Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Verständnisfrage zum Buckconverter


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von helpme91 (Gast)


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Hallo,

ich habe zwei Fragen an euch bezüglich einem Buckconverter.

1 Frage:

Ich habe ja beim Buckconverter eine Spule.
Nun hat ja eine Spule beim Abschalten eine sehr hohe 
Selbstinduktionsspannung, die ja z.B. bei einem Relais was mit einem 
Transistor geschalten wird ohne Freilaufdiode den Transistor zerstören 
würde.
Um jetzt die Induktionsspannung ich sag jetzt mal zu eliminieren, muss 
ja der Strom die gelegenheit haben, dass er wieder in die Spule 
hineinfließen kann.
Wenn ich mir die Schaltung vom Buckconverter anschaue, dann kann der 
Strom ja nur über die Last und dann über die Diode wieder in den 
Minuspol der Spule fließen (Siehe rote Markierung im Bild).

Habe ich das so Richtig verstanden?

2 Frage:

Die Spule die ich auch beim Buckconverter habe, da bin ich mir nicht 
sicher, ob ich Verstanden habe wozu die eigentlich gut ist. Nach meinem 
Verständnis ist ja die Ausgangsspannung beim Buckconverter vom Dutycycle 
der PWM abhängig. Ohne Spule hätte ich ja am Ausgang eine 
Rechteckspannung an der Last anliegen. Damit ich aber eine möglichst 
gute Gleichspannung an der Last anliegen habe, verwende ich eine Spule. 
Die Spannung an der Spule ist ja eine Dreiecksspannung. Der nachfolgende 
Kondensator dient ja als Buffer und glättet auch gleichzeitg die 
Spannung der Spule, somit bekomme ich eine ganz gute Gleichspannung am 
Ausgang heraus.

Habe ich das Richtig verstanden?

SG

von helpme91 (Gast)


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Sorry, gelbe Markierung im Bild.

von hinz (Gast)


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von Marek N. (bruderm)


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1: ja.

2: fast.
Die Spannung über der Drossel ist Rechteckförmig. Der Strom durch die 
Drossel ist dreieckförmig.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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helpme91 schrieb:
> Habe ich das so Richtig verstanden?

Ja hast du. Die Konsequenz ist: Ohne Last entlädt sich die Spule in den 
Kondensator, dessen Spannung gegen unendlich ansteigt.

Deswegen schalten sich echte Spannungswandler bei überhöhter 
Ausgangsspannung für eine Weile ab. Und deswegen brauchen sie eine 
gewisse mindest-Last, um sauber zu funktionieren.

Ob du den Sinn der Spule verstanden, bin ich unsicher. Deine Aussagen 
sind jedenfalls richtig.

Beim Einschalten baut sich in der Spule ein Magnetfeld auf, dass ein 
Päckchen Energie speichert. Zugleich wird der Ausgangskondensator ein 
bisschen geladen. Beim Ausschalten wird dieses Päckchen Energie durch 
die Diode entladen und in den Kondensator übertragen.

Je länger der Schalter eingeschaltet ist, umso größer ist das 
Energiepäckchen in der Spule. Aber: Wenn die Ausgangsspannung steigt, 
dann sinkt die Differenz zur Eingangsspannung, also das was die Spule zu 
sehen bekommt. Sie lädt sich mit weniger Energie auf. Dies führt 
letztendlich dazu, dass die Ausgangsspannung (fast) nur vom 
Tastverhältnis der PWM anhängt. In der Praxis ist es dann doch nicht so 
ideal, deswegen verwendet man immer (glaube ich) einen Regelkreis mit 
Feedback.

Jede Spule hat aber Grenzen, wie viel sie speichern kann. Wenn der 
Schalter zu lange geschlossen bleibt, gerät die Spule in Sättigung und 
verliert ihre Induktivität. Dann hat sie beinahe Null Ohm, so dass die 
Eingangsspannung direkt zum Ausgang weiter geleitet wird, was man auf 
keinen Fall zulassen will.

: Bearbeitet durch User
von MaWin (Gast)


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helpme91 schrieb:
> Wenn ich mir die Schaltung vom Buckconverter anschaue, dann kann der
> Strom ja nur über die Last und dann über die Diode wieder in den
> Minuspol der Spule fließen (Siehe rote Markierung im Bild).

Soll er ja auch.

helpme91 schrieb:
> Ohne Spule hätte ich ja am Ausgang eine Rechteckspannung an der Last
> anliegen.

Ja.

