Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Aufwärtswandler auslegen


Announcement: there is an English version of this forum on EmbDev.net. Posts you create there will be displayed on Mikrocontroller.net and EmbDev.net.
von Aldo R. (aldorain)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Hallo,

Ich benötige bezüglich einen kleinen Projekt (Solar-leuchte) einen Step 
up converter.

Vin von meinen Boost-Convertert: ~ 2,1 - 2,8 V
Vout soll stromgeregelt sein. Es soll immer 9mA durch die LEDs fließen.

Vout = 0,009mA * 20 Ohm + 3 * (3,2V) [LED] = 9,78V

Der FET(ZXM61N02F) wird über den MSP430G2553 angesteuert, der mit einer 
Systemfrequenz von 6MHz läuft.

Nur habe ich dazu ein paar Grundlegende Fragen, die ich so noch 
niergends gefunden habe:

1) Welche Taktfrequenz ist für einen Hochsetzsteller üblich 
beziehungsweise wäre bei dem MSP430 200KHz noch möglich? Ist es besser 
Niedrigere Frequenzun zu wählen?

2) wie wähle ich die Richtige Induktivität dazu aus?
Formel zum errechnen des Wertes finde ich
(*Quelle: https://home.zhaw.ch/kunr/Elektronik2/Slides/DC_DC.pdf)
Aber finde ich dann die passende Induktivität dazu? Ich dachte an diese 
hier: 
https://at.farnell.com/murata/lqh43cn221k03l/induktivit-t-220-h-10-1812/dp/1515466?ost=1515466
Aber ich habe keine Ahnung ob die passt bzw nach welchen kriterien man 
die Induktivität aussuchen soll?

Wäre dankbar wenn mir hier wer weiterhelfen könnte.
Vielen Dank ;)

: Verschoben durch Moderator
von Gerald K. (geku)


Lesenswert?

Die Anwendung ist relativ unkritisch was die Dimensionierung des 
Wandlers betrifft. Ein Lücken des Wandler über 100Hz spielt keine 
Rolle,weil das Auge viel zu träge ist.
Einzig kritisch, beim Experimentieren, wäre ein zu langes "Aufladen" der 
Induktivität (FET leitend), da die Induktivitat in die Sättigung gehen 
würde und der Strom zu hohe Werte annehmen würde. Daher beim Testen 
statt Akkus einen Labornetzteil verwenden und den Strom begrenzen.

Eigentlich brauchen die Leuchtdioden Strom für den Betrieb. Daher würde 
es sich anbieten die Speicherdrossel als Stromquelle zu benutzen. Man 
könnte auf C7 und auf einen Vorwiderstand für die LEDs verzichten. Der 
Rippel spielt für die LEDs keine Rolle.

Beim Durchschalten des FETs steigt der Strom durch die Speicherdrossel 
an. Die Speicherdrossel wird "Aufgeladen". Wird der FET gesperrt,
 dann entlädt sich die Speicherdrossel über die Speicherdrossel. Die 
LEDs wirken wie Freilaufdioden bei einem Relais. Der Strom, der 
unmittelbar nach dem sperren des FETs fließt ist gleich dem vor dem 
sperren des FETs beim "Aufladen".

Also würde ich den Anschlus 2 des FETs statt direkt auf GND zu legen 
über den Shunt R7 gegen schalten. Damit kann man nicht nur den Strom 
uber die LEDs messen, sondern auch den Strom beim "Aufladen" der 
Speicherdrossel. Die LEDs bekommen Strom nur wenn der FET gesperrt wird. 
Der Vorgang wird so schnell durchgeführt, dass das Auge das Flackern 
nicht mehr wahr nimmt.

Das bedeutet, dass der FET solange durchgesteuert wird, bis der maxmale 
Strom, der später durch die LEDs fließen soll erreicht wird. Der FET 
bleibt dann solange gesperrt, bis der Strom durch die LEDs den 
Minimalwert erreicht hat.

