Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schaltregler TPS61196 - LED Treiber


von Daniel H. (danyag)


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Hey,
ich habe mit dem TPS61196 eine Treiberplatine für 6 LED-Stränge gebaut. 
Der IC beinhaltet grob einen Aufwärtswandler und 6 Stromsenken.

Meine Auslegung ist wie folgt:

Eingangsspannung: 12 V
(maximale) Ausgangsspannung: 72 V
Strom pro Senke: 65 mA
LEDs pro Strang: 24
LED-Stränge: 6

Schaltfrequenz: 400 kHz
L: 47 uH; 4,6 A; 70 mOhm
D: MBR 10100 (100 V; 0,7 V; 10 A)
Q: IRFP 4310Z

Laut Datenblatt ist ein Wirkungsgrad von etwa 90 % zu erwarten.
Meine Messungen zeigen, dass die Spannung über die LED-Stränge etwa 69 V 
beträgt und ein Strom von 67 mA fließt.

Am Eingang fließt bei einer Spannung von 12 V ein Strom von 2,88 A. Bei 
16 V reduziert sich der Strom auf 2,0 A.

Daher schätze ich den Wirkungsgrad auf:
n(@12 V) = (6 * 69,6 V * 0,067 A) / (12 V * 2,88 A) = 81 %
n(@16 V) = (6 * 69,6 V * 0,067 A) / (16 V * 2,00 A) = 87 %


Die Schaltung funktioniert soweit einwandfrei und mir scheint, dass die 
Verlustleistung "nur" am Mosfet abfällt - ansonsten mag ich keine 
nennenswerte Erwärmung der Komponenten feststellen..


Ist bei 12 V Eingangsspannung nicht mehr Wirkungsgrad zu erzielen, ist 
meine "Abschätzung" hanebüchen, eines der Bauteile ungeeignet oder die 
Schaltfrequenz zu hoch?

- wäre ein IRF 3710 Mosfet besser geeignet?
- Schaltfrequenz mal Richtung 200 kHz einstellen?

Ich bin unsicher welche Eigenschaften des Mosfets am meisten zum Tragen 
kommen. Ich habe als "wichtigstes" Kriterium RDS(on) festgelegt. Ich 
vermute aber, dass Kapazität und Geschwindigkeit nicht ganz unwichtig 
sind..


Ich würde mich über Tipps und Anmerkungen freuen. Mein erster Schritt 
wäre die Variation der Schaltfrequenz.


Viele Grüße
Daniel

von eta ad absurdum? (Gast)


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Was wäre denn Deine Wunschvorstellung d. Wirkungsgrades bei 12VDC?
(Unabhängig von jeglicher Optimierung wird er bei 16VDC immer etwas
besser sein - erhöhter Strom bei 12VDC = mehr Verluste ... "Punkt".)

Bitte nicht falsch verstehen:

Steigern kann man den (bei 12 UND 16VDC) schon noch etwas.

von Daniel H. (danyag)


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eta ad absurdum? schrieb:
> Was wäre denn Deine Wunschvorstellung

Ich habe ~ 90 % als vermeintlich realistische Möglichkeit angestrebt.

In der Zeit zwischen meinen Posts habe ich einige Modifikationen 
getestet.
Die Verringerung der Schaltfrequenz von 400 kHz auf 200 kHz hat bei 12 V 
den Eingangsstrom auf 2,65 A reduziert. Bei 100 kHz habe ich einen Strom 
von 2,57 A gemessen. Die Induktivität hat sich allerdings rasch erwärmt.

Zusätzlich habe ich den Mosfet von IRFP 4310Z zu IRF 3710 getauscht. 
Dies hat den Wirkungsgrad nochmals leicht verbessert.

Momentan ergeben sich folgende Werte bei 200 kHz:
n(@12 V) = (6 * 69,6 V * 0,067 A) / (12 V * 2,565 A) = 91 %
n(@16 V) = (6 * 69,6 V * 0,067 A) / (16 V * 1,871 A) = 93 %


Mit den Werten bin ich zufrieden. Etwaiges Verbesserungspotenzial möchte 
ich natürlich trotzdem nicht ungenutzt lassen.

von Daniel H. (danyag)


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Durch geringe Anpassungen konnte ich den Wirkungsgrad noch leicht auf 
fast 92 % steigern. Ich vermute, dass bei 12 V Versorgungsspannung damit 
das Mögliche ziemlich ausgeschöpft ist.

Mir bereitet allerdings die Wärmeentwicklung Unbehagen. Der Mosfet ist 
an einem kleinen Kühlkörper, der geschätzt ~65 °C warm wird, was wohl 
unkritisch sein sollte.

Die Schottky-Diode im TO-220 Gehäuse hat keine zusätzliche Wärmeabfuhr 
und wird ähnlich warm - was mich wundert.

Die Induktivität hingegen wird recht heiß. Meine Finger sind jedenfalls 
nach ein paar Sekunden spürbar unzufrieden der Wärmeabfuhr zu dienen.. 
;).
Deutet das daraufhin, dass die Schaltung - das heißt die Induktivität - 
am Limit läuft?

