Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schaltregler und KQS


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von Josef (Gast)


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Hallo Forum-Mitglieder,

ich habe mich zwar um geschaut zum diesem Thema aber nicht wirklich was 
gefunden. Es wäre wirklich sehr hilfreich, wenn mich jemand zum 
folgenden Sachverhalt aufklärt:

Es sollen zwei LEDs mit jeweils 3.5V in Serie betrieben werden und dabei 
im Schnitt 700mA durchgeschickt werden. Als Versogung liegt eine 
Spannungsquelle die zwischen 10V und 20V schwanken kann. Dabei dachte 
ich mir, dass ich die Schaltung mit einer SEPIC bediene.

Bisher war es immer so, dass wenn ich von Schaltregler (Buck, Boost, 
Sepic..) gehört habe die Ausgangsspannung mit Hilfe des Duty Cycles 
einstellen bzw. regeln konnte. In der Schule wurde aber immer eine 
undefinierte Last angenommen. So dass immer die Ausgangsspannung 
betrachtet wurde.

Nun, jetzt muss ich LEDs ansteuern und da brauche ich ja eine KQS weil 
eine Spannungsquelle ungeeignet wäre (wegen der U-I Kennlinie der 
Diode).

Derzeit ist mir es unklar und bin verwirrt. Finde leider die 
Zusammenhänge zwischen SEPIC-Wandler, dem KQS und die LEDs die einen 
konstanten Strom brauchen,nicht.

Nach der Recherche über die Ansteuerung des Mosfets, bin ich drauf 
gekommen dass man als Zustandsgröße die Ausgangsspannung nimm, diesen 
mit dem zu erwartenden Ausgangsspannung subtrahiert und über einen 
Komporator mit einer Sägezahn die neue PWM erzeugt. 
(Voltage-Mode-Controll)

Dann gibt es ja den Current-Mode-Controll. Da dachte ich mir "okay, und 
so regelt man den Strom, das Problem wurde gelöst und alles pasta, keine 
Verwirrungen mehr". Doch dann habe ich gesehen, dass man hierbei eine 
Kaskadenregelung macht und als Zustandsgröße wieder die Ausgangsspannung 
betrachtet.

Ich will es verstehen, wie man zum Beispiel eine "Konstantstromregelung 
für die Ansteuerung von LEDs" macht. So wie ich es verstanden habe, wird 
immer die Ausgangsspannung geregelt aber eigentlich möchte ich ja den 
Strom regeln. Kann mich jemand aufklären? Vielen Dank!

: Verschoben durch Moderator
von Kildo (Gast)


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Josef schrieb:
> dass ich die Schaltung mit einer SEPIC bediene

Eine Sepia? :)

(Bei SEPIC bedeutet das C nämlich "Converter", und das macht die gesamte 
Abkürzung "männlich".)

Spaß beiseite:

a.) Wenn die Gesamtspannung an der Last immer weit unter der 
Eingangsspannung bleibt (auch, wenn diese variabel ist - und auch, wenn 
es um eine KSQ geht),  braucht man "lediglich" einen Buck (Step-Down).

b.) Ja, die meisten Beispiele / Schaltungen im Netz beziehen sich auf 
Spannungsregelung - weil das die häufigste Anwendung ist. Trotzdem kann 
man bei praktisch jedem Schaltregler stattdessen den Strom regeln - 
wennman halt statt der Spannung den Strom mißt ...

c.) So einfach dürfte das aber trotzdem nicht werden. Was hast Du schon 
gebaut? (Wenn auch vielleicht nur weitgehend "nachgebaut" - was etwas 
völlig anderes ist, als etwas selbst zu entwickeln).

von Harry (Gast)


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Ob dir das hilft weiß ich jetzt nicht, aber:
Der Regler erwartet eine Feedbackspannung, die vorgegeben ist und 
normalerweise mit einem Spannungsteiler eingestellt wird.
Wenn du einen Schaltregler als KSQ betreiben willst, muß am Widerstand 
in Reihe zur LED die Feedbackspannung abfallen.
Wenn z.B. die FBSpannung 0.8V beträgt, schaltest du einen R von 
0.8V/0.7A=1.14 Ohm in Reihe zur LED (Masseseite) und verbindest den 
Verbindungspunkt LED-Widerstand mit dem FB-Anschluss. Der 
Spannungsteiler entfällt.

von Michael B. (laberkopp)


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Josef schrieb:
> Ich will es verstehen, wie man zum Beispiel eine "Konstantstromregelung
> für die Ansteuerung von LEDs" macht. So wie ich es verstanden habe, wird
> immer die Ausgangsspannung geregelt aber eigentlich möchte ich ja den
> Strom regeln.