Da die LEDs einen höheren Pulsstrom vertragen kann der Strom erhöht 
werden (erleichtert die Messung des Stromes). Gepulste LEDs haben einen 
besseren Wirmungsgrad. Auch der Verzicht auf C7 erhöht den Wirkungsgrad.

**Zur Dimmensionierung der Speicherdrossel** :

- die Umschaltfrequenz wird mit abnehmender Induktivität größer
- die Speicherdrossel darf beim maximalen Strom nicht in die Sättigung 
gehen, ansonst sinkt der Wirkungsgrad.

**Zur Software** :

Den ADC würde ich über Interrupts steueren und je nach Schaltphase des 
FETs und Strommessergebnis den Zustand des FETs ändern. In großeren 
Zeitabständen kann die Messung der Akkuspannung eingeschoben werden. Ist 
die Versorgungspannung zu klein, dann kann der FET-Umschaltezyklus 
gestoppt  und nur mehr in größeren Abstanden der Akku überwacht werden, 
um eine Tiefentladung zu vermeiden. Zusätzlich kann Strom gespart 
werden, indem der CPU-Takt reduziert wird.

Die Reaktionsdauer für den FET-Umschaltezylus ist kein Problem, da der 
ADC bis zu 200k Messungen pro Sekunde durchführen kann. Vielleicht kann 
man den CPU-Takt generell heruntersetzen.

: Bearbeitet durch User
von Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)


Lesenswert?

Gerald K. schrieb:
> Gepulste LEDs haben einen besseren Wirmungsgrad.
> Auch der Verzicht auf C7 erhöht den Wirkungsgrad.

So ist es nicht ganz richtig.

a) Wenn eine LED einen Leckstrom von 50µA hat und mit 0,1mA Dauerstrom 
betrieben wird, dann wäre natürlich der Wirkungsgrad mit einer PWM, 
Tastverhältnis 25% mit 0,4mA (entspricht einem Durchschnittswert von 
0,1mA) natürlich einen besseren Wirkungsgrad, wenn auf C7 verzichtet 
würde.

b) Befindet man sich aber weit entfernt vom Leckstrom, nimmt mit 
zunehmenden Strom der Wirkungsgrad lm/W ab. Habe eine LED bei 50mA 
120lm/W, 100mA 110lm/W, 150mA 100lm/W, wäre bei einem Rippel, 
dreiecksförmig schwankend zwischen 50...150mA wuerde sich ein effektiver 
Durchschnittwert von rund 106lm/W ergeben. Geglättet mit einem 
Kondensator würden sich 109...110lm/W ergeben.

c) Aber sowohl Drossel, wie auch Kondensator sind keine idealen Bauteile 
und ein Kondensator altert, d.h. verliert seinen Low ESR und vergrößert 
die Verluste. Daher ist es sinnvoll bei der Drossel, dem deutlich 
verschleißärmeren Bauteil nicht zu sparen, d.h. die Induktivität nicht 
zu klein zu wählen. Der Ripple beim nichtlückenden Betrieb wird dadurch 
geringer und auf den Elko kann verzichtet werden ohne Einbußen am 
Wirkungsgrad.

von Gerald K. (geku)


Lesenswert?

Dieter D. schrieb:
> Der Ripple beim nichtlückenden Betrieb wird dadurch geringer und auf den
> Elko kann verzichtet werden ohne Einbußen am  Wirkungsgrad.

Der Lückende Betrieb wird nur durch Kondensator verhindert, da bei 
durchgeschalteten FET die Spannung vor der Schottkydiode kurzgeschlossen 
wird.

Auf der anderen Seite kann aus dem Kondensator nicht viel Energie 
entnommen werden, da der Widerstand der LEDs sehr klein ist und schon 
bei einem geringen Span,ungsabfall die Diden keinen Strom mehr 
aufnehmen.