- Wie kann ich überprüfen oder messen ob der Regler innerhalb der 
Spezifikationen arbeitet und einem Dauerbetrieb sicher standhalten wird.

- Gibt es eine Möglichkeit die Induktivität - außer durch einen 
erzwungenen Luftstrom - zu kühlen?


Viele Grüße
Daniel

von der schreckliche Sven (Gast)


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Daniel H. schrieb:
> Die Induktivität hingegen wird recht heiß.


Die Induktivität gerät wohl schon in die Sättigung.

Eine Leistung von ca. 30 Watt macht eigentlich keine besonderen 
Kühlmaßnahmen notwendig. Was bei Dir schiefläuft, kann aus der Ferne 
keiner wirklich beurteilen, zumal Deine Info sehr, sehr spärlich 
ausfällt:

Daniel H. schrieb:
> ich habe mit dem TPS61196 eine Treiberplatine für 6 LED-Stränge gebaut.

Also:
Schaltplan posten, aber nicht aus dem Datenblatt, sondern was Du 
wirklich gebaut hast, und aussagefähige Fotos dazu.

von der schreckliche Sven (Gast)


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Noch was:
Die Induktivität ist doch hoffentlich keine Entstördrossel mit 
Eisenpulver-Ringkern.

von eta ad absurdum? (Gast)


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der schreckliche Sven schrieb:
> Schaltplan posten, aber nicht aus dem Datenblatt, sondern was Du
> wirklich gebaut hast, und aussagefähige Fotos dazu.

Alle genauen Bauteil-Typen, um

der schreckliche Sven schrieb:
> Die Induktivität ist doch hoffentlich keine Entstördrossel

auszuschließen. Auch ansonsten gebe ich Sven recht.

von Daniel H. (danyag)


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der schreckliche Sven schrieb:
> Die Induktivität gerät wohl schon in die Sättigung.

Das fürchte ich - nachdem was ich gelesen habe - auch. Den Rechnungen 
und dem Datenblatt der Induktivität nach, sollte eigentlich noch 
Spielraum bestehen. Ich habe einen Spitzenstrom von 3,24 A berechnet. 
Sofern ich das Datenblatt der Induktivität richtig interpretiere, ist 
eine Erwärmung dann allerdings "normal".

der schreckliche Sven schrieb:
> Schaltplan posten, aber nicht aus dem Datenblatt, sondern was Du
> wirklich gebaut hast, und aussagefähige Fotos dazu.

Ich hänge die Unterlagen an.

der schreckliche Sven schrieb:
> Die Induktivität ist doch hoffentlich keine Entstördrossel mit
> Eisenpulver-Ringkern.

Angegeben ist sie als "SMD Power Inductor" - ich denke die ist schon für 
den Anwendungszweck geeignet.

eta ad absurdum? schrieb:
> Alle genauen Bauteil-Typen

Induktivität
L1: L-PISR 47µ
L = 47 uH
f_l = 0,1 MHz
SRF = 8 MHz
DCR = 0,07 Ohm
I_sat = 4,6 A
I_sat_deltaT (bei maximaler Erwärmung um 40 K) = 2,7 A

Ausgangskondensator
EC2: FC-A 100U 100B
C = 100 uF
U_max = 100 V
I_ripple = 698 mA
Impedanz (bei 100 kHz) = 0,15 Ohm

Schottky-Diode
D1: MBR 10100
U_RRM = 100 V
U_F = 0,7 V
I_F = 10 A
I_R = 6 mA
I_FSM = 150 A

Mosfet
Q1: IRF 3710
U_DS = 100 V
I_D = 57 A
R_DS(on) = 0,023 Ohm
Q_g = 130 nC
C_iss = 3,13 nF


Hoffe es sind alle nötigen Informationen enthalten.

von der schreckliche Sven (Gast)


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Daniel H. schrieb:
> I_sat_deltaT (bei maximaler Erwärmung um 40 K) = 2,7 A

Da hast Du den Salat.

von Daniel H. (danyag)


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der schreckliche Sven schrieb:
> Da hast Du den Salat.

Ist das denn für die Funktionalität schlimm? Als Maximaltemperatur ist 
125 °C angegeben. Wo könnte ich eine etwas geeignetere Induktivität 
kaufen, die von der Bauform passt?

von Bernhard D. (pc1401)


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Noch etwas, was mit dem eigentlichen Schaltregler nichts zu tun hat: Die 
Ansteuerung der Error LED ist obskur.

Insgesamt 300k Basisvorwiderstand bei 12 V, um 20 mA zu schalten, sind 
viel zuviel. In diesem Fall sollte man den Transistor in die Sättigung 
fahren, und deutlich knackiger ansteuern, mit bis zu 1/10 des 
Kollektorstromes.

20 mA LED-Strom sind für heutige Typen ebenfalls sehr großzügig, da 
dürfte man mit weniger auskommen.

Gruß,
Bernhard

von der schreckliche Sven (Gast)


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Daniel H. schrieb:
> Ist das denn für die Funktionalität schlimm?

