Abwärtswandler mit Z-Diode regeln

[Dominik S. (dominik_s644)]

Hallo zusammen,

ich habe interessehalber ein kleines Projekt gestartet bei dem ich eine 
Spannungsregelung selbst designen möchte, learning by doing mäßig. Weil 
ich aber noch nicht so viel Plan davon habe komme ich leider nicht so 
richtig weiter, weswegen ich hier einmal nachfragen wollte, ob mir 
jemand Tipps geben kann.

Ich möchte einen Abwärtswandler bauen (siehe Anhang), der die 
Eingangsspannung (dargestellt durch C1) auf 14V runterregelt.
Da ich das mit möglichst wenig Teilen machen möchte, habe ich mir 
gedacht, dass ich eine Zenerdiode (D8) nehme an der ich erkenne, ob die 
Spannung am Ausgang (dargestellt durch C2) zu hoch ist und mit diesem 
Signal vllt schon in der Lage bin einen MOSFET o.Ä. zu schalten. 
(Spannung zu hoch -> Schalter aus,Spannung zu niedrig -> Schalter ein). 
An dem Punkt weiß ich aber nicht genau wie das gehen soll, bzw. ob das 
überhaupt möglich ist.

Geht das in irgendeiner Form?

Liebe Grüße

[Michael B. (laberkopp)]

Dominik S. schrieb:
> Geht das in irgendeiner Form

Ja, aber dein Lernweg ist noch weit.

Bei einem diskontinuierlichen step up oder Flyback ist konstruktiv die 
übertragbar Leistung begrenzt. Dort kann man einfach die Z-Diode als 
Verbraucher anschliessen. Nimmt der Verbraucher die Leistung nicht ab, 
wird sie halt in der Z-Diode verheizt.

Das macht man bei ganz geringen Leistungen (Geiger-Müller-Zählrohr 
etc.).

Bei üblichen Schaltreglern gibt es einen feedback Eingang der bestimmt 
ob die Ausgangsspannung erreicht ist. Statt einem Spannungsteiler kann 
man dort auch eine Diode mit Widerstand abbringen, verändert dadurch 
aber die Regelcharacteristik der Strecke. Das kann besser oder 
schlechter werden.

[Jens M. (schuchkleisser)]

Dominik S. schrieb:
> Geht das in irgendeiner Form?

Halb.
In Schaltnetzteilen wird das oft mit einem TL432 gemacht, das ist im 
Grunde auch eine Z-Diode, aber mit sehr viel steilerer Kennlinie.
Wenn die durchlässig wird, leuchtet eine LED in einem Optokoppler, der 
den primärseitigen Wandlerchip einbremst.
Also "Überspannung -> Stop" und "Unterspannung -> Go".

[Dominik S. (dominik_s644)]

Ich habe mir das irgendwie so vorgestllt, dass ich mit der Z-Diode D8 
prüfe ob die Spannung über 14V ist und dann über die BJTs Q1/Q2 einen 
MOSFET ansteuere. Ich habe es zumindest schonmal geschafft, dass wenn 
die Spannung zu hoch ist Q1 zu macht und wenn nicht auf. Ich verzweifle 
aber gerade irgendwie daran, wie ich das Signal jetzt am besten verwerte 
um einen MOSFET zu schalten. Kann mir da jemand weiterhelfen?
Liebe Grüße

[Michael B. (laberkopp)]

Dominik S. schrieb:
> Ich habe mir das irgendwie so vorgestllt,

Man kann alles etwas schlechter als die Konkurrenz machen, aber warum 
versucht man das Rad neu zu erfinden und guckt nicht einfach in der 
üblichen Literatur nach ?

Deine Schaltung ist noch sehr weit von einem step down entfernt, und 
verbraucht schon mehr Bauteile als ein szep down hätte.

[Thomas (kosmos)]

am geläufigsten wird der Feedbackzweig mittels einer TL431 versorgt, 
diese kann man, mittels Spannungsteiler einstellen ab welcher Spannung 
Sie leitend wird und dann sitzt aber noch ein Optokoppler dazwischen 
damit die Sekundärseite galvanisch von der Primärseite getrennt bleibt.

Am bestens du holst dir nen fertigen Stepdown IC und schaust dir die 
Application Notes dazu an.

[Monk (roehrmond)]

Du erwartest offenbar, dass deine Schaltung abwechselnd an/aus schaltet. 
Aber das tut sie nicht. Sämtliche Bauteile sind analog!

Zu einem Schaltwandler gehört ein Oszillator, der üblicherweise eine 
konkrete feste Schaltfrequenz vorgibt. Das fehlt hier komplett.

Kaufe dir ein Lehrbuch zum Thema.

[Jens M. (schuchkleisser)]

Steve van de Grens schrieb:
> Zu einem Schaltwandler gehört ein Oszillator, der üblicherweise eine
> konkrete feste Schaltfrequenz vorgibt.

Das geht auch mit (zwei?) Monoflops und Komparatoren, die die Spule auf- 
und entladen, die Monoflops sind max. Ladezeit und min. Entladezeit, die 
Komparatoren Unterspannung und Spulenüberstrom.

