Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Step Down Wandler N-Channel - LT Spice


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von Un K. (twinky)


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Hallo Forengemeinde,

ich stehe etwas auf dem Schlauch. Ich habe einen Stepdown Wandler in LT 
Spice gebaut und diesen Simuliert.

Wenn ich diesen in echt nach baue und mein Gate mit PWM ansteuer bekomme 
ich nie eine runter geregelte Spannung. Nun habe ich gelesen das ich 
einen Gatetreiber bräuchte damit ich die Spannung am Gate ca. 5V über 
VIN bekomme.

Warum funktioniert dann die LT Spice Simulation ohne Gatetreiber?

Gruß,
Twinky

: Verschoben durch Moderator
von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Kann ich mal den "echten" Schaltplan sehen?
Wo misst Du da die Ausgangsspannung?

Und wo kommt die PWM her? Das Gate des FET passiv zu entladen 
funktioniert nur bei sehr geringer Schaltfrequenz, nicht bei einem 
Schaltwandler mit 50..100kHz oder wo man sowas üblicherweise betreibt. 
Ich vermute daher, daß Dein FET gar nicht genug Zeit zum Sperren hat, 
das würde den beschriebenen Effekt erklären.

Edit:
Spice nimmt Deine V2 wahrscheinlich als Gate-Treiber mit source und sink 
Fähigkeiten an, damit funktioniert die Schaltung.

: Bearbeitet durch User
von Martin (Gast)


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Ben B. schrieb:

> Spice nimmt Deine V2 wahrscheinlich als Gate-Treiber mit source und sink
> Fähigkeiten an, damit funktioniert die Schaltung.

Nicht nur wahrscheinlich: V2 schaltet von 5 V auf 0 V und umgekehrt. Das 
hat der TO auch so angegeben, mit Anstiegszeiten von 1 ns. Troll?

von Un K. (twinky)


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Wieso sollte ich meine Freizeit mit trollen verschwenden? Ich ersuche 
hier einfach Hilfe.
V2 ist meine PWM Quelle und schaltet deswegen zwischen 0V und 5V (wie 
ein Arduino).

von Audi10 (Gast)


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Und deine reale Schaltung hat ebenfalls pF und pH?

von Un K. (twinky)


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Wo liest du pf und uf?!?

-> 22uH, 47uF

von Mark S. (voltwide)


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Vertausche mal bitte L2 mit R1 und C1 in Deiner Schaltung.

: Bearbeitet durch User
von Audi10 (Gast)


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Un K. schrieb:
> Wo liest du pf und uf?!?

OK, das war ein zu langer Tag.... Sorry.

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Mir fehlt immer noch der Schaltplan des realen Aufbaus.

Hast Du eigentlich ein Oszilloskop?

Ein Pin eines AVR/Ardummino hat nicht genug Bumms um das Gate eines FETs 
mit 50..100kHz (oder was immer Du als PWM-Frequenz genommen hast) zu 
treiben.

von Un K. (twinky)


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Ein Oszi wünsche ich mir zu Weihnachten :-)

Der reale Aufbau ist wie folgt (Anhang).
An PB0 hängt ein Arduino welches gerade PWM ausgibt mit Integrierten 
1,25V für Drain.

edit Ich weiß nicht wer deine Beiträge negativ bewertet, ich bin es 
auf jeden Fall nicht... :/

: Bearbeitet durch User
von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Un K. schrieb:
> Der reale Aufbau ist wie folgt (Anhang).
Was soll das Ding machen?
Warum sehen übliche Buck-Wandler so ganz anders aus?

von Un K. (twinky)


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Meine Last ist 0,6Ohm. Der FET wird über PWM geöffnet und zieht dann die 
Schaltung gegen Masse.
Das bringt mich wieder auf meine Anfangsfrage: Warum funktioniert das in 
LT-Spice? - Deswegen habe ich es ja extra simuliert damit ich gucken 
kann wie es sich verhält.

von Hans B. (baum)


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In der Simulation wird das Gate aus einer Spannungsquelle mit "unendlich 
kleinem" Innenwiderstand umgeladen.
Der Strom kann dann bis zu 5V / 10 Ohm = 500mA erreichen.
Ein Portpin kann und darf so einen hohen Strom nicht liefern! (s. 
Datenblatt)
Erforderlich ist z.B. Ein Widerstand am Port, der den Strom begrenzt und 
nachgeschaltet eine Gegentaktstufe aus 2 Transistoren.