Ja klar. Denn es ist zu erwarten, daß die Induktivität in die Sättigung 
gerät, was einen steilen Stromanstieg bedeutet. Der Mosfet wird zwar 
rechtzeitig abgeschaltet, bevor was Schlimmes passiert, aber der hohe 
Spitzenstrom ist für alle Beteiligten eine große Belastung. Bis Du für 
die Induktivität geeigneten Ersatz gefunden hast, kannst Du R7 
vergrößern, um die Spulensättigung zu vermeiden.

von Daniel H. (danyag)


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Bernhard D. schrieb:
> Insgesamt 300k Basisvorwiderstand bei 12 V, um 20 mA zu schalten, sind
> viel zuviel. In diesem Fall sollte man den Transistor in die Sättigung
> fahren, und deutlich knackiger ansteuern, mit bis zu 1/10 des
> Kollektorstromes.

Ich habe mich erst nachträglich entschieden die LED mit einen geringeren 
Strom anzusteuern. Einen gut passenden Vorwiderstand hatte ich aber 
leider nicht mehr. Daher hatte ich kurzerhand den Basisstrom minimiert. 
Ist das arg "unelegant" oder beeinträchtigt das die Funktion?
- bei den geringen Strömen sollte der Transistor doch keine Problem 
haben, oder?

von Daniel H. (danyag)


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der schreckliche Sven schrieb:
> Ja klar. Denn es ist zu erwarten, daß die Induktivität in die Sättigung
> gerät, was einen steilen Stromanstieg bedeutet. Der Mosfet wird zwar
> rechtzeitig abgeschaltet, bevor was Schlimmes passiert, aber der hohe
> Spitzenstrom ist für alle Beteiligten eine große Belastung.

Ok.. wie ist das Datenblatt denn zu verstehen?
- Ich bin ursprünglich von einem Sättigungsstrom von 4,6 A ausgegangen. 
Erst in einem zweiten Datenblatt habe ich den Wert in Kombination mit 
dem Temperaturanstieg entdeckt. Ist 4,6 A eine "unseriöse Werbezahl" 
oder habe ich das falsch verstanden?

der schreckliche Sven schrieb:
> Bis Du für
> die Induktivität geeigneten Ersatz gefunden hast, kannst Du R7
> vergrößern, um die Spulensättigung zu vermeiden.

Schafft der Regler denn dann noch die geforderte Ausgangsleistung? Mit 
R7 = 0,1 Ohm wird der maximale Spulenstrom auf 4 A begrenzt. Sollte ich 
~ 0,15 Ohm nutzen und den Strom auf 2,7 A begrenzen?

von der schreckliche Sven (Gast)


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Die verfügbare Ausgangsleistung ist natürlich weniger.
Das mit der Stromangabe bei Induktivitäten ist vergleichbar mit der bei 
Mosfets. Gilt für 25 Grad Celsius. Ist leider total Praxisuntauglich.

von Dieter (Gast)


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Für I_Last 2,7A Mittelwert läge die Stromspitze (Stromdreiecke Lade- und
Entladephase) der Spule bei dem doppelten, d.h. 5,4 A.

Da die Spule noch warm werden kann, sollte zur Sättigung noch 30%
Reserve sein. Der Ohmische Widerstand sollte bei den 5.4 A auch noch
nicht so stark zu buche schlagen.

von Daniel H. (danyag)



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Ich habe mal den Spannungsverlauf an Gate und Source des Mosfets 
untersucht. Die 6 Bilder zeigen das Tastverhältnis und den Spulenstrom 
durch die Spannung über R7 bei verschiedener Belastung des Ausgangs.

Nur den quasi linearen Teil betrachtend ergibt sich bei den folgenden 
Ausgangsströmen ein jeweiliger Strom durch die Induktivität von:

66 mA --> 1,2 A (120 mV)
132 mA --> 1,68 A (168 mV)
198 mA --> 2,08 A (208 mV)
264 mA --> 2,44 A (244 mV)
330 mA --> 2,92 A (292 mV)
396 mA --> 3,36 A (336 mV)

Ist die Betrachtung korrekt und sehen die Schaltvorgänge "in Ordnung" 
aus?
- deuten die Spikes auf ein Problem hin?
- deutet der sprunghafte Stromanstieg beim Schaltvorgang auf ein Problem 
hin?

Ich freue mich über jeden Hinweis zur Interpretation der Oszillogramme.

von Daniel H. (danyag)


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der schreckliche Sven schrieb:
> Die verfügbare Ausgangsleistung ist natürlich weniger.

mh.. sofern die mögliche Ausgangsleistung soweit sinkt, dass ich nicht 
mehr alle LEDs versorgen kann, könnte ich auch gleich LEDs abklemmen.

der schreckliche Sven schrieb:
> Das mit der Stromangabe bei Induktivitäten ist vergleichbar mit der bei
> Mosfets. Gilt für 25 Grad Celsius. Ist leider total Praxisuntauglich.

Oje. Das war mir für die Induktivität leider nicht bewusst. Dann freue 
ich mich was dazu gelernt zu haben. ;)

Dieter schrieb:
> Für I_Last 2,7A Mittelwert läge die Stromspitze (Stromdreiecke Lade- und
> Entladephase) der Spule bei dem doppelten, d.h. 5,4 A.
>
> Da die Spule noch warm werden kann, sollte zur Sättigung noch 30%
> Reserve sein.