Nein, beim Schaltregler wird FB (feedback) gemessen, und soll bei den 
meisten Modellen bei 1.23V liegen.

Wenn man FB nicht aus einem Spannungsteiler aus der Ausgangsspannung 
sondern durch eine shunt aus dem Strom holt, regelt man den Strom und 
nicht die Spannung.

Da deine Eingangsspannung immer grösser ist als die benötige 
LED-Spannung reicht ein step down. Der ist auch viel einfacher weil der 
Strom dauernd fliesst, er pendelt nur hoch und runter. Da du nur 700mA 
brauchst, tut es ein MC34063 mit internem Schalttransistor. Der braucht 
zwar 1.3V, aber 1.23 + 3.5 + 3.5 sind < 10 - 1.3, reicht also noch.
1
       +------+               LED  LED
2
    +--|8    E|--+--470uH--+--|>|--|>|--+ 
3
    |  |      |  |         |            |
4
    +--|7   FB|--(---------(------------+
5
  0R33 |      |  |        47u           |
6
 ---+--|6     |  +---|>|---+-----2R-----+
7
+10V   +------+    1N5819  |
8
       MC34063            GND
Der MC34063 hat sogar noch eine extra Strombegrenzung drin, man hätte 
sogar die Wahl welche man verwendet, aber die am Eingang ist 
Eingangsspannungabhängig. Wie gross die Spule ist, hängt von der 
Shcaltfrequenz und der Stromripple ab. Bei step down ist zu gross kein 
Problem.

Es gibt natürlich auch modernere LED Schaltregler, z.B.
http://www.micro-bridge.com/data/Feeling-tech/FP7151.pdf

von Harry (Gast)


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achja: besorg dir einen PT4115 der kann das

von Kildo (Gast)


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Harry, um das zu verstehen, muß man aber erst einmal auch den genauen 
Unterschied zwischen Strom- und Spannungsmessung kennen.

Bei Spannungsmessung wird (zu einem großen Teil) mit Teiler gearbeitet, 
weil die zu messende Spannung selbst zu groß wäre. (Und man kann damit 
an die Vref anpassen...)

Bei Strommessung wird (häufig), statt zwischen V(out)+ und V(out)- (und 
damit parallel zur Last) die Spannung abzugreifen, direkt seriell in die 
+/Zuleitung oder aber -/"Ab"leitung ein sog. Shunt -Widerstand 
eingefügt.

Der fließende Strom erzeugt "über dem" (zwischen den Anschlüssen des) 
Widerstand(es) ... wiederum eine Spannung. Diese wird wiederum gemessen 
- ganz wie zuvor beim Teiler an einem der R.

von Crazy H. (crazy_h)


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@Kildo: Ja Lehrer wäre ein total ungeeigneter Beruf für mich ;-)

von U. M. (oeletronika)


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Hallo,
im Prinzip wurde schon alles beschrieben.
> Josef schrieb:
> Ich will es verstehen, wie man zum Beispiel eine "Konstantstromregelung
> für die Ansteuerung von LEDs" macht. So wie ich es verstanden habe, wird
> immer die Ausgangsspannung geregelt aber eigentlich möchte ich ja den
> Strom regeln.
Nein, beim Spannungsregler wird eine Spannung zum Feedback-Eingang 
zurückgeführt, welche von der Ausgangsspannung per Spannungteiler 
abgeleitet wird.

Will man eine Stromregelung, muß man nur die Feedbackspannung vom 
Ausgangsstrom ableiten, was man natürlich über einen Meßhunt leicht 
machen kann. Um jetzt troztdem einen guten Wirkungsgrad zu erreichen und 
nicht zu viel Leistung durch den Spannungsabfall am Meßshunt zu 
verlieren, kann man diese Spannung noch mit einem gewissen Faktor 
verstärken. So braucht man nicht unbedingt die volle Referenzspannung 
(typisch 1,25V-Bandgap-Spannung), sondern nur paar Zehn mV.