PS: beim Betrieb mit Speicherdrossel als Stromquelle kann man nicht nur 
auf C7 sondern auch die Schottkydiode verzichten. Ohne Kondensatur gibt 
es bei leitendem FET keinen Entadestrom. Damt steigert sich der 
Wirkungsgrad noch einmal, da es keinen Spannungsabfall auf der 
Schottkydiode gibt.

von MaWin (Gast)


Lesenswert?

Gerald K. schrieb:
> Gepulste LEDs haben einen besseren Wirmungsgrad.

Häh ?

Ammenmärchen.

von ... (Gast)


Lesenswert?

Erstens: Du kannst natürlich einen Step-Up von einem
µC aus betreiben - aber wenn dann würde man schlicht
und einfach Frequenz, (maximalen für Dimmöglichkeit o.
festen ohne diese Möglichkeit) Tastgrad und Drossel so
aufeinander abstimmen, daß der gewünschte Strom entw.
im Mittel eingehalten wird, oder - =konservativer -
nicht überschritten wird (= 9mA Drosselspitzenstrom),
wobei auf einen Ausgangskondensator verzichtet wird,
der Drosselstrom kann und darf natürlich trotzdem nicht
lücken (dazu wird die L hoch genug ausgesucht - hier
wohl ca. im niedrigen einstelligen mH Bereich und mit
nur geringem Strom (dem Spitzenstrom eben) als nötigem
Wert "I_sat" sowie dem Effektivstrom als "I_DC" bzw.
"I_thermisch".

Ist Deine "weiße LED" ein Einzel-Emitter mit rund 4V
Flußspannung, ist so ein Boost-Wandler auch noch recht
effizient - und zur Abschätzung eventueller L-Werte
für bestimmte Frequenz (und bei festen 9mA) könntest
Du einfach diese Seite

http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de/smps/aww_smps.html

nutzen, und dort z.B.: 2(V), 3(V), 2(V) / nächste Zeile:
4(V), 0.009(A), und als Beispiel mal 50(kHz) eingeben,

(was ein MSP430 so "kann", weiß ich leider nicht, aber
ohne nötige Regelschleife - und also bei festem Duty -
sollte eine hochfrequente PWM eher problemlos sein?)

um auf einen Bauteiltrichter zu kommen (C_aus ist dann
bei Dir verzichtbar, Du hast ja eine Konstantstromlast,
bei der sich eine bei Erwärmung noch etwas absinkende
"Flußspannung" ergibt, U_aus konstant halten zu wollen
mittels C_aus ist unnötig).

Zweitens: Sobald Du aber Strommessung mit in betracht
ziehst, führt der dazu nötige Aufwand (Einlesen einer
Spannung R_Shunt via ADC, Digitale Regelschleife) auf
der Stelle dazu, daß ich persönlich nun einen analogen
Controller (mit allem pipapo = mitsamt Regelung sowie
Sicherheitseinrichtungen) als "bessere Option" sähe.

So sehe ich das wirklich, tut mir leid.

von ... (Gast)


Lesenswert?

... schrieb:
> bessere Option

Weil Du auch praktisch jedes Wald- und Wiesen Boost
(=Step-Up) Modul passenden Strom-Spannungsbereiches
über schlichtes Auslöten von C_aus, Ersatz des oberen
Spannungsteiler-R durch die LED sowie Anpassung des
unteren R auf 9mA @ beim IC verwendeter U_Feedback
(womit dieser zum R_shunt wird) zum Strom- anstatt
Spannungsregler umfunktionieren kannst.

von ... (Gast)


Lesenswert?

... schrieb:
> Strom-Spannungsbereiches

Du lieber Himmel: "Strom- und Spannungbereiches"
natürlich!

von Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)


Lesenswert?

Gerald K. schrieb:
> Der Lückende Betrieb wird nur durch Kondensator verhindert, da bei

a) und b) trifft Buck- und Boost-Wandler zu.
Wobei b) für Boost für Lücken, dh kontinuierlich 50mA zu 25% 
Tastverhältnis 200mA Pulse noch ungünstiger wäre.

c) trifft für Buck zu, bei Boost um Differenz von Imax zu Imin gering zu 
halten, bzw. in Kombination mit Durchflussprinzip.