> Damit ich aber eine möglichst gute Gleichspannung an der Last
> anliegen habe, verwende ich eine Spule. Die Spannung an der Spule ist ja
> eine Dreiecksspannung.

Nein, Strom, die Spule wandelt die im Rechteck springende Spannung in 
einen dreieckförmigen Strom um.

> Der nachfolgende Kondensator dient ja als Buffer
> und glättet auch gleichzeitg die Spannung der Spule, somit bekomme ich
> eine ganz gute Gleichspannung am Ausgang heraus.

Der Kondensator macht aus dem Strom der Spule wieder eine Spannung, er 
wird dreieckförmig aufgeladen und entladen, und glättet daher.
;

von Axel S. (a-za-z0-9)


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helpme91 schrieb:

> ich habe zwei Fragen an euch bezüglich einem Buckconverter.

> Ich habe ja beim Buckconverter eine Spule.
> Nun hat ja eine Spule beim Abschalten eine sehr hohe
> Selbstinduktionsspannung

Die Höhe der Induktionsspannung hängt von der Beschaltung ab. Beim 
Buckkonverter sorgt die Freilaufdiode dafür, daß die Spannung an der 
Drossel maximal bis auf die Größe der Ausgangsspannung (+ 
Dioden-Flußspannung) steigen kann.

> Wenn ich mir die Schaltung vom Buckconverter anschaue, dann kann der
> Strom ja nur über die Last und dann über die Diode wieder in den
> Minuspol der Spule fließen

Ja. Warum enthält dein Satz das Wort "nur"?

> Die Spule die ich auch beim Buckconverter habe, da bin ich mir nicht
> sicher, ob ich Verstanden habe wozu die eigentlich gut ist.

Wie der Name "Speicherdrossel" schon sagt, ist die Spule (respektive das 
Magnetfeld um die Spule) ein Energiespeicher. Wenn der Schalter 
geschlossen ist, speichert die Spule Energie. Wenn der Schalter geöffnet 
ist, gibt die Spule Energie (über die Freilaufdiode) an die Last ab.

> Nach meinem
> Verständnis ist ja die Ausgangsspannung beim Buckconverter vom Dutycycle
> der PWM abhängig. Ohne Spule hätte ich ja am Ausgang eine
> Rechteckspannung an der Last anliegen. Damit ich aber eine möglichst
> gute Gleichspannung an der Last anliegen habe, verwende ich eine Spule.

Und einen Kondensator am Ausgang!

> Die Spannung an der Spule ist ja eine Dreiecksspannung.

Nein. Die Spannung an der Spule ist eine Rechteckspannung.  Und zwar 
wechselweise positiv und negativ. Der Strom durch die Spule ist 
dreieckig.

> Der nachfolgende
> Kondensator dient ja als Buffer und glättet auch gleichzeitg die
> Spannung der Spule

Der Kondensator am Ausgang nimmt die Differenz zwischen dem Laststrom 
(konstant) und dem dreieckigen Spulenstrom auf. Dadurch glättet er die 
Spannung am Ausgang.

Geh zu http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de/smps/abw_smps.html

Gib da ein paar Werte ein (z.B. 12V ein bei 5V aus und 1A Laststrom). 
Dann bekommst du auch Diagramme für den Spulenstrom und (indirekt) die 
Spulenspannung.

von helpme91 (Gast)


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Also Frage 1 war ja Richtig.

Frage 2 nicht ganz.

Also liegt an der Spule die Rechteckspannung an und nur der Strom ist 
Dreieckförmig. Der Kondensator wird dann mit dem Dreieckförmigenstrom 
aufgeladen. Somit habe ich dann am Kondensator eine geglättete 
Gleispannung mit einem geglätetten Gleichstrom der durch meine Last 
fließt. Im Prinzip findet hier eine Glättung statt wie nach einem 
Gleichrichter, nur das der Kondensator nicht durch einen pulsierenden 
Strom sondern durch einen Dreieckförmigen Strom geladen wird.

Jetzt sollte es passen?

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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helpme91 schrieb:
> Der Kondensator wird dann mit dem Dreieckförmigenstrom aufgeladen.

Nein, denn der Kondensator verändert den Stromverlauf wiederum.

von Jens G. (jensig)


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Stefan ⛄ F. (stefanus)

>helpme91 schrieb:
>> Der Kondensator wird dann mit dem Dreieckförmigenstrom aufgeladen.

>Nein, denn der Kondensator verändert den Stromverlauf wiederum.