Muss die Induktivität für diese Stromspitzen ausgelegt sein?
Das heißt meine Induktivität sollte einen Sättigungsstrom von etwa
3,4 A * 1,3 = 4,42 A oder sogar 2* 3,4 A * 1,3 = 8,84 A haben?

von eta ad absurdum? (Gast)


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Sven "verschwindet am Horizont" (-->ich kann nicht mithalten)... :)
Auch die Bilder kann ich momentan nicht öffnen (andere schon, k. P.).
Ich versuche mal, trotzdem noch irgendwas (egal, was) beizutragen:

Daniel H. schrieb:
> Hoffe es sind alle nötigen Informationen enthalten.

Für so viel Mühe ist man versucht, "Danke!" zu sagen. ;-)

Die Bauteilparameter sind ein schönes "Zuckerl":

Sie müssen nicht sein (das wichtigste ist die exakte Bezeichnung,
dabei jedes einzelne Zeichen davon - mit dieser --> Datenblatt
leicht auffindbar, häufig sogar bei vielen Eckwerte "im Kopf").

Aber freilich macht deren Auflistung alles noch angenehmer.

Daniel H. schrieb:
> - deuten die Spikes auf ein Problem hin?
> - sprunghafter Stromanstieg

"von weitem" oder allgemein kann man sagen, daß Spikes bzw.
Schwingungen - abweichend vom "Ideal" - normal sind.

Ideal betrachtet könnte der Strom beim Einschaltvorgang ja gar nicht
anders, als langsam anzusteigen.

Real aber hat man z-B. bei einer Drossel nicht nur Induktivität,
sondern auch (parallele) Kapazität - auch, wenn deren Wert klein ist.

Diese parasitäre Kapazität muß immer erst umgeladen werden.
Nicht schlimm, so lange ihr Wert (wie gesagt) relativ niedrig ist.

von der schreckliche Sven (Gast)


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Daniel H. schrieb:
> - deuten die Spikes auf ein Problem hin?

Ja, und zwar auf ein Problem mit dem Oszilloskopieren.
Diese extremen Spikes sind nicht real.
Eine Spulensättigung ist nicht zu erkennen. War die Spule kalt oder 
heiß?
Dieter ging bei seiner Betrachtung davon aus, daß sich die Induktivität 
während jeder Schaltperiode vollständig entmagnetisiert. Das ist nicht 
der Fall. Es ist gut zu erkennen, daß der Stromanstieg nicht bei Null 
beginnt. Dadurch ist der Spitzenstrom nicht so hoch.

Was ich seltsam finde:
Zuerst das:

Daniel H. schrieb:
> Daher schätze ich den Wirkungsgrad auf:
> n(@12 V) = (6 * 69,6 V * 0,067 A) / (12 V * 2,88 A) = 81 %
> n(@16 V) = (6 * 69,6 V * 0,067 A) / (16 V * 2,00 A) = 87 %
>
> Die Schaltung funktioniert soweit einwandfrei und mir scheint, dass die
> Verlustleistung "nur" am Mosfet abfällt - ansonsten mag ich keine
> nennenswerte Erwärmung der Komponenten feststellen..

Und dann das:

Daniel H. schrieb:
> Durch geringe Anpassungen konnte ich den Wirkungsgrad noch leicht auf
> fast 92 % steigern. Ich vermute, dass bei 12 V Versorgungsspannung damit
> das Mögliche ziemlich ausgeschöpft ist.
>
> Mir bereitet allerdings die Wärmeentwicklung Unbehagen. Der Mosfet ist
> an einem kleinen Kühlkörper, der geschätzt ~65 °C warm wird, was wohl
> unkritisch sein sollte.
>
> Die Schottky-Diode im TO-220 Gehäuse hat keine zusätzliche Wärmeabfuhr
> und wird ähnlich warm - was mich wundert.
>
> Die Induktivität hingegen wird recht heiß.

Wirkungsgrad und Verlustwärme sind beide gestiegen. Wie geht das?

von Daniel H. (danyag)


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der schreckliche Sven schrieb:
> Ja, und zwar auf ein Problem mit dem Oszilloskopieren.
> Diese extremen Spikes sind nicht real.

Wo könnte denn das Problem liegen?
- ich habe den Tastkopf direkt am Beinchen des Mosfets angeschlossen und 
möglichst nahe dazu Masse verbunden.

der schreckliche Sven schrieb:
> Eine Spulensättigung ist nicht zu erkennen. War die Spule kalt oder
> heiß?

Die Spule war zu diesem Zeitpunkt sehr warm, aber noch nicht "heiß".

der schreckliche Sven schrieb:
> Das ist nicht
> der Fall. Es ist gut zu erkennen, daß der Stromanstieg nicht bei Null
> beginnt. Dadurch ist der Spitzenstrom nicht so hoch.