Bei einfachen LED-Wandlern wird nur aus Kostengründen der Kondensator 
und die LED eingespart. Bei einer weißen LED Last von 2,5...3V bring die 
Ersparnis durch Wegfall der Verlustleistung der Diode (0,7V 
Spannungsabfall) nur dann eine Wirkungsgradverbesserung, wenn Imax nicht 
20...30% des LED-Nennstromes übersteigt. Bei drei LED in Reihe spielt 
das keine Rolle mehr.

Gerald K. schrieb:
> Auf der anderen Seite kann aus dem Kondensator nicht viel Energie
> entnommen werden,

Das ist eine Verdrehung des Zusammenhänge. Aus diesem genannten Grunde 
benötigt der Kondensator eine relativ große Kapazität oder zu Last hin 
wird noch eine Glättungsdrossel ergänzt.

von Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)


Lesenswert?

Aldo R. schrieb:
> welchen kriterien man die Induktivität aussuchen soll?

Durchschnitt Last: 10mA, 10V
Input 2V, Durchschnitt 50-60mA

Spule: Imax ca. bis zu 100mA
Dh Spulensättigungsstrom größer 100mA auf dem Datenblatt suchen.

L: Imax als Limit in Ladephasen:
L_min=U/(f*Imax), 2V/(200k*0,1A)=1/10k=0,1mH

von ... (Gast)


Lesenswert?

@Geku:

Übrigens kann (außer bei Buck) und muß (da Frequenz
sowieso viel zu hoch für sichtbaren "Flicker") der
Strom ja nicht durch die LED, sondern die Drossel,
kontinuierlich sein, wenn man vom "kontinuierlichen
Modus" spricht.

Man könnte auch den diskontinuierlichen Modus als
Betriebsart in betracht ziehen... Weil hier nicht
ein ungeregelter Steller aus Festspannung wieder
Festspannung machen soll - was bei festem Tastgrad
und kontinuierlichem Modus eben auch ungeregelte
Gleichspannungssteller können (so lange I_Last
bzw. die Schaltfrequenz bzw. der Tastgrad bzw. die
L hoch genug zur Vermeidung jenes Lückbetriebes).

[Was ich übrigens u.a. deswegen nicht tat, weil
die von mir vorgeschlagene Seite zumindest default
von ΔIL(max., @U_ein(min.)) = 40% ausgeht, also
Wandler im kontinuierlichen Modus dimensioniert.
Allerdings...:]

Welcher Vorteil sollte sich denn hierbei auch aus
Lückbetrieb ergeben? Solch einen sehe ich nicht -
weshalb ich weiterhin den kontinuierlichen Modus
favorisiere.

Des weiteren spricht noch etwas eindeutig _dafür_:

Gerald K. schrieb:
> Gepulste LEDs haben einen besseren Wirmungsgrad.

Der Wirkungsgrad von LEDs ist bei geringerem Strom
prinzipiell höher als bei höherem Strom.

Läßt sich im Gros der LED-Datenblätter bestätigen.

Lustigerweise stimmte aber "besseren Wärmungsgrad"
- da der RMS Stromwert gepulst höher ist, und so
höhere Verluste in sämtl. parasitären Rs erzeugt. ;)


@Dieter:

Danke für die erneute Erwähnung - ich hatte doch
wirklich übersehen, daß es drei Stück seriell sind.

Aber ich würde anders rechnen, mir die Arbeit wie
schon gezeigt von dieser Seite abnehmen lassen..

Als "default" Ergebnis wird mir für U_ein=2V und
U_aus=10V / I_aus=9mA bei 200kHz eine L von 0,5mH
vorgeschlagen; I_max ca. 60mA, I_min ca. 40mA in
der Drossel = durchschn. 50mA würden rund 1µs lang
durch die LED entladen dabei. (Während der vorherg.
4µs Ladezeit flösse halt kein Strom - durch die LED.)