Dreieck ist ja ohnehin nur eine Näherung.
Aber da der C während einer Periode kaum seine Spannnung ändert, ändert 
sich auch nicht viel am Dreieck.

von Jan (Gast)


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Mir fehlt noch der Hinweis, warum genau aus der Rechteck Spannung ein 
Dreieck Strom wird, das folgt nämlich direkt aus der DGL der Spule: 
U=L*dI/dt

von helpme91 (Gast)


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Siehe Grafik.

von (prx) A. K. (prx)


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helpme91 schrieb:
> Nun hat ja eine Spule beim Abschalten eine sehr hohe
> Selbstinduktionsspannung,

Sie erzeugt einen Strom bestimmter und abnehmender Höhe. Die Spannung 
ist offen und ergibt sich daraus über die Beschaltung. Dem Verständnis 
ist also besser gedient, wenn man vom Strom ausgeht, nicht von der 
Spannung.

Daumenregel: Nimmt man einen Kondensator und tauscht die Rollen von 
Spannung und Strom, erhält man eine Spule.

: Bearbeitet durch User
von Jens G. (jensig)


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Jan (Gast)

>Mir fehlt noch der Hinweis, warum genau aus der Rechteck Spannung ein
>Dreieck Strom wird, das folgt nämlich direkt aus der DGL der Spule:
>U=L*dI/dt

Tja, aber nicht aus der DGL einer realen Spule ;-)


helpme91 (Gast)

>Siehe Grafik.

Sieht irgendwie falsch aus ...

von Axel S. (a-za-z0-9)


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helpme91 schrieb:

> Also liegt an der Spule die Rechteckspannung an und nur der Strom ist
> Dreieckförmig. Der Kondensator wird dann mit dem Dreieckförmigenstrom
> aufgeladen.

Nein.

Der dreieckförmige Strom liegt mal unter und mal über dem Laststrom. Die 
Differenz geht in den Kondensator. Der wird also mal geladen und mal 
entladen. Schau dir die Diagramme bei Schmidt-Walter an. Da kannst du 
das direkt sehen.

Sowohl mit als auch ohne den Ausgangskondensator ensteht am Ausgang eine 
Spannung mit dreieckigem Verlauf (einfach einen konstanten 
Lastwiderstand annehmen, dann folgt das direkt aus U=I·R). Der 
Kondensator verringert die Größe des Dreiecks aber signifikant. Das ist 
vor allem dann wichtig, wenn der Spulenstrom bis auf 0 fallen kann 
(lückender Betrieb). Ohne Kondensator würde dann auch die 
Ausgangsspannung bis auf 0 fallen.

von Dergute W. (derguteweka)


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Moin,

Ich wuerd' mal dazu raten, dass wenn die Sache mit der Spule noch nicht 
so richtig sitzt, man nicht noch viele Extrabaustellen mit Kondensatoren 
und nichtidealen Bauteilen aufmachen sollte.
Sondern erstmal im ersten Bild die Parallelschaltung von R und C durch 
eine ideale Spannungsquelle (hier eigentlich eher Senke) ersetzen 
sollte. Die dann halt die Leistung nicht liefert, sondern verbraucht. 
Spule, Schalter und Diode sind auch erstmal alle ideal.
Sich dann ueber die Verlaeufe des Spulenstroms und der Spannung ueber 
der Spule im Klaren werden sollte. (Ueber einer idealen Spule faellt 
keine Gleichspannung ab, das nicht zu verdraengen hilft ungemein).Daraus 
folgt dann das noetige Tastverhaeltnis, etc. bla.
Und erst wenn das alles sitzt, dann kann man mit Faxen wie 
Spulensaettigung, Sieb-Cs, Last-Rs, und allen anderen Widrigkeiten des 
Alltags anfangen.

Gruss
WK

von Jan (Gast)


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Jens G. schrieb:
> Tja, aber nicht aus der DGL einer realen Spule ;-)

Und da integriert die Spule nicht mehr den Strom?

von Jan (Gast)


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Jan schrieb:
> Jens G. schrieb:
> Tja, aber nicht aus der DGL einer realen Spule ;-)
>
> Und da integriert die Spule nicht mehr den Strom?

Mist, anders Rum. Die Spule integriert die Spannung.

von Hehehe (Gast)


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Was ist denn Buck Konverter?

Nennt man das nicht Schaltnetzteil?

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Hehehe schrieb:
> Was ist denn Buck Konverter?
> Nennt man das nicht Schaltnetzteil?

Die Beiden Begriffe sind wie Kipplaster versus LKW. Findest du die 
Wikipedia selber oder soll jemand für dich persönliche eine Abschrift 
aus dem Lexikon machen?

von Hehehe (Gast)


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To fragt nach Buck Konverter und als Antwort ein Link zum 
Schaltnetzteil. Lustig! :)))

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Hehehe schrieb:
> Was ist denn Buck Konverter?
> Nennt man das nicht Schaltnetzteil?

