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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Parasitärer Schwingkreis. Ein Problem?


Autor: Timmy (Gast)
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Hallo,

bei Spannungswaldern mit Spule sehe ich immer wieder einen parasitären 
Schwingkreis zwischen Spule und FET, der immer dann auftritt, wenn der 
Stromfluss durch die Diode abebbt, wenn die Spule also "leer" ist.

Anbei mal ein typisches Oszillogramm. Hier von einem Step-Down. Da ich 
sowas auch dauernd in Datenblättern bekannter Spannungswandler sehe, 
gehe ich davon aus, dass das 1. normal und 2. nicht schlimm ist? Ich 
finde ja schon, dass das recht dramatisch aussieht. Aber ich habe zu 
wenig Ahnung, um das fachmännisch beurteilen zu können.

In diesem Fall ist es übrigens eine 330uH Spule und der NMOS hat knapp 
700pF Kapazität. Kommt also rechnerisch schonmal hin, dass meine Annahme 
mit dem LC stimmt.

Autor: Christian S. (roehrenvorheizer)
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Hallo,

ja, das ist normal, weil die Spule und der während der Totzeit 
abgeschaltete FET zusammen einen Schwingkreis bilden. Auf dem Bild sieht 
man eine abklingende Schwingung eines lückenden Wandlers. Aufgrund der 
geringen Dämpfung können sich etliche Zyklen ausbilden. Dies ist nicht 
dramatisch, weil die Schwingung niemals die Sperrspannung des FETs 
überschreitet.

Im Fall eines angeschlossenen Transformators kann jedoch eine höhere 
Spannung entstehen, als der FET verträgt. Diese muß mit Hilfe eines 
Dämfungsgliedes abgefangen werden. Solche Dämpfungsglieder sind im 
Allgemeinen verlustbehaftet und in speziellen Fällen verlustarm.

Im einfachsten Fall läßt sich so eine Schwingung gut mittels C zwischen 
1 und 10nF und R so um die 200 Ohm dämpfen. Je nach Spannungslage können 
das auch andere Werte sein. So läßt sich die Schwingung schon nach 1..3 
Schwingern vollständig abdämpfen. Man könnte auch versuchen, den 
aperiodischen Grenzfall zu erreichen, wenn man sich das auf dem 
Oszilloskopbild mal ansehen möchte, nur um die Erfahrung mal gemacht zu 
haben.

Unter dem Suchbegriff "snubber-Design" kannst Du eine nahezu 
unerschöpfliche Mege an Literatur nur über dieses Thema der Bedämpfung 
von solchen Ausschwing-Vorgängen finden. Das wäre sicher eine 
interessante Vertiefungsrichtung.

mit freundlichem Gruß

Autor: Timmy (Gast)
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Danke, das ist sehr hilfreich. Aber kann man da jetzt irgendwie auf den 
Effizienzverlust schliessen? Für einen Laien sieht das ziemlich extrem 
aus, aber da Spannung allein nichts über Energie aussagt, könnte das 
genausogut 0.0001% der Gesamteffizienz ausmachen. Anhand der Dämpfung 
könnte man noch n bissl was rumrechnen, aber das ist dann mehr geraten 
als gewusst.

Autor: Christian S. (roehrenvorheizer)
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Naja, wenn ein 1 Watt Widerstand im Dämpfungsglied warm wird bei einem 
20...30 Watt-Wandler, sind das schon einige Prozent Verlust und das nur 
an dieser Stelle.

Autor: Wolfgang (Gast)
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Timmy schrieb:
> Aber kann man da jetzt irgendwie auf den Effizienzverlust schliessen?
Du verheizt bei jedem Schaltvorgang die Energie, die im Moment des 
Abschaltens in dem Schwingkreis steckt. Das musst du nur in Relation zu 
der Ausgangsleistung des Wandlers setzen.

Autor: Timmy (Gast)
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Und die Energie im Schwingkreis kann ich einfach mit den 1nF der 
parasitären Kapazität und den verbliebenen 6V beim erneuten 
Schaltvorgang mit der Standardformel W=0.5CV²*f berechnen? Das wären 
dann 12.5nW*20kHz=250uW. Ist das wirklich nur so wenig?

Autor: Gästchen (Gast)
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Sieht aus wie ein Boost (oder Flyback) im DCM. Ein Bild wie aus dem 
Lehrbuch.

Was nicht für die Auslegung spricht: Man wählt die Auslegung eigentlich 
eher so, dass man im Normalbetrieb den DCM nicht erreicht. Das macht 
man, indem man den Rippelstrom ausreichend klein wählt. Man kann dazu 
die Schaltfrequenz erhöhen oder eine größere Drossel nehmen. Was schön 
den Vorteil von Schaltreglern mit hoher Frequenz hervorhebt :-)

Geht natürlich nicht immer. Alternativ kann man das Schwingen mit 
Dämpfungsgliedern reduzieren, wenn es eine Abstrahlung verursacht.