In der Schaltung im Link findest du das Prinzip.
Der Spannungsregler U1 regelt den Strom über de Meßshunt R7+R8.
U2 ist ein Instrumentverstärker, der die Feedbackspannung vertärkt und 
gleichtaktfrei auf Massebebezug bringt.

http://uwiatwerweisswas.schmusekaters.net/Uwi/ELEKTRONIK/LED/Stromquellen_Varianten.pdf

Diese Schaltung ist allerdings inzwischen uralt und der Regler nicht 
mehr gängig (soll deshalb nur das Prinzip verdeutlichen).
Gruß Öletronika

: Bearbeitet durch User
von Mark S. (voltwide)


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Um es auch noch mal klar zu stellen: voltage- und current-mode haben 
beide dasselbe Ziel: Eine konstante AusgangsSPANNUNG, die idealerweise 
unabhängig vom Laststrom bleibt.

von Wolfgang (Gast)


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Michael B. schrieb:
> Nein, beim Schaltregler wird FB (feedback) gemessen, und soll bei den
> meisten Modellen bei 1.23V liegen.

Man kann genauso gut einen mit niedrigerer FB-Spannung verwenden, z.B. 
einen MP1584 (typ. 0.8V), MP3207 (typ. 0.925V) oder ...

Ersteren gibt es als fertiges Modul vom freundlichen Chinesen für unter 
60ct.
Ebay-Artikel Nr. 182523124266

von Josef (Gast)


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Hallo,

vielen vielen Dank für die Erklärungen, auch wenn es noch nicht ganz 
durch gesickert ist, hab ich jetzt ein wenig mehr Gefühl bekommen zu 
diesem Thema. Muss mal eine Nacht drüber schlafen :)

Ist es also richtig, dass ich durch die Regelung von einem Sepic-Wandler 
sozusagen eine KQS erschaffe?

Ja, in der Literatur habe ich auch bei der Suche nach Stromregelung 
meistens die verkettete Reglerstruktur immer wieder gefunden 
(Kaskadenregelung) und das führte zu Verwirrungen. Also auch diese 
verschachtelten Reglerstrukturen (siehe Link - Figure 1) regeln die 
Spannung, auch wenn es meistens als Stromregelung angeführt.

http://www.analog.com/en/technical-articles/peak-current-mode-and-continuous-current-mode-dc-dc-converters.html

Allerdings wird bei Figure 1, auch wie auch @laberkopp und andere 
geschrieben haben wird der Spulenstrom über einen Messshunt gemessen 
(Stromregelung). Jedoch wird auch die Ausgangsspannung gemessen und 
geregelt.

Wird in dem Fall Strom- und Spannung geregelt? Oder handelt es sich hier 
um wieder um eine Spannungsregelung?



Und eine weitere, allgemeinere Verständnisfrage: Wenn sich der Anzahl 
der LEDS von 2 auf 6 ändern würde, also Uled von 7V auf 21V ändern würde 
und ich habe eine KQS, passt sich dann die Ausgangsspannung automatisch 
an, unabhängig von der Last? Weil wie ich zuvor erwähnt habe, haben wir 
die Wandler immer als Wandler betrachtet die in der Abhängigkeit vom 
Duty Cycle eine gewünschte Ausgangsspannung liefert. Und in dem Fall, 
verwende ich ja die PWM um den Ausgangstrom konstant zu halten und habe 
somit keinen Einfluss auf die Ausgangspannungeinstellung. Muss ich mir 
dabei über die Ausgangsspannung gedanken machen ?

von Josef (Gast)


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U. M. schrieb:

> Will man eine Stromregelung, muß man nur die Feedbackspannung vom
> Ausgangsstrom ableiten, was man natürlich über einen Meßhunt leicht
> machen kann.

Danke, für die Erklärung. Wie ich es eben auch gepostet hab, um die 
Frage nochmals zu wiederholen. Wie ist es denn bei den verschatelten 
Reglerstrukturen wo zusätzlich zum Shunt auch die Ausgangsspannung 
gemessen, mit einer Referenzspannung verglichen wird und im Anschluss 
mit der am Shunt ermittelten Spannung verglichen wird? Handelt es sich 
hier um eine Spannungs- oder Stromregelung? An dieser Problemstellung 
hackt es leider noch. (Figure 1)

http://www.analog.com/en/technical-articles/peak-current-mode-and-continuous-current-mode-dc-dc-converters.html

von Patrick J. (ho-bit-hun-ter)


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Hi

Josef schrieb:
> KQS

Meiner Erfahrung nach, nennt sich das Ding Konstant Strom Quelle, 
weshalb das Q am Ende steht, bin aber auch für andere (Be)Deutungen 
offen.