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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> Ein Oszi wünsche ich mir zu Weihnachten :-)
Sowas ist Standard-Ausstattung wenn man mit Schaltreglern bastelt. Muss 
nichts besonders gutes sein, irgendwas mit 10Mhz reicht völlig für den 
Anfang. Es muß nur das Gate-Signal mit vielleicht 100..200kHz gut 
darstellen können, dann würdest Du schon sehen was schiefgeht.

Wie schon gesagt wurde, Du brauchst einen Gate-Treiber. Entweder was 
integriertes oder eine bipolare komplementäre Stufe aus zwei 
Transistoren (1x NPN und 1x PNP), die den Spitzenstrom beim Umladen des 
Gate liefern können. Was da passiert kannst Du Dir in etwa vorstellen, 
wenn Du Dir beim FET einen kleinen Folienkondensator zwischen Gate und 
Source vorstellst.

> edit Ich weiß nicht wer deine Beiträge negativ bewertet,
> ich bin es auf jeden Fall nicht... :/
Das muß keinen stören, ich habe hier mindestens zwei Fans, die mir auf 
diese Weise mitteilen, daß ich ihre volle Aufmerksamkeit genieße. Ich 
empfinde das als Anerkennung wenn mir andere Leute so konsequent dadurch 
ihre Freizeit opfern.

von Un K. (twinky)


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Ben B. schrieb:
>> Ein Oszi wünsche ich mir zu Weihnachten :-)
> Sowas ist Standard-Ausstattung wenn man mit Schaltreglern bastelt. Muss
> nichts besonders gutes sein, irgendwas mit 10Mhz reicht völlig für den
> Anfang. Es muß nur das Gate-Signal mit vielleicht 100..200kHz gut
> darstellen können, dann würdest Du schon sehen was schiefgeht.

Kannst du da eins empfehlen?
Ich hab meine Schaltung gerade umgebaut in eine LowSide Konfig N-Kanal. 
Dort einfach die Spannung über PWM eingestellt. Meine Last ist eh nur 
passiv. Damit hat mein Aufbau hier zumindest problemlos geklappt :-)


Verstehe nicht warum hier viele im Forum so gegeneinander angehen.. Ich 
freue mich jedenfalls über Eure Hilfe! Ist schwierig kundige Elektriker 
zu finden.

von Michel M. (elec-deniel)


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... wäre einfacher zu diskutieren,
wenn die Schaltung so wie hier eingestellt wird ..
mehrere Bauteildateien etc.
... einfach ins .zip Archiv packen ... :-)
Beitrag "Re: Step-Down-Wandler"

von baracusaurus irocesia (Gast)


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Lothar M. schrieb:
> Was soll das Ding machen?
> Warum sehen übliche Buck-Wandler so ganz anders aus?

Na ja, wenn der Schaltmosfet so eines Buck Lowside gesetzt
wird, muß die Diode Highside. Im Grunde eine schön einfache
Möglichkeit, trotz GND-referenzierter Ansteuerung (GND = S)
einen Buck-Converter zu bauen. (Zumindest, wenn man hierbei
auch die restlichen Bauteile richtig platziert... ;) Aber:
Ausgang ist nicht wie beim Schalttransistor Highside, GND
und OUT+ drauf- sondern +V_in und OUT- drunter- gesetzt ---
das kann man so machen, wenn der Ausgang keinen GND-Bezug
benötigt(!). (!: Sichergehen, daß es so ist (und bleibt). !)

(Enth. Infos natürlich für den TO - Du weißt das ja alles.)

von baracusaurus irocesia (Gast)


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Lothar M. schrieb:
> Was soll das Ding machen?

Diese Frage ausführlich zu beantworten (nicht nur bzgl.
der U und I Werte also - sondern auch der Verwendung;
eventuell ausgedehnt auf das gesamte sog. Drumherum)
könnte für "uns" evtl. hilfreich sein, Dir zu helfen,
@twinky. (Dinge wie Potentialbezug sind da enthalten.)

von H. B. (communicator9)


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Sieht man selten dass jemand einen Buck so aufbaut.
Hast du dir die Schaltung selber ausgedacht?
Aber wenn die Last keinen festen Massebezug haben muss, ist das eine 
einfache Lösung.

von Un K. (twinky)


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H. B. schrieb:
> Sieht man selten dass jemand einen Buck so aufbaut.
> Hast du dir die Schaltung selber ausgedacht?
> Aber wenn die Last keinen festen Massebezug haben muss, ist das eine
> einfache Lösung.

