Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Verständnisproblem Rückwärtsstrom USV


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von Helmut R. (helmut_roe)


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Hallo zusammen,

ich habe ein Verständnisproblem bei einer Schaltung, die ich aktuell in 
LTSpice simuliere.

Hintergrund: Die Schaltung soll Teil einer USV werden und die 
Umschaltung zwischen der regulären Versorgungsspannung (5V) und der 
Hilfsspannung (Batterie 3,6V) steuern.

In einem Beitrag hier im Forum wurde bereits folgendes Dokument 
referenziert das hier als Grundlage dient (Fig. 2):
https://www.mikrocontroller.net/attachment/176412/Power_Multiplexer.pdf

Im konkreten Fall geht es um den Teil Q3 (PNP Transistor), R5, R6, R7, 
der erst die Hilfsspannung durchschalten soll (p-Channel Mostet 
Gate=0V), wenn die Systemspannung bzw. Ausgangsspannung gleich der 
Hilfsspannung ist. Hintergrund: Der Rückwärtsstrom soll eliminiert 
werde, falls die Schaltung unbelastet ist und umschaltet. In diesem 
Zustand wäre der Kondensator auf 5V geladen und direkt mit der 
Hilfsspannungsquelle (3,6V) verbunden. In Folge fließt ein (hoher) 
Rückwärtsstrom bis die Kondensatorspannung gleich der Hilfsspannung ist. 
Wenn das Umschalten so lange verzögert wird, bis die Ausgangsspannung 
gleich der Hilfsspannung ist, fließt kein Rückwärtsstrom.

Hierzu habe ich diese Teilschaltung in LTSpice übertragen und simuliert 
(Anhang: ReverseCurrentSwitch.png bzw. ReverseCurrentSwitch.asc) und 
versuche diese zu verstehen. Leider entspricht das Simulationsergebnis 
nicht meiner evtl. falschen Erwartung.
Nach der Funktionsbeschreibung sollte V(c) doch 0V werden, wenn V(b) = 
3,6V ist. Leider erkenne ich in dieser Schalung nicht, wie hier der 
Transistor im konkreten Fall verwendet wird. Soll der Transistor hier 
nicht lediglich als „Schalter“ verwendet werden? Oder übersehe ich hier 
eine Grundschaltung wie Emitterschaltung oder Kollektorschaltung?
Der Spannungsteiler U6 (unbelastet) mit R5 und R6 kommt auf 0,74V. R7 
begrenzt den Strom bei 5V auf maximal 50mA.

Kann mir hier jemand bitte einen Denkanstoß geben bzw. etwas Licht ins 
Dunkle bringen?

Viele Grüße,
helmut_roe

von Dieter (Gast)


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Diese Schaltung kann das alleine nicht. Da fehlt noch etwas.

von Helmut R. (helmut_roe)


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Dieter schrieb:
> Diese Schaltung kann das alleine nicht. Da fehlt noch etwas.

Das möchte ich nicht ausschließen. Ich habe die Originalschaltung aus 
der PDF mal zur Vereinfachung hier als Screenshot angehängt:

Power_Multiplexer_Fig_2_Scot_Lester_Texas_Instruments.png (Abbildung 2 
aus "Power Multiplexer Prevents Cross-Current Conduction" Author: Scot 
Lester , Texas Instruments)
https://www.mikrocontroller.net/attachment/176412/Power_Multiplexer.pdf

Folgende Randbedingungen habe ich für die Simulation der Teilschaltung 
angenommen:

- Die Schaltung befindet sich im Betrieb über die Hauptspannungsquelle. 
-> Q1A und Q1B ist durchgeschaltet (Gate = 0V). Q2A und Q2B (Gate = Vcc) 
ist nicht durchgeschaltet. Systemspannung = Hauptspannung (z.B. 5V)

- Die Hauptspannung fällt aus und die Ausgänge der Schmitt-Trigger (U2:A 
und U2:B) wechseln ihren Zustand. (U2:A -> Vcc und U2:B -> 0V)

In meiner Simulation habe ich angenommen, dass der Kollektor (C) über 
den 100 Ohm Widerstand mit Masse (U2:B = 0V) verbunden ist. Annahme: Der 
Schmitt-Trigger Ausgang kann beliebig viel Strom ziehen kann.

R5 ist mit der festen Spannung der Hilfsspannungsquelle verbunden. Im 
simulierten Fall folglich mit konstanten 3,6V.

