.

Zerhacker, Übertrager und Filter würde ich in LTSpice simulieren.
Dann spart man sich viele nervige Berechnungen und einiges an 
rumprobiererei an der realen Schaltung.

Autor: Kai B. (kaib) Benutzerseite
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Ohne jetzt Messungen gesehen zu haben.
Zufällig mit der Masseklemme mit langem Kabel am Oszi Tastkopf gemessen?
Dann kann es zum Teil Common Mode Noise sein.

Unterschied hier zu sehen:
Beitrag "Re: Verauschte Masse"

Autor: Karren Karl (Gast)
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Nikolai H. schrieb:
> Ich würde hinder die Dioden D1 und D4 einen zusätzlichen Elko packen,
> dann das Filternetzwerk aus L1 und C18.
> Allgemein würde ich die Kapazitäten vergrößern (>47uF) oder die
> Schaltfrequenz erhöhen (oder beides).
> 10uF ist echt wenig bei 30kHz...

Also noch einen zusätzlichen Elko und das Netzwerk bestehend aus L1 und 
C18 so dimensionieren, dass die Grenzfrequenz nach unten geht?

Höhere Frequenz kann ich auch ebenfalls mal probieren.

Autor: Gerd E. (robberknight)
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Ich würde sagen da fehlt auch ein dickerer Kondensator auf der 
24V-Seite. Der C20 mit seinen 100nF ist da deutlich zu wenig.

Die Kapazität hängt natürlich vom benötigten Strom ab. Bei 24V nimmt man 
besser 35V-Typen. Auch 470µF sind dort noch schnuckelig klein. Mehr 
schadet am Eingang nicht. Wichtig ist daß es Low-ESR-Typen sind und die 
den zu erwartenden Ripplestrom dauerhaft abkönnen.

Autor: Karren Karl (Gast)
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Gibt es was am Layout auszusetzen?

Autor: Andreas Schweigstill (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite
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Mir fallen auf Anhieb mehrere Fehler auf:

1. GND darf natürlich nicht vor dem Eingang des Eingangsfilters 
angeschlossen werden, sondern erst dahinter. So wie von Dir beschaltet

2. Das Layout stimmt nicht mit dem Schaltplan überein, da z.B. im 
Schaltplan die U$2 Pin 2/3 nur miteinander verbunden sind, aber nicht 
mit Pin 6/7. Im Layout hingegen sind alle vier Pins miteinander 
verbunden.

3. Es ist ungünstig, den Transformator auf eine durchgängige Massefläche 
zu setzen, da je nach Richtung des Magnetfeldes entweder Wirbelströme in 
der Massefläche induziert werden, was einer Kurzschlusswindung 
entspricht, oder eben mehr oder minder vagabundierende induzierte 
Spannungen.

4. Auf Grund der offenbar durch den Transformator realisierten 
galvanischen Trennung von Primär- und Sekundärseite solltest Du auch die 
Massen trennen und ggf. erst außerhalb der Schaltung wieder miteinander 
verbinden. Wichtig ist vor allem, Abstrahlungen bzw. leitungsgebundene 
Störungen der Primärseite gering zu halten, d.h. zwar dicke Leiterbahnen 
zu verwenden, aber keine als Flächenkondensatoren wirksame große 
Masseflächen.

5. Es sollten sekundärseitig auf jeden Fall Abblockkondensatoren direkt 
hinter die Gleichrichter, d.h. vor L1, L2, L10.

Autor: Karren Karl (Gast)
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Vielen Dank für deine Antwort schweigstill.

Den ersten Punkt habe ich nicht ganz verstanden. Mit Eingangsfilter 
meinst du den Filter bestehend aus den Induktivitäten auf der 
Sekundärseite oder den Filter mit der Stromkompensierten Drossel?

Punkt 3 kann ich nachvollziehen.

Punkt 4 meinst du, dass die Masse der 24V eine eigene Masse ist. Die 
Masse für den Mikrocontroller wäre dann DGND?
Die Massefläche der Versorgungsspannung dann entsprechen klein halten?

Punkt 5 wurde bereits besprochen und das werde ich morgen nachbessern.

Autor: Homo Habilis (Gast)
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Karren Karl schrieb:
> Die Massefläche der Versorgungsspannung dann entsprechen klein halten?

Ich denke, er meinte damit, unterhalb der genannten "dicken 
Leiterbahnen" keine Massefläche, da sonst Plattenkondensatoren mit der 
LP als Dielektrikum/Plattenabstand entstehen.

Karren Karl schrieb:
> Punkt 5 wurde bereits besprochen und das werde ich morgen nachbessern.