Miss die Frequenz. Wenn du sie kennst, kannst du ein RC-Glied parallel 
zum FET einfügen, das bei der Resonanzfreqenz ohmsch wirkt. Ich nehm 
immer XC<=R.
R macht man so klein, dass die Verlustleistung noch tragbar ist. Danach 
kann man das C auswählen (Pv=fCU²).
Das wirkt, als würde man ein R in den parasitären Schwingkreis einfügen, 
was die Schwingung dämpft.

Ja, das ist ein Nachteil von Schaltreglern allgemein:
Ein Schaltregler hat einen sinnvoll nutzbaren Lastbereich von vielleicht 
30%-100% Nennstrom. Alles unter z.B. 30% ist Mist - DCM, Pulse-Skip und 
Wirkungsgrad. Hängt natürlich von der Auslegung ab.
Bei der Auslegung eines Schaltreglers gibts daher immer einen Min und 
einen Max Strom. BEIDES muss passen!

Autor: voltwide (Gast)
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Gästchen schrieb:
> Ja, das ist ein Nachteil von Schaltreglern allgemein:
> Ein Schaltregler hat einen sinnvoll nutzbaren Lastbereich von vielleicht
> 30%-100% Nennstrom. Alles unter z.B. 30% ist Mist - DCM, Pulse-Skip und
> Wirkungsgrad. Hängt natürlich von der Auslegung ab.
> Bei der Auslegung eines Schaltreglers gibts daher immer einen Min und
> einen Max Strom. BEIDES muss passen!

Nö, das ist nicht allgemein gültig. Es gibt durchaus Schaltwandler, die 
stabil laufen zwischen Null und 100% Last ohne dabei jemals in den 
lückenden Betrieb zu kommen, z.B. Synchron-Abwärtswandler.

Autor: Gästchen (Gast)
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voltwide schrieb:
> Nö, das ist nicht allgemein gültig. Es gibt durchaus Schaltwandler, die
> stabil laufen zwischen Null und 100% Last ohne dabei jemals in den
> lückenden Betrieb zu kommen, z.B. Synchron-Abwärtswandler.

Ja, bei synchronen Buck stimmt das, danke für die Korrektur! Trotzdem 
macht auch da 1A Rippelstrom für eine 5mA Last keinen Sinn ;-)

Hab da meine eigene Regel missachtet: In der Elektronik gibts keine 
Daumenregeln.

Der wichtige Punkt ist halt, dass auch die Untergrenze beachtet werden 
muss. Die Designs im Datenblatt sind so gut wie immer für den 
Maximalstrom, wenn man die ohne Nachdenken übernimmt, hat man solchen 
Käse.

Autor: Timmy (Gast)
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Timmy schrieb:
> Und die Energie im Schwingkreis kann ich einfach mit den 1nF der
> parasitären Kapazität und den verbliebenen 6V beim erneuten
> Schaltvorgang mit der Standardformel W=0.5CV²*f berechnen? Das wären
> dann 12.5nW*20kHz=250uW. Ist das wirklich nur so wenig?

Kann mir dazu jemand was sagen?

Autor: Timmy (Gast)
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Bin erneuten NAchdenken muss ich wohl die Spannung am Anfang der 
Schwingung nehmen. Das wären dann 12V, dann komme ich auf knapp 1.5mW. 
Immernoch quasinull. Wenn das wirklich so wenig ist, warum macht man 
sich die Mühe, das zu verbessern? Das muss doch mehr sein....

Autor: Possetitjel (Gast)
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Timmy schrieb:

> Timmy schrieb:
>> Und die Energie im Schwingkreis kann ich einfach mit
>> den 1nF der parasitären Kapazität

Ja.

>> und den verbliebenen 6V beim erneuten Schaltvorgang

Nee. Siehe unten.

>> mit der Standardformel W=0.5CV²*f berechnen?

Ja.

>> Das wären dann 12.5nW*20kHz=250uW.

Jein. - Die Energie geht, wie Du an der Formel siehst,
quadratisch zur Spannung. Du müsstest also U2^2-U1^2
rechnen, aber für eine Abschätzung lohnt das nicht.

Ich würde einfach den Anfangswert von ca. 12V ansetzen,
das wären dann 72nW * 20kHz = 1.44mW.

> Ist das wirklich nur so wenig?

Ganz offensichtlich, ja.

So lange die Schwingung in der Schaltung bleibt, ist das
ziemlich wurscht. Wenn sie abgestrahlt wird, wird es
ärgerlich.

Autor: Timmy (Gast)
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Wovon hängt denn die Abstrahlintensität ab? dI? Ich habe den Strom 
mittels CV²=LI² auf 20mA berechnet.

Autor: Mark Space (voltwide)
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Davon wieviel Antenne Du dieser schwingenden Leitung andrahtest, davon, 
ob Du ein- oder mehrlagige Leiterplatten verwendest, ob Du das Ganze in 
ein Abschirmgehäuse packst - also von vielen kleinen Details Deines 
realen Aufbaus.

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