Ah.. das ist gut zu wissen. Ich war mir nicht ganz sicher.

der schreckliche Sven schrieb:
> Wirkungsgrad und Verlustwärme sind beide gestiegen. Wie geht das?

Tut mir leid, dass das missverständlich bis unlogisch ist. Ich habe zu 
dem Zeitpunkt nur kurze Testbetriebe versucht, die nicht länger als 1 
Minute waren. In der Zeit war keine merkliche Erwärmung festzustellen.
Nach 2 Stunden Betrieb unter Volllast wird die Induktivität dann doch 
recht heiß.

Die Gesamt-Leistungsaufnahme ist sogar weiter gesunken und liegt bei 
30,1 W.

von Kevin K. (nemon) Benutzerseite


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Der Schaltfet und der Gatetreiber tuen mir etwas leid. Wieso verwendest 
du so ein Teil, der maßlos überdimensioniert ist? Der Treiber muss da 
immer 170 nC umladen. Dann hast du 60 und 57 nS Rise / fall-time, die du 
vermutlich nicht ganz erreichst. Schau mal nach dem hier:
http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/datasheet/1a/d6/a0/36/2f/c4/44/21/DM00095573.pdf/files/DM00095573.pdf/jcr:content/translations/en.DM00095573.pdf
Bei deinem FET hast du 6 mOhm (sagtest ja, R,dson über alles). Bei 
deinen ~2,9 sind das 50 mW Verlustleistung beim Durchsteuern. Bei dem 
hier vorgeschlagenen kommst du zwar auf 300mW Verlustleistung, dein 
Treiber wird nur mit 5,6 mW statt 68 mW belastet und die Schaltverluste 
sind geringer. Falls du die Möglichkeit hast, an solche FETs 
ranzukommen, probier das mal aus.

von Daniel H. (danyag)


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eta ad absurdum? schrieb:
> Für so viel Mühe ist man versucht, "Danke!" zu sagen. ;-)
>
> Die Bauteilparameter sind ein schönes "Zuckerl":

Freut mich wenn das so ankommt, schließlich bitte ich hier um Rat und 
Hilfe und bin entsprechend dankbar :).


Kevin K. schrieb:
> Wieso verwendest
> du so ein Teil, der maßlos überdimensioniert ist?

Ich habe tatsächlich lange nach geeigneten Mosfets gesucht.

Kevin K. schrieb:
> Bei deinem FET hast du 6 mOhm (sagtest ja, R,dson über alles). Bei
> deinen ~2,9 sind das 50 mW Verlustleistung beim Durchsteuern.

Das war eines der Kriterien, die mir wichtig erschienen. Der STP25N10F7 
scheint besser geeignet zu sein, jedoch finde ich keine mir nutzbare 
Bezugsquelle.


Die 3 Variablen sind für mich offenbar:
1. Mosfet
2. Induktivität
3. Schaltfrequenz

Könnte sich eine höhere Schaltfrequenz in Kombination mit einem anderen 
Mosfet - wie STP25N10F7 - lohnen?

von Dieter (Gast)


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Verluste Spule:
1. Hystereseverluste proportional zur Schaltfrequenz
2. Ohmsche Verluste quadratisch zum Strom
3. Streufeldverluste steigt mit Bauformoffenheit

zu 1.
Im Datenblatt steht 100kHz, d.h. das enspricht dem Wert, bei dem der 
Ferrit im Dauerbetrieb warm werden sollte. Am stärksten sind die 
Verluste im lückenden Betrieb (kleine transiente Überschwinger sind 
schuld daran, dass die Hysterese durchlaufen wird und man sich nicht nur 
auf der Neukurve bewegt). Die Ferrite (weißschen) Bezirke verbrauchen 
auch Energie zum jeweiligen Ausrichten, auch wenn nicht die 
Hysteresekurve durchfahren wird.
Mögliche Verbesserung: HF-taugliches Ferrritkernmaterial wählen

zu 2.
Achten auf geringen ohmschen Widerstand. Wenige Wicklungen, dicker Draht 
(oder dicke HF Litzen) wegen des Skin-Effektes.

zu 3.
Oft wird gedacht, dass bei SMD das Streufeld vernachlässigt werden 
könnte, da der Einfluss ab der Entfernung halber Durchmesser des 
Bauteiles stark sinkt. Besser ist eine geschlossene Bauform, wie 
Schalenkern, oder auch EI-Kern, oder Ringkern (mit kleinem Luftspalt). 
Bei Deiner Spule wäre der effektive Luftspalt ungefähr 3,5mm 
(Feldweglänge Außen von Oberseite zur Unterseite.)
Der kleinere Luftspalt einer geschlossenen Bauform gleicht auch die 
geringere Permebilität des HF-Ferrites mehr als aus.

von Daniel H. (danyag)


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Guten Morgen,

ich freue mich über die Erläuterungen, gleichwohl bin ich nicht sicher 
welche Schlüsse ich daraus ziehen sollte.

Dieter schrieb:
> Im Datenblatt steht 100kHz, d.h. das enspricht dem Wert, bei dem der
> Ferrit im Dauerbetrieb warm werden sollte.