Natürlich geht auch Deine Rechnung, und Du kämest
mit 0,1mH eben auch grade so nicht in Lückbetrieb
(wohl auch "extra" so gerechnet?) - aber wieso Du
Dich mit dem Minimalwert der L bei resultierend
viel höherem Ripple + Spitzenstrom zufrieden geben
wolltest, verstehe ich nicht.

Da könntest Du doch gleich auf Lückbetrieb gehen
(ganz knapp) und wenigsten die harte Umladung der
Sperrschichtkapazität der LED vermeiden so, denn
sehr viel höhere Leitverluste hättest Du kaum zu
erwarten mit bspw. nur 0,08mH oder so - oder?

Oder, so wie ich, die 0,5mH aufgrund niedrigerer
Leitverluste benutzen wollen.

Nicht Fleisch, nicht Fisch? ;)

von Gerald K. (geku)


Lesenswert?

Dieter D. schrieb:
> zu Last hin wird noch eine Glättungsdrossel ergänzt.

Diese ist in der Schaltung nicht vorhanden (siebe ganz oben).
Die U/I Kennline der Leuchdiode ist steil, um viel darf der Kondensator 
entladen werden, damit die Dioden noch vernüftig leuchten?

von Achim S. (Gast)


Lesenswert?

Gerald K. schrieb:
> Diese ist in der Schaltung nicht vorhanden (siebe ganz oben).
> Die U/I Kennline der Leuchdiode ist steil, um viel darf der Kondensator
> entladen werden, damit die Dioden noch vernüftig leuchten?

schon allein der Shunt R9 ergibt mit dem dem Ausgangselko C7 eine 
Zeitkonstante von 200µs. Wenn als PWM-Freuqenz beispielsweise 20kHz 
gewählt werden, wird der Stromripple durch die LEDs gering. Die nicht 
beliebig steile Diodenkennline macht es noch besser.

C8 würde ich aus der Schaltung allerdings rauswerfen.

von Gerald K. (geku)


Lesenswert?

MaWin schrieb:
> Ammenmärchen

<<LEDs können sehr gut mit Rechteck oder Impulsspannungen betrieben 
werden. Das kann die Strahlungsleistung erhöhen und der Effizienzverlust 
ist bei vergleichbarer Betriebsdauer kleiner>>

**Quelle** : https://www.elektroniktutor.de/bauteilkunde/led.html

: Bearbeitet durch User
von ElektroFH (Gast)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Mit gutem Aufwand sollte es gehen, wie schon vorher viele erwähnt hat.

Wenn aber der Aufwand zu viel wird (z.B. wegen Dioden-Charakteristika, 
Kondensator/Induktivität usw Berechnungen und Toleranzen) kann man auch 
low power LED Boost drivers überlegen.
Ich glaube es gibt schon Teile mit 2,1Vin...2,8Vin auf 10V bei 10mA.

Nach kurzer Recherche, ein paar Beispiele gefunden.

von Helge (Gast)


Lesenswert?

Wenn der Mikrocontroller mit 6MHz bei 3V immer durchläuft, wird der 
vermutlich ca. 2mA verbrauchen. Das macht höchstens Sinn, wenn die LED 
nur Gimmick und nicht Hauptfunktion ist.

LED sind als Diode für hohe Schaltfrequenzen nicht so gut geeignet. Da 
spielen Chipkapazitäten und Schaltzeiten eine Rolle. Schaltkreise, die 
für Direktgleichrichtung ohne Schottkydiode ausgelegt sind, haben daher 
eher niedrige Schaltfrequenzen.

Für diese Funktion alleine bietet sich eine Auslegung auf niedrige 
Taktfrequenz an, oder ein fertiger Baustein für diese Funktion.

von Dieter D (Gast)


Lesenswert?