Wurde er? Ich konnte nur die Empfehlung für speziell einen 
Spannungszweig "sicher herauslesen".

Meine Empfehlung wäre zusätzlich, nicht die 10µF, sondern die 100nF Caps 
am nächsten zu den Reglern zu setzen. Die 10µF hätte ich jeweils vor 
die Filterspulen gesetzt (die von Andreas genannte Stelle), und nach den 
Spulen 47µF. Da sollte nicht mehr viel übrigbleiben an Schaltripple vom 
Flußwandler.

Und Andreas´ weitere Ausführungen befolgen.

Autor: Karren Karl (Gast)
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Guten Morgen,

anbei sende ich euch noch Oszibilder vom momentanen Stand, bevor ich die 
angegebenen Tipps heute umsetze.

Bild 1 zeigt die 5V Spannung. Dort kann man schön die Spannungsspitzen 
sehen, welche genau aller 30kHz auftreten.

Bild 2 zeigt die Spannung direkt nach der Gleichrichtung und vor der 
Spule.

Vielen Dank :)

Autor: Andreas Schweigstill (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite
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Karren Karl schrieb:
> Bild 2 zeigt die Spannung direkt nach der Gleichrichtung und vor der
> Spule.

Das ist doch völlig klar: die in Längsrichtung geschaltete Diode 
funktioniert als Schalter, d.h. während der negativen Halbwelle fließt 
ein Strom, der die Spule "auflädt". Sobald die Spannung abfällt, kann 
der Stromfluss durch die Spule nicht mehr aufrechtgehalten werden. Daher 
tritt eine gedämpfte Oszillation mit einer Resonanzfrequenz auf, die 
durch die Induktivität und den parasitären Kapazitätsbelag der Spule und 
der Anschlüsse bestimmt wird. Hier ist auch gut zu sehen, dass die Güte 
dieses Schwingkreises viel zu hoch für eine Filterschaltung ist. 
Vermutlich hast Du als Spule eine Speicherdrossel und nicht eine 
Entstördrossel verwendet. Diese unterscheiden sich nämlich sehr deutlich 
durch das verwendete Ferritmaterial. Während Speicherdrosseln auf 
minimale Kernverluste optimiert sind, will man bei Entstördrosseln 
möglichst hohe Verluste haben. Bei solchen Entstördrosseln wird daher im 
Datenblatt häufig auch gar keine Induktivität angegeben, sondern ein 
Impedanzverlauf über die Frequenz.

: Bearbeitet durch User
Autor: Karren Karl (Gast)
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Andreas S. schrieb:
> Vermutlich hast Du als Spule eine Speicherdrossel und nicht eine
> Entstördrossel verwendet.

Vielen Dank für deine Antwort.

Verwendete Drossel: 
http://de.farnell.com/wurth-elektronik/744766218/i...

Wenn ich davor einen weiteren Elko einlöte (470µ), dann verschwindet die 
Schwingung.

Autor: Karren Karl (Gast)
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Karren Karl schrieb:
> Vielen Dank für deine Antwort.
>
> Verwendete Drossel:
> 
http://de.farnell.com/wurth-elektronik/744766218/i...
>
> Wenn ich davor einen weiteren Elko einlöte (470µ), dann verschwindet die
> Schwingung.

Nachtrag: dann verschwindet die Schwingung beim Gleichrichter. Die 
Spannung bleibt nach wie vor schmutzig.

Autor: Andreas Schweigstill (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite
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Karren Karl schrieb:
> den Filter mit der Stromkompensierten Drossel?

Genau das Filter meine ich. Es besitzt keinerlei Funktion, sondern 
verschlimmert die Sache eher noch.

> Punkt 4 meinst du, dass die Masse der 24V eine eigene Masse ist. Die
> Masse für den Mikrocontroller wäre dann DGND?

Wie Du die einzelnen Massen nennst, spielt keine Rolle. Du hast 
insgesamt vier verschiedene Massen:

- GND1: 24V-Eingangsseite
- GND2: primärseitige Schaltungsmasse, zu verbinden mit dem Fußpunkt von 
C20
- GND3: ausgangsseitige uC-Masse
- GND4: ausgangsseitige Analogmasse

GND2 darf mit keiner anderen Masse verbunden werden; ebenso sollten die 
Flächen klein gehalten werden. GND3 und GND4 sollten erst direkt an den 
Ausgangsklemmen oder vorzugsweise auf der angeschlossenen Schaltung 
miteinander verbunden werden. Sämtliche Stromspitzen, die durch den 
Transformator und Gleichrichter erzeugt werden, müssen noch vor dem 
jeweiligen Spannungsregler durch Speicher- bzw. Abblockkondensatoren 
abgefangen werden. Es ist (insbesondere als Anfänger) sinnvoll, zunächst 
alle Masseverbindung als einzelne Leiterbahnen zu verlegen und dann zu 
schauen, wo welche Ströme fließen. Anschließend kann man dann gezielt 
Flächen füllen. Ggf. muss man solche Masseflächen auch gezielt mit 
Schlitzen oder Einschnürungen versehen.