Ich finde nur die Angabe f_L = 100 kHz und bin davon ausgegangen, dass 
die technische Parameter bei dieser Frequenz ermittelt wurden. Ich bin 
aufgrund der weiteren Angaben davon ausgegangen, dass der gesamte 
Frequenzbereich zwischen 100 und 400 kHz nutzbar sein sollte.

Dieter schrieb:
> Mögliche Verbesserung: HF-taugliches Ferrritkernmaterial wählen

Ist das Ferritkernmaterial meiner Induktivität ungeeignet? Woran im 
Datenblatt erkenne ich das?

Dieter schrieb:
> Achten auf geringen ohmschen Widerstand.

Das habe ich - soweit möglich - getan.

Dieter schrieb:
> Oft wird gedacht, dass bei SMD das Streufeld vernachlässigt werden
> könnte...

Ich habe versucht die Induktivität möglichst "frei" anzuordnen und 
gleichzeitig die Leiterbahnen kurz zu halten. Verursacht eine Kopplung 
des Streufelds in meiner Schaltung vermeintliche Probleme?

Dieter schrieb:
> Bei Deiner Spule wäre der effektive Luftspalt ungefähr 3,5mm.

Welche Maßnahmen sollten denn daraus folgen?

von Dieter (Gast)


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Daniel H. schrieb:
> Ist das Ferritkernmaterial meiner Induktivität ungeeignet? Woran im
> Datenblatt erkenne ich das?
Im Datenblatt steht nichts zum Material, aber es gibt noch anderer 
Materialen, die je nach Fall geeigneter wären. Im Netz wäre auch ein 
Gesamtkatalog zu finden als pdf. Dort steht auch tan(phi) zu den 
Materialien.

> Ich habe versucht die Induktivität möglichst "frei" anzuordnen und
> gleichzeitig die Leiterbahnen kurz zu halten. Verursacht eine Kopplung
> des Streufelds in meiner Schaltung vermeintliche Probleme?
Möglichst frei anzuorden, d.h. gut gemacht!

> Welche Maßnahmen sollten denn daraus folgen?
Muss nicht, aber es gäbe geeignetere Bauformen.

Bei einer Schaltung habe ich um den Luftspalt magnetisch zu verkleinern 
und wie auch Streuungen, eine Umhüllung mit einer ferrithaltigen Masse 
gesehen. Allerdings erhöht dies die Induktivität, erniedrigt auch leider 
wieder I_sat und der Aufdruck stimmt dann nicht mehr mit dem Wert 
überein. Wenn Du so etwas machen solltest, musst Du eine zweite Spule 
parallel über die Spule direkt setzen.
(Mit dem Hintergrund versteht man vielleicht die Werbung eines 
Ferriteherstellers neues Ferrit mit höherer Leistungsdichte pro ccm.)

von Daniel H. (danyag)


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Dieter schrieb:
> Möglichst frei anzuorden, d.h. gut gemacht!

Freut mich, dass das Layout nicht ganz falsch zu sein scheint :).

Dieter schrieb:
> Bei einer Schaltung habe ich um den Luftspalt magnetisch zu verkleinern
> und wie auch Streuungen, eine Umhüllung mit einer ferrithaltigen Masse
> gesehen.

Ich glaube da würde ich arg planlos rumtüfteln.

In der Zwischenzeit habe ich nach alternativen Induktivitäten geschaut 
und diese beiden entdeckt:

1. WE-PD 7447709470
Würth SMD Speicherdrossel
L = 47 µH
DCR_max = 0,06 Ohm
I_R = 3,8 A
I_sat = 4,5 A

2. DO5040H-473ML_
Coilcraft SMT Power Induktivität
L = 47 µH
DCR_max = 0,052 Ohm
I_R = 3,7 A
I_sat = 7,8 A

Die Induktivität von Würth könnte ich mir diese Woche in die lokale 
Conrad-Filiale schicken lassen.

Die Funktionalität meines momentanen Aufbaus ist bereits gegeben, aber 
nach reinem Fingergefühl, könnte alles etwas kühler sein. Leider habe 
ich kein geeignetes Thermometer zum Messen.

- Wäre zu erwarten, dass die Würth-Drossel merklich kühler bliebe?

- Findet die Erwärmung hauptsächlich durch den Gleichstrom durch die 
Spule statt?

Sofern dem so ist:
Der Gleichstrom sollte bei ~ 2,7 A liegen und würde bei meiner 
derzeitigen Induktivität zu einer Verlustleistung von P_DC = (2,7 A)² * 
0,07 Ohm = 0,51 W führen. Die Würth Induktivität läge demnach bei 0,44 
W.

von Dieter (Gast)


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Drossel 2. wäre meine Wahl und zu empfehlen wegen der Stromgrenzen Isat.

von Dieter (Gast)


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Und wenn die Bauform zu sehr gross gewaehlt wird steigen wieder die 
Hystereseverluste.  Also auch nicht so einfach das ganze.

von Daniel H. (danyag)


Angehängte Dateien:

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Dieter schrieb:
> Drossel 2. wäre meine Wahl und zu empfehlen wegen der Stromgrenzen Isat.