Wenn der Shunt in der Minus-Leitung sitzt, fällt an Ihm eine positive 
Spannung proportional zum Stromfluß ab - Diese stellt das Feedback dar, 
somit wird der Strom geregelt.


MfG

von Michael B. (laberkopp)


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Josef schrieb:
> Wie ist es denn bei den verschatelten Reglerstrukturen wo zusätzlich
> zum Shunt auch die Ausgangsspannung gemessen, mit einer
> Referenzspannung verglichen wird und im Anschluss
> mit der am Shunt ermittelten Spannung verglichen wird?

Zusätzlich zu was ?

Man hat (normalerweise) genau einen Feedback-Eingang und muss sich 
entscheiden (Ausnahmen wie TL494 oder MC34063 mal aussen vor).

Man kann sich nicht nach beiden Herren richten, Strom und Spannung, denn 
der Lastwiderstand bestimmt, welcher Strom zu welcher Spannung past. Man 
könnte höchstens, ähnlich einem Labornetzteil, eine Maximalspannung und 
einen Maximalstrom definieren und bei Überschreitung von einem davon die 
Regelung zurücknehmen, wie beim TL494. Mit Kniffen kann man das auch an 
einen Feedback-Eingang hängen, z.B. per Z-Diode.

> Handelt es sich hier um eine Spannungs- oder Stromregelung?

Damit kann man entweder am shunt den Strom messen und Strom regeln oder 
per Spannungsteiler die Spannung messen und Spannung regeln.

von Josef (Gast)


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Sorry, war ein Tippfehler .. Konstant Strom Quelle
Danke !

von Kildo (Gast)


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### - Wieso willst Du immer noch einen SEPIC? Ein Buck genügt. Du 
schriebst, daß die Eingangsspannung max. 20V, und min. 10V sei. Also 
immer größer als (2 x 3,5 =) 7V.

(Es würde also immer "abwärtsgewandelt", auch von einem SEPIC. Und 
dessen schlechtere Effizienz im Vergleich zu Buck hättest Du dann ganz 
ohne Grund.)

### - Wieso interessieren Dich "kaskadierte" Regelungen, wenn/ solange 
Du doch das Prinzip "einfache" Regelung noch nicht einmal verinnerlicht 
hast?

(Könnte man kontraproduktiv nennen, weil Dich das zuvor, bzw. bis 
dahin, einfach nur durcheinander bringt. Irgendwie klar, oder nicht?)

von Josef (Gast)


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Kildo schrieb:
>
>
> ### - Wieso interessieren Dich "kaskadierte" Regelungen, wenn/ solange
> Du doch das Prinzip "einfache" Regelung noch nicht einmal verinnerlicht
> hast?

Guten Morgen,

die Interesse enstand bisher, weil ich unter Stromregelung immer auf die 
"kaskadierte" Regelung gestoßen bin. D.h der Messshunt immer mit der 
übergelagerten Spannungsregelung.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Josef schrieb:
> die Interesse enstand bisher, weil ich unter Stromregelung immer auf die
> "kaskadierte" Regelung gestoßen bin.
Du hast falsch gesucht.
> D.h der Messshunt immer mit der übergelagerten Spannungsregelung.
Das hat nichts mit kaskadierter Regelung zu tun. Eine kaskadierte 
Stromregelung findest du in Umrichtern, wo "innen" ein Stromregler das 
Drehmoment bestimmt und ein überlagerter Drehzahlregler "aussen" das 
Drehfeld beeinflusst, der letztlich "ganz aussen" von einem 
Positionsregler gesteuert wird.
https://de.wikipedia.org/wiki/Kaskadenregelung

Ein übliches Netzteil mit "Stromregelung" und "Spannungsregelung" ist 
kein Kaskadenregler, weil dort einfach nach dem Prinzip "der Stärkere 
gewinnt" geregelt wird.
Und so wird bei einer Konstantstromquelle einfach so lange ein 
konstanter Strom ausgegeben, bis der Lastwiderstand so groß wird, dass 
die maximale Spannung der KSQ nicht mehr ausreicht um den Strom konstant 
zu halten.

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