> Die Massefläche der Versorgungsspannung dann entsprechen klein halten?

Du kannst nicht davon ausgehen, dass eine durchgängige Massefläche 
dasselbe Potential besitzt.

: Bearbeitet durch User
Autor: Andreas Schweigstill (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite
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Karren Karl schrieb:
>> Verwendete Drossel:
> 
http://de.farnell.com/wurth-elektronik/744766218/i...

Das ist eine Speicherdrossel, siehe:
http://katalog.we-online.de/de/pbs/WE-GF

Die Rubrik "Power Magnetics" umfasst Speicherdrosseln, die Rubrik "EMC 
Components" Entstördrosseln.

Autor: Karren Karl (Gast)
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Andreas S. schrieb:
> - GND1: 24V-Eingangsseite
> - GND2: primärseitige Schaltungsmasse, zu verbinden mit dem Fußpunkt von
> C20
> - GND3: ausgangsseitige uC-Masse
> - GND4: ausgangsseitige Analogmasse
>
> GND2 darf mit keiner anderen Masse verbunden werden; ebenso sollten die
> Flächen klein gehalten werden. GND3 und GND4 sollten erst direkt an den
> Ausgangsklemmen oder vorzugsweise auf der angeschlossenen Schaltung
> miteinander verbunden werden. Sämtliche Stromspitzen, die durch den
> Transformator und Gleichrichter erzeugt werden, müssen noch vor dem
> jeweiligen Spannungsregler durch Speicher- bzw. Abblockkondensatoren
> abgefangen werden. Es ist (insbesondere als Anfänger) sinnvoll, zunächst
> alle Masseverbindung als einzelne Leiterbahnen zu verlegen und dann zu
> schauen, wo welche Ströme fließen. Anschließend kann man dann gezielt
> Flächen füllen. Ggf. muss man solche Masseflächen auch gezielt mit
> Schlitzen oder Einschnürungen versehen.

Okay.

Also die Masse für den NE555 bekommt eine eigene Masse und wird an einem 
Punkt mit der Masse von den 24V verbunden.

Was kann ich jetzt mit meiner Testplatine anfangen: Ich würde jetzt den 
Trafo runterlöten und mit einem gezielten Schnitt die uC-Masse von der 
Eingangsseite trennen. Wenn dies Besserung verschaffen sollte, wird die 
Platine umdesignt.

Autor: Andreas Schweigstill (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite
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Karren Karl schrieb:
> Also die Masse für den NE555 bekommt eine eigene Masse und wird an einem
> Punkt mit der Masse von den 24V verbunden.

Falsch. Du hast den Sinn stromkompensierter Drosseln nicht verstanden.

: Bearbeitet durch User
Autor: Karren Karl (Gast)
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Andreas S. schrieb:
> GND2: primärseitige Schaltungsmasse, zu verbinden mit dem Fußpunkt von
> C20

Das hast du geschrieben und C20 hängt an der Masse von 24V.

Mit Schaltungsmasse meinst du doch da, wo der NE555 dranhängt?

Autor: Eugen Dischke (huegene)
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Wenn du es mit deinem  Gewissen vereinbaren kannst, verwende 
Tantal-Elkos. Die haben (meistens) ein besonders niedriges ESR und sind 
damit gut geeignet Spannungsspitzen zu glätten. Falls nicht, benutze in 
jedem Fall low ESR-Elkos und Schottky-Dioden. Schottky-Dioden haben auch 
geringe Sperrkapazitäten und schalten schnell. Das sollte die größten 
Probleme eliminieren, tat es jedenfalls in meinen Designs.

Viele Grüße

Autor: Karren Karl (Gast)
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So ich habe die ganze Sache nochmal überarbeitet und dabei eure 
Ratschläge hoffentlich beachtet.

Was habe ich gemacht:
Nach der Gleichrichtung habe ich nochmals ein paar Elkos gepackt und die 
Drossel entfernt.

Ich habe weitere Massen eingeführt:
DGND ist die Masse für den uC. Diese habe ich anfangs separat verlegt 
und anschließend in kleine Inseln separiert. Gerade an den Eingangselkos 
fließen ja beim Laden hohe Ströme und durch die Separierung sollten sie 
ja aus den anderen Schaltungsteilen ferngehalten werden.