Gut, danke. Vielleicht bekomme ich die sogar als Sample - mal abwarten.

Um mal ein besseres Gefühl für Schaltregler zu bekommen, habe ich ein 
wenig "rumgespielt". Das angehängte Bild zeigt das Oszillogramm bei 
Nutzung einer Induktivität mit 68 uH, die nur für 1,5 A spezifiziert 
ist. Kann man am schneller zunehmenden Anstieg des Stromflusses 
erkennen, dass die Induktivität in die Sättigung gerät?

Die Schaltung arbeitet hier wohl auch nicht mehr einwandfrei, da der 
maximal zulässige Spulenstrom überschritten wird, sodass der Treiber-IC 
abschaltet.
- das wäre jetzt meine Interpretation

von der schreckliche Sven (Gast)


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Daniel H. schrieb:
> Die Schaltung arbeitet hier wohl auch nicht mehr einwandfrei,

Das ist offensichtlich.

Daß sich der Ferritkern erwärmt, ist nicht zu vermeiden. Diese SMD 
Induktivitäten sind ein Kompromiss. Da der Kupferlackdraht beim Wickeln 
beschädigt werden kann, wird ein nichtleitendes Ferrit verwendet. 
Richtige Power-Ferrite sind dagegen leitfähig und benötigen deshalb 
einen Spulenkörper und zwei Kernhälften, was zu einem größeren und 
teureren Aufbau führt.
Die kleine Induktivität, die Du verwendest, wird schon hart an der 
Grenze betrieben, was die Verluste in die Höhe treibt. Allerdings wird 
das Teil mit einem Watt schon so heiß, daß Du Dir die Finger verbrennst.
Ich denke auch, daß die Induktivität von Coilcraft besser wäre.
Was den Mosfet und die Schottkydiode angeht, da muß man nicht mit 
Kanonen auf Spatzen schießen. Schottkydioden haben zwar keine trr, aber 
eine Parallelkapazität, auf die man bei 200 kHz schon Rücksicht nehmen 
muß. Als Mosfet empfehle ich Optimos von Infineon (IPP...).

Aber Du erreichst schon einen Wirkungsgrad von über 90%. Und 2,5 Watt 
machen bei dem kleinen Aufbau schon spürbar Wärme.

von eta ad absurdum? (Gast)


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Dieter schrieb:
> Und wenn die Bauform zu sehr gross gewaehlt wird steigen wieder die
> Hystereseverluste.  Also auch nicht so einfach das ganze.

Geh doch da bitte mal ins Detail, da ich bei größerem Kern
geringere Aussteuerung etc. vor meinem geistigen Auge sehe.
(Ich kann nicht folgen - lerne aber gerne, woran es liegt.)

von Dieter (Gast)


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Außer der Hysteresekurve gäbe es noch ein Energiediagramm zur 
Ausrichtung der weißschen Bezierke, Magnetorestriktion und weiterer 
Effekte. Das geht aber weit darüber hinaus in die technische Physik.

von Daniel H. (danyag)


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der schreckliche Sven schrieb:
> Daß sich der Ferritkern erwärmt, ist nicht zu vermeiden. Diese SMD
> Induktivitäten sind ein Kompromiss

Danke für die Erklärung. Das ist gut zu wissen!

der schreckliche Sven schrieb:
> Ich denke auch, daß die Induktivität von Coilcraft besser wäre.

Gut. Mal schauen, ob ich die bekomme. Alternativ habe ich gerade noch 2 
andere Induktivitäten rausgesucht.

der schreckliche Sven schrieb:
> Was den Mosfet und die Schottkydiode angeht, da muß man nicht mit
> Kanonen auf Spatzen schießen.

Bei meiner Bestellung der Bauteile war die Auswahl begrenzt. Das war 
quasi die einzige Schottky-Diode, die die Anforderungen erfüllt hat.

Für einen Austausch von Mosfet, Diode und Induktivität hätte ich 
folgende Komponenten im Sinn:

Mosfet:
1. STF25N10F7
U_DS = 100 V
I_D = 25 A
R_DS(on) = 0,035 Ohm
Q_g = 14 nC
C_iss = 920 pF
t_r = 14 ns
t_f = 4,6 ns

oder

2. IPP16CN10N G
U_DS = 100 V
I_D = 53 A
R_DS(on) = 0,0165 Ohm
Q_g = 13 nC
C_iss = 2420 pF
t_r = 14 ns
t_f = 7 ns

Schottky-Diode:
SS5P10-M3/86A
U_RRM = 100 V
U_F = 0,649 V
I_F = 5 A
I_R = 5 mA
I_FSM = 150 A
C_j = 130 pF

Induktivität:
Würth WE-HCI SMD Induktivität Drosselspule mit Mangan Zink Ferrit-Kern 
geschirmt, 47 μH / ±20%, 7,5MHz 6,8A / 74435574700
L = 47 uH
f_res = 7,5 MHz
DCR = 0,0335 Ohm
I_sat = 7,0 A
I_R (50 K) = 6,8 A


Wären die Bauteile eine gute Wahl oder habt ihr noch einen besseren 
Tipp?