Hehehe schrieb:
> To fragt nach Buck Konverter und als Antwort ein Link zum
> Schaltnetzteil. Lustig!

Merkst du was? Ich schon, und das ist traurig.

von Jens G. (jensig)


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Jan (Gast)

>Jan schrieb:
>> Jens G. schrieb:
>> Tja, aber nicht aus der DGL einer realen Spule ;-)
>>
>> Und da integriert die Spule nicht mehr den Strom?

>Mist, anders Rum. Die Spule integriert die Spannung.

Ich hatte auf das Dreieck angespielt, was zwar annähernd auch real gilt, 
aber nicht exakt (wegen dem immer vorhandenen ohmschen R, wenn man nicht 
gerade Supraleiter nimmt)

von DC/DC (Gast)


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Stefan ⛄ F. schrieb:
> helpme91 schrieb:
>> Habe ich das so Richtig verstanden?
>
> Ja hast du. Die Konsequenz ist: Ohne Last entlädt sich die Spule in den
> Kondensator, dessen Spannung gegen unendlich ansteigt.
>
> Deswegen schalten sich echte Spannungswandler bei überhöhter
> Ausgangsspannung für eine Weile ab. Und deswegen brauchen sie eine
> gewisse mindest-Last, um sauber zu funktionieren.

Im Prinzip ist deine ganze Antwort sehr gut, aber ich denke mit der 
Spannung unendlich liegst Du beim buck converter (Tiefsetzsteller, 
Abwärtswandler) falsch. Es wird sich durch einen Einschwingvorgang eine 
Spannung einstellen, die evtl. höher als die Eingangsspannung ist (sehr 
verlustarme Bauelemente vorraussgesetzt) aber im ohne Last wird die 
Spannung im stationären Zustand maximal gleich der Eingangsspannung sein 
(selbst bei niedrigen Verlusten) und normalerweise ist der Peak der 
einschwingenden Spg. (glaube ich) kleiner als zweimal die 
Eingangsspannung. Einzige Ausnahme, die diesbezüglich vorstellbar wäre, 
dass die Schaltfrequenz so niedrig ist, dass man die Resoanzfrequenz des 
Ausgangsfilters genau trifft (aber diese ist bei sinnvoller Auslegung 
immer deutlich niedriger als die Schaltfrequenz).

Nichts desto trotz hast Du natürlich recht, dass man ein 
Spannungsbegrenzung vorsehen sollte und wenn man andere Wandler wie 
boost oder flyback (Sperrwandler) betrachtet, dann würde hier in der Tat 
die Spannung sehr stark ansteigen (bis etwas explodiert).

Gruß DC/DC

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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DC/DC schrieb:
> Es wird sich durch einen Einschwingvorgang eine
> Spannung einstellen, die evtl. höher als die Eingangsspannung ist

Stimmt, viel mehr kann es nicht werden. Ich habe diesen Part tatsächlich 
mit dem Buck Converter verwechselt.

: Bearbeitet durch User
von Hartmut S. (hsemken)


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Vergiss kurz die "sehr hohe Spannung" und betrachte nur den Strom.

"An Induktivitäten, Ströme sich verspäten".
Will sagen: bei Anlegen der Spannung an die Spule (der Schalter im Bild) 
steigt der Strom in der Spule an - langsam.

Beim Stoppen der Energiezufuhr (Schalter geöffnet) sorgt die Spule 
dafür, dass weiter ein Strom fliesst.
Wenn der nirgends hin kann (offen statt Stromkreis) , dann treten genau 
die berüchtigten hohen Induktionsspannungen auf (mit denen man dann z.B. 
Zündfunken erzeugen kann).
Gleiches gilt, wenn von nirgendwo Elektronen nachgeliefert werden können 
(also auch wieder offen statt geschlossener Kreis)
Das ist der Sinn der Diode: die lässt bei Schalter-offen den Strom in 
die Spule zu, schliesst den Kreis für den Strom.

Der Strom fliesst also weiter und lädt den Kondensator am Ausgang bzw. 
betreibt die Last des Reglers.
Die auftretenden Spannungen ergeben sich einfach aus der Spulengleichung 
u = L * di/dt.
Das macht auch die hohen Induktionsspannung klar, wenn man den 
Stromfluss plötzlich rüde unterbricht, also die Ableitung des Stromes 
di/dt eine massive Spitze hat...

hase

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