Ich hab die AGND neu geroutet. Wie empfohlen erst händisch und dann 
wieder mit kleinen Inseln zusammengefasst.

Der Schaltungsteil mit dem NE555 hat jetzt ebenfalls seine eigene Masse, 
welche noch keine Inseln beinhaltet. Die Masse wurde dann an den 
Fußpunkt von C20 angebunden. Ich denke ich habe jetzt ungefähr die 
Stromkompensierte Drossel verstanden.

Und natürlich gibt es jetzt noch die 24V Eingangsmasse.

Im Anhang findet ihr den Schaltplan und das Layout. Ich bin für weitere 
Tipps offen.

Viele Grüße

Autor: Felsentreu (Gast)
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Hi,
die Dioden D4 und D5 gehören an den Ausgang der Regler, was sollen die 
da vorne?

Grüße

Autor: Karren Karl (Gast)
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Felsentreu schrieb:
> Hi, die Dioden D4 und D5 gehören an den Ausgang der Regler, was
> sollen die da vorne?
>
> Grüße

Das sind die Gleichrichterdioden.

Autor: Homo Habilis (Gast)
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Karren Karl schrieb:
> Felsentreu schrieb:
>> Hi, die Dioden D4 und D5 gehören an den Ausgang der Regler, was
>> sollen die da vorne?
>>
>> Grüße
>
> Das sind die Gleichrichterdioden.

...die für einen Eintakt-Flußwandler genau an der richtigen Stelle 
sitzen.

Was ich nicht ganz verstehe, ist, daß anscheinend 100mA-Regler gefolgt 
von 1,5A-Reglern verbaut werden sollen. Wie sieht´s überhaupt aus mit 
der "Sauberkeit"?

Mein Tip mit den 10µF vor den L´s hätte eh ripplefeste 10µF´s erfordert. 
Mußt Du ja nicht. Dann aber die für einen Eintakt-Flußwandler ebenfalls 
nötige Sekundärdrossel ganz wegzulassen? Hm...

Die 100nF näher als die 10µF an die ersten Regler zu setzen, hätte aber 
schon ein klein wenig (ja, wenig, aber doch) der Spitzen noch von diesen 
besser ferngehalten, hätte ich gedacht. Aber mach ruhig.

Autor: Felsentreu (Gast)
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Hi,
was richten die gleich?
Du brauchst Schutzdioden am Ausgang der Regler.

Grüße

Autor: Andreas Schweigstill (Firma: Schweigstill IT) (schweigstill) Benutzerseite
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Karren Karl schrieb:
> Ich hab die AGND neu geroutet. Wie empfohlen erst händisch und dann
> wieder mit kleinen Inseln zusammengefasst.

AGND ist jetzt eine absolute Katastrophe... Der Massebezug der negativen 
Spannungsregler hat überhaupt nichts mit der Ausgangsspannung zu tun. Du 
hast überhaupt nicht beachtet, wo die Ströme entlangfließen.

Und der alte Schaltungsfehler bei U$2 Pin 2/3 ist immer noch vorhanden.

Autor: Homo Habilis (Gast)
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Felsentreu schrieb:
> Du brauchst Schutzdioden am Ausgang der Regler.

Ja. Und anscheinend ist dieser Wandler ungeregelt (grade erst 
registriert - peinlich) - dann braucht man sekundär weder diese Dioden 
dort, noch Drosseln. Verzeihung. :-(

Autor: Karren Karl (Gast)
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Andreas S. schrieb:
> Der Massebezug der negativen
> Spannungsregler hat überhaupt nichts mit der Ausgangsspannung zu tun.

Es tut mir Leid, aber ich kann dir nicht ganz folgen. Die Rückströme von 
der Klemme bis zum Trafo haben einen sehr langen Weg. Meinst du das 
damit?

Wie sehen die anderen Masseverbindungen (DGND, GND1) aus?

Bei U$2 sind die Pins 2 und 3 als Vin im Datenblatt spezifiziert. Warum 
sollen die dann nicht mir Vin verbunden werden? Im Screenshot ist es 
nicht drin, da es mir erst danach aufgefallen ist.

Vielen Dank für eure Antworten.

Autor: Erax (Gast)
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Hm, wenn Du so einfach ohne Kommentar die Induktivität aus dem 
Schaltplan entfernst, zeigst Du damit an, dass Du keinen Plan hast, was 
Du da machst.

Fang mal hiermit an:
https://de.wikipedia.org/wiki/Schaltnetzteil
https://de.wikipedia.org/wiki/Eintaktflusswandler

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