Ja, die Schaltung habe ich mir selbst ausgedacht. Sie sollte möglichst 
klein sein und einfach gehalten werden. Nach dem Prototyping auf dem 
Steckbrett würde ich die nämlich gerne bei JLC fertigen lassen.

Ich checke gleich nochmal die Aussage mit den richtig platzierten 
teilen.

Trotzdem schon einmal Dank an Euch!

Gruß,
Twinky

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Die Schaltung ist nichts besonderes, wird gerne bei Stromreglern z.B. 
für LEDs gemacht.

von Un K. (twinky)


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Und wieso wird hier dann von manchen behauptet sie wäre falsch? 
(Zumindest indirekt)?

-Verwirrend...

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Die wollen die Standard-Schaltung mit dem Schalttransistor in der 
positiven Versorgungsleitung vor der Spule und der Diode von der Masse 
zur Spule sehen, so daß man eine massebezogene Ausgangsspannung erhält.

von Michel M. (elec-deniel)


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mit der .asc Datei wäre ich schon ganz zufrieden ;-)

von Klaus R. (klara)


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Un K. schrieb:
> Wenn ich diesen in echt nach baue und mein Gate mit PWM ansteuer bekomme
> ich nie eine runter geregelte Spannung. Nun habe ich gelesen das ich
> einen Gatetreiber bräuchte damit ich die Spannung am Gate ca. 5V über
> VIN bekomme.
>
> Warum funktioniert dann die LT Spice Simulation ohne Gatetreiber?

Un K. schrieb:
> An PB0 hängt ein Arduino welches gerade PWM ausgibt mit Integrierten
> 1,25V für Drain.

Es wurde ja schon erwähnt. Die Spannungsquelle V2 ist einem Ardurino 
Port haushoch überlegen. Was liefert der Port? Welchen Innenwiderstand 
hat der Port?

https://forum.arduino.cc/index.php?topic=30125.msg222147#msg222147
Im Pulsbetrieb - sagen wir mal 50% - kann man aber durchaus mit 40 mA arbeiten, allerdings nicht mit allen Pins gleichzeitig! Auch höhere kurze Strompulse machen den Arduino nicht gleich kaputt...

Also eigentlich 20 mA.
Wird mehr als 20 mA gezogen, dann sinkt die HIGH Spannung deutlich unter 5V ab, bei 40 mA z.B auf 3,5V.

Innenwiderstand
 
Ri = (5 V - 3,5 V) / 40 mA
Ri = 37,5 Ohm

Damit kannst Du einen 2N7002 ansteuern.

https://www.infineon.com/cms/de/product/power/mosfet/12v-300v-n-channel-power-mosfet/irf2204/
https://www.infineon.com/dgdl/irf2204pbf.pdf?fileId=5546d462533600a4015355db560418d6

Der IRF2204 hat eine Input - Kapazität von 5890 pF. Allein dabei macht 
der Arduino Port schon keinen schönen Rechteck.

Aber Du hast ja LTspice. Wir haben Dein ASC - File leider von Dir nicht 
bekommen. Schau Doch mal wie der Gate - Impuls in Deiner Simulation 
aussieht. Der Peek kann locker über 1 A betragen. Stimmt es?

Der Peek sollte beim Arduino unter 40 mA bleiben. Dabei geht die 
Spannung aber schon von 5 V herunter auf 3,5 V. Die Gate Threshold 
Voltage, Gate-Schaltspannung, liegt zwischen min 2 V und max 4 V. Die 
Spannung wäre noch tragbar aber mit 40 mA Peek kann man eben die Gate 
Ladung, Total Gate Charge, nicht schnell genug entladen werden.

Bei solchen Fragen sollte man immer das ASC - File mitliefern.
Dann kann man das Problem sofort besser erkennen.
mfg klaus

von baracusaurus irocesia (Gast)


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Ansonsten kann man nur hoffen, daß Du z.B. auch wirklich
keinen GND-Bezug (z.B. für Regelung (von U und/oder I))
benötigst. Sonst könnten sich Nichtbeantwortungen gewisser
Frage-/Problemstellungen als Grund für ein Umwerfen Deines
Gesamtprojektes (fail, oder noch mal neu) - ganz am Ende...
nach schon erfolgtem Einsatz von Arbeit (und vergangener
Zeit) herausstellen. Ist Dir das klar?