Gerald K. schrieb:
> MaWin schrieb:
>> Ammenmärchen
> <<LEDs können sehr gut mit Rechteck oder Impulsspannungen

Auch im Netz ist nicht immer alles richtig. Der Satz entstammte aus 
einem Vergleich mit Energiesparroehren.

Schaue Dir einfach einmal eine Kennlie lm/W ueber den Strom an, rechne 
nach und dann siehst Du es selbst.

... schrieb:
> eben auch grade so nicht in Lückbetrieb
> (wohl auch "extra" so gerechnet?) - aber wieso Du
> Dich mit dem Minimalwert

Die Grenze ist wichtig zu kennen und einfacher zu ermitteln. An 
irgendeinem Limit muss angefangen werden, um es zu erklaeren.

von Aldo R. (aldorain)


Lesenswert?

Danke für die vielen Antworten.

Da brauche ich noch ein bisschen Zeit um mich überall einzulesen.


Aber was ich generell so herauslese bin ich da besser bedient, wenn ich 
einen fixen IC nehme wie den ZXSC310E5TA
https://de.farnell.com/diodes-inc/zxsc310e5ta/led-treiber-boost-40-bis-85-c/dp/3483179

als LED die hier
https://de.farnell.com/cree/c503d-wan-ccbeb151/led-rund-5mm-weiss-48cd-tht/dp/2839895?st=led%205mm

: Bearbeitet durch User
von Gerald K. (geku)


Angehängte Dateien:

Lesenswert?

Ich habe versucht die Schaltung zu simulieren. Der MPC430 wurde mit zwei 
Komparatoren und ein RS Flipflop simuliert.

Bei der MC Lösung konnen die bei Shunts durch einen ersetzt werden, dke 
Komparatoren durch den ADC, die zeitche Interpretation übernimmf der MC.

- weiße Kurve ist das Ansteuersignal des FETs
- rote Kurve ist der Strom durch die Speicherdrossel
-  grüne Kurve ist der Strom  durch die LEDs

 Bei einem Strom von 100mA aus den Akkus (2800mAh) sollten sich 24h 
Betrieb ohne Sonnenschein locker ausgehen. Wenn ein Analogkanal mit 
einen Fotowiderstand beschaltet wird, kann man die Leuchte bei Tag 
abdrehen und es steht mehr Strom für das Laden der Akkus zur Verfügung.

: Bearbeitet durch User
von Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)


Lesenswert?

Aldo R. schrieb:
> als LED die hier ...

Bei dem Diagramm Fig2, Seite 7, ist schön zu sehen, das bezogen auf 
I=20mA bei 50mA nicht die 2,5fache Helligkeit, sondern nur 1,7fache 
erreicht wird.  Bis 100mA wird die Kurve noch flacher.

Maximum Rating sind 100mA Peak Taktverhältnis max 10%. Bei Dir sind es 
aber bis zu 110mA und 20% Taktverhältnis. Für die Lebensdauer der Dioden 
ist das nicht gerade zuträglich.
D.h. mit 10% Taktverhältnis, liegt der arithmetische Mittelwert bei 
10mA, gegenüber 20mA oder 30mA Maximum Ratings. D.h. in diesem 
Pulsbetrieb muss der Strom bereits auf 1/3 gesenkt werden.

Mit Schottky-Diode und Kondensator entkommt man dem Dilemma.

Übrigens hat Gerald eine schöne Simulation hier gepostet. Die Simulation 
eignet sich auch um mit diesen zwei zusätzlichen Bauteilen zu 
experimentieren.

Eine andere Lösung wäre eine Doppel-Drossel, d.h. mit einer 
Mittenanzapfung zu verwenden.
- Mittananzapfung Mosfet
- Am Ende die LeuchtDioden
Damit würdest Du ein Taktverhältnis von 40% erreichen und kämst mit 
Peaks von 40mA aus.

: Bearbeitet durch User

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.