von Kevin K. (nemon) Benutzerseite


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Mit dem genannten STF25N10 wirst du auch ca. 700 mW weniger 
Verlustleistung im FET haben, da das COSS sehr viel kleiner ist. Diese 
Kapazität über Drain und Source wird bei jedem Sperren vom FET mit der 
angelegten Spannung aufgeladen. Die darin gespeicherte Energie verheizt 
du beim Durchschalten in der Drain-Source-Strecke, da du den 
D-S-Widerstand parallel zu der Kapazität schaltest und diesen entlädst.

von Dieter (Gast)


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>Würth WE-HCI SMD Induktivität Drosselspule mit Mangan Zink Ferrit-Kern geschirmt, 
47 μH / ±20%, 7,5MHz 6,8A / 74435574700

Die Spule ist besser so weit ich das sehe.  Der 9A Typ waere interessant 
als Vergleich, dass sich vom Wirkungsgrad kaum mehr etwas aendert.

von Daniel H. (danyag)


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Kevin K. schrieb:
> Mit dem genannten STF25N10 wirst du auch ca. 700 mW weniger
> Verlustleistung im FET haben, da das COSS sehr viel kleiner ist.

Den Mosfet bekomme ich leider doch nicht so einfach, sodass ich nochmals 
umdisponiert habe. Ich habe jetzt diesen bestellen können:

PSMN027-100PS
U_DS = 100 V
I_D = 37 A
R_DS(on) = 0,021 Ohm
Q_g(tot) = 30 nC
Q_gs = 8 nC
C_iss = 1624 pF
C_oss = 115 pF
t_r = 11,4 ns
t_f = 8,9 ns

Sofern ich richtig interpretiert und gerechnet habe, sollte der ähnlich 
gut geeignet sein. - Hoffe ich :).


Dieter schrieb:
> Die Spule ist besser so weit ich das sehe.  Der 9A Typ waere interessant
> als Vergleich, dass sich vom Wirkungsgrad kaum mehr etwas aendert.

Den Vergleich fände ich auch sehr interessant, aber die wäre bzgl. ihrer 
Baugröße nur provisorisch zu platzieren. Ansonsten war ich geneigt 
folgender Induktivität eine Chance zu geben:

Würth Elektronik WE-HCF  SMD 2013  47 µH / 12.2 Ω  12 A  7443634700

Die ließe sich aber leider kaum unterbringen. Ich denke und hoffe, dass 
die zuvor genannte Induktivität zusammen mit anderem Mosfet und anderer 
Diode genügend Verbesserung für einen sicheren Langzeitbetrieb bringen.

Ich berichte - bei Interesse - gerne von den Ergebnissen, wenn die neuen 
Komponenten verbaut sind.

von eta ad absurdum? (Gast)


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Dieter schrieb:
> Außer der Hysteresekurve gäbe es noch: (...)

Danke Dir, klingt logisch. Werde mich besser informieren.

Daniel H. schrieb:
> - bei Interesse -

Damit kannst Du normalerweise fest rechnen. :)

von der schreckliche Sven (Gast)


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Daniel H. schrieb:
> Ich berichte - bei Interesse - gerne von den Ergebnissen,

Du darfst sicher sein, daß da alle darauf gespannt sind.

von Christian S. (roehrenvorheizer)


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Melde auch Interesse an. Bitte berichte.

MfG

von Dieter (Gast)


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Klaro auch.

Interessante Kennlinien zum Ferrit gibt es bei kaschke.de, wie zB 
Verluste in W/ccm für einige Frequenzen.

von Daniel H. (danyag)



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Ich melde mich mit neuen Ergebnissen zurück. Die größte Verbesserung des 
Wirkungsgrads hat die neue Induktivität (Würth 33,5 mOhm) gebracht. Der 
Austausch der Schottky-Diode hat diesen hingegen leicht verringert, 
sodass ich wieder zurückgebaut habe. Der neue Mosfet hat nochmals 
leichte Verbesserungen gebracht.

Um die Datenlage präsentieren zu können, habe ich ein paar Messreihen 
durchgeführt.

1. Änderung der Schaltungsbauteile
2. Bei 12 V Eingangsspannung: Variation der Schaltfrequenz
3. Bei 182 kHz Schaltfrequenz: Variation der Eingangsspannung

Das Ergebnis der Mühen ist eine Verbesserung des Wirkungsgrads von etwa 
89,7 % auf 92,9 % - bei aktuellen Messungen. Dies entspricht "nur" 1 W 
Differenz bei der Leistungsaufnahme, aber die thermische Belastung ist 
dadurch spürbar verringert worden.

Sofern keine weiteren Anmerkungen oder Fragen bestehen, wäre ich hiermit 
vorerst fertig.

Vielen Dank für eure Hilfe!

von der schreckliche Sven (Gast)


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Daniel H. schrieb:
> Dies entspricht "nur" 1 W
> Differenz bei der Leistungsaufnahme,

Die Verluste von 3 auf 2 Watt verringert, das ist ein deutlicher Gewinn.

Vielen Dank für die ausführliche Rückmeldung, das war eine echte 
Fleißarbeit!

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