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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> für Regelung (von U und/oder I)
Auch das ist mit der Schaltung kein Problem, man kann sich bequem mit 
einem TL431 und PNP-Transistor das entsprechende Regelsignal von der 
positiven Betriebsspannung holen und auf den Regelkreis geben. Den Strom 
kann man auch im Source-Zweig des Schalttransistors messen falls die 
Eingangsspannung stabil und immer gleich groß ist. Oder eleganter über 
einen galvanisch getrennten Stromwandler.

Viele Wege führen nach Rom.

von baracusaurus irocesia (Gast)


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Völlig richtig, und das war mir durchaus auch bewußt.

Nur könnte nötiger komplexerer Aufbau schon die ganze
Anfangsentscheidung (eben für jenen Lowside Schalter)
über den Haufen werfen. Gibt ja diverseste integrierte
Controller (oder gar Converter*) mit V+/GND Ausgang,
heutzutage sogar viele als effiziente Synchronwandler.

(*: Leistungsschalter monolithisch integriert)

Der "Weg" steht imho in den Sternen, weil ja gar nicht
klar ist, wo das genaue "Ziel" liegen soll/muß hier. :)
Natürlich will ich das Konzept nicht "madig machen"...

von Carlo (Gast)


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K. (twinky) ?!

von ACDC (Gast)


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Ben B. schrieb:
> Die wollen die Standard-Schaltung mit dem Schalttransistor in der
> positiven Versorgungsleitung vor der Spule und der Diode von der Masse
> zur Spule sehen, so daß man eine massebezogene Ausgangsspannung erhält.

JA!

Sowas von Old Old.....

Dann hätte es nie High Side Switches mit N Kanal gegeben ;)

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Ben B. schrieb:
> Die Schaltung ist nichts besonderes, wird gerne bei Stromreglern z.B.
> für LEDs gemacht.
Zeig mal...

Die Schaltung ist schlecht, weil sie einen riesigen Switchnode hat: 
alles, was zwischen Spule und Mosfet-Drain hängt, zappelt wie blöde auf 
und ab. Normalerweise versucht man, diesen Switchnode mistamt seinem 
zappelnden Potential möglichst klein zu machen. Denn dieses Gezappel 
koppelt Störungen aus.

Wenn schon low-side, dann so:
      + --------------o-------o------------------
                      |       |
                      |      ===              Ausgang
                      |       |
                      |       o------------------
                      |       |
                      |       #
                      -       # Spule
               Diode  ^  .... # .
                      |       |   \
                      '-------o    } Switchnode klein halten!
                        ..... | . /
                            |-'  
                     -----| |<.
                            |-|    FET NKanal
                              |
    GND ----------------------'  
Diese Schaltung hat die selben Komponenten wie die des TO, nur anders 
angeordnet.

: Bearbeitet durch Moderator
von baracusaurus irocesia (Gast)


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Lothar M. schrieb:
> Die Schaltung ist schlecht, weil sie einen riesigen Switchnode hat:

Hast recht - Voltwides Post kam ja vor dem wiederum
falschen Plan, und wahrscheinlich sind also die Teile
immer noch falsch gruppiert (falls besagter Plan nicht
nur aus Versehen ein weiteres mal falsch gepostet).

Und: Messung/I_in o. I_out wäre (+)seitig zwar möglich.

Allerdings ist Rückführung des Spannungswertes von der
positiven Betriebsspannung sinnlos - diese ist ja auf
festem Potential (V_in(+) geht an den Ausgang durch).

Wenn, müßte der Spannungswert an V_out(-) praktisch in
den pos. Eingang des Fehlerverstärkers geleitet werden
(Feedback DCgekoppelt), oder v. Teiler über Optokoppler
wie sonst auch in den negativen.

Ganz ohne Regelung müßten Dimensionierung u. Tastgrad
aneinander und die Anwendung angepaßt werden.

Die Frage nach letzterer (also Lastart und Drumherum)
kann ich also nur immer wiederholen...holen...holen. :)

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