Unter der Annahme, dass die Schaltung nicht oder nur wenig belastet ist 
und der Kondensator (C1) sich erst über die Last (bis zum Potential der 
Hilfsspannungsquelle) entladen soll, habe ich das mit einem 
Spannungsverlauf von 5V bis 0V an dem Emitter (E) vereinfacht simuliert.

Könnte es sein, dass ich hier die Randbedingungen nicht richtig 
aufgelöst habe, oder war das "Diese Schaltung kann das alleine nicht" 
auf die Ursprungsschaltung aus der PDF/Screenshot bezogen?

Viele Grüße,
helmut_roe

: Bearbeitet durch User
von Dieter (Gast)


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Bei der nun geposteten Schaltung wird mitverwendet, dass die 
Versorgungsspannung höher ist als die Reserveversorgung.

Fall auf der Lastseite eine Quelle sein sollte (Rückstrom), dann müßte 
über einen Shunt (oder verwendung einen SenseFET) die Stromrichtung 
ermittelt werden und dieser Wert in die Logik mit einfließen.

von Helmut R. (helmut_roe)


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Dieter schrieb:
> Bei der nun geposteten Schaltung wird mitverwendet, dass die
> Versorgungsspannung höher ist als die Reserveversorgung.
>
> Fall auf der Lastseite eine Quelle sein sollte (Rückstrom), dann müßte
> über einen Shunt (oder verwendung einen SenseFET) die Stromrichtung
> ermittelt werden und dieser Wert in die Logik mit einfließen.

Würde das in diesem Fall heißen, dass die Schaltung mit Q3, R5, R6, R7 
diese Funktion nicht erfüllt?
Grundsätzlich will ich nicht behaupten, dass alles was jemals 
veröffentlicht wurde fehlerfrei ist. Aber der Scott Lester von Texas 
Instruments wird sich ja irgendwas dabei gedacht haben. In der PDF 
beschreibt er den Schaltungsteil wie folgt:

"As the current flow in the circuit decreases, the possibility of 
reverse-current flow increases. If the load currents are small, the 
output capacitor may not discharge down to the auxiliary voltage level 
before transistor Q2 is turned on. This would produce a large reverse 
current into the auxiliary supply, which may be undesirable. The 
inclusion of three resistors (R5, R6 and R7) and a transistor (Q3) in 
Fig. 2 eliminates the possibility of reverse current flow into the 
auxiliary supply. The Q3 transistor forces Q2B off until the system 
voltage is equal to the auxiliary voltage level. With the input and 
output voltages equal, no reverse current will flow."

Meine Simulation zeigt allerdings ein anderes Ergebnis. Aktuell glaube 
ich noch, dass ich hier etwas falsch verstehe oder falsch simuliere. Ich 
will noch nicht ganz wahr haben, dass der Scott Bauteile (z.B. einen 
Shunt) "vergessen" hat.

Viele Grüße,
helmut_roe

von Dieter (Gast)


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Die Schaltung soll dies auf der 5V Seite bewirken.  Also U am Emmitter 
variieren fuer die Kennlinie.  Bei der aktuellen Dimensionierung wird 
ein Enbrechen der Spannung auf unter 2V zugelassen.

von Helmut R. (helmut_roe)


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Ich habe jetzt mal die Hilfsspannungssquelle auf 3,3V gesetzt. Somit 
würde es genau der Spannung in dem referenzierten Dokument entsprechen 
(https://www.mikrocontroller.net/attachment/176412/Power_Multiplexer.pdf).

Zusätzlich habe ich den Schmitt-Trigger Ausgang mit 250 Ohm 
berücksichtigt und die Variation von U am Emitter in den Plot mit 
aufgenommen.

Dementsprechend würde der Transistor bei 1,25V sperren. In der Schaltung 
(Power_Multiplexer_Fig_2_Scot_Lester_Texas_Instruments.png) können diese 
1,25V nie erreicht werden. Die kleinste Ausgangsspannung entspricht 
immer ca. 3,3V. In Folge ist der Transistor EC Strecke immer leitend.

Das kann doch an dieser Stelle nicht so gedacht sein, oder?
Irgendetwas stimmt hier doch nicht, oder sehe ich den Wald vor lauter 
Bäumen nicht?

Viele Grüße,
helmut_roe

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