[Dominik S. (dominik_s644)]

Danke erstmal für eure Antworten. Ich habe Elektrotechnik leider nicht 
studiert und versuche mir das mit diesem Projekt ja selber etwas 
anzueignen. Ich habe deswegen auch nur eine grobe Vorstellung wie sowas 
funktionieren könnte und dachte eine Zweipunktregelung sollte analog 
irgendwie umzusetzen sein. Im Internet habe ich leider nur die groben 
Infos gefunden, welche Möglichkeiten es alles gibt um sowas umzusetzen 
weiß ich leider nicht. Das mit dem fertigen IC ist ne gute Idee. Was ist 
denn die übliche Literatur wo man sowas nachlesen kann? Über 
Empfehlungen wäre ich sehr dankbar, dann kann ich der Bibliothek mal 
einen Besuch abstatten.

Liebe Grüße

[Lisa P. (lisapraline)]

Normalerweise macht man das mit einem Leistungshalbleiter (MosFET), der 
als Schalter dient. Dieser wird durch einen Gate-Treiber angesteuert. 
Der Gate-Treiber ist notwendig um den MosFET schnell zu schalten (C_GS, 
C_GD) und die Schaltverluste klein zu halten. Das Gate vom MosFET wird 
mit einem PWM Signal um die 40kHz angesteuert. Je höher die Frequenz 
desto kleiner können L und C ausfallen (geringere Kosten?) desto größer 
aber die Schaltverluste und steiler die Stromflanken (EMV!). Die 
Regelung erfolgt über z.B. einen P-Regler. Die aktuelle Ausgangsspannung 
wird abgegriffen und mit einer Referenzspannung (TL431?) verglichen und 
die Differenz (Regelfehler) mit einem konstanten Faktor k verstärkt. 
Daraufhin wird dieses Signal in einen Komparator mit einer 
Sägezahnspannung verglichen. Das Resultat ist ein PWM Signal, welches 
der MosFET Treiber bekommt um den MosFET zu schalten... Sackt die 
Spannung ab erhöht die Regelung das Tastverhältnis. Der MosFet bleibt 
für eine längere Zeit leitend. Beim Entwurf der PCB ist auf die 
parasitären Induktivitäten zu achten. Diese verursachen Spannungsspitzen 
beim Schalten. Der FET muss beim Schalten übrigens auch die 
Rückstromspitze der Diode leiten. Der C muss LowESR sein. Sonst gibt es 
direkt einen ordentlichen Spannungsabfall am ESR. Der L muss einen Kern 
mit Luftspalt haben damit die B-H Kurve flacher ist und der Kern erst 
bei höheren Strömen in Sättigung geht. Denn der L führt ja generell 
einen größeren Strom.

Literatur zur Leistungselektronik:

Grundkurs Leistungselektronik - Specovius (Deutsch)
Power Electronics - Daniel Hart (Englisch)
Power Electronics - Ned Mohan (Englisch)

[Michael B. (laberkopp)]

Dominik S. schrieb:
> Was ist denn die übliche Literatur wo man sowas nachlesen kann?

https://www.google.com/search?q=keith+billings+switch+mode+power+supply+handbook

Steve van de Grens schrieb:
> Zu einem Schaltwandler gehört ein Oszillator, der üblicherweise eine
> konkrete feste Schaltfrequenz vorgibt.

Na ja, hysteretic step down nutzt die Spule als zeitbestimmendes 
Bauteil.

Dominik S. schrieb:
> Das mit dem fertigen IC ist ne gute Idee.

Was willst du denn bauen, ein Netzteil oder bloss einen step down 
Schaltregler ?

https://www.onsemi.com/download/application-notes/pdf/an920-d.pdf

https://www.ti.com/lit/pdf/slua143

[Michael (Firma: HW Entwicklung) (mkn)]

Dominik S. schrieb:
> der Bibliothek mal
> einen Besuch abstatten.

Wir haben das Jahr 2024.
Die Bibliothek nennt sich 'Internet'

Du bist der blutigste aller blutigen Anfänger, also erstmal lernen wie 
die einfachsten Regelprinzipien aussehen.
Zur Wahl steht da der gute alte Abwärtswandler, auch Buck oder Stepdown 
genannt.
Fangen wir mal auf deutsch an um die Einstiegshürde gering zu halten.
Das sind die grundlegenden Arbeitszyklen:
http://www.sprut.de/electronic/switch/schalt.html#down

Das ist die grundlegende Erzeugung eines Pulsweitenmodulierten Signales 
mit Fehlerkomparator: (Boost, Aufwärtswandler bzw. Stepup, aber 
funktional das gleiche)
http://www.sprut.de/electronic/switch/pwm/pwm.htm

Damit hast Du eine der primitivsten mögliche Regelungen ganz grob 
erklärt.
In leicht veränderter Form in eines der ältesten Schaltnetzteil ICs 
gepackt, dem UC384x:
https://www.ti.com/product/de-de/UC3842

Als integrierter hysteresewandler mit extrem weiter Verbreitung, 
unzähligen Erklärungen, wäre da der MC34063:
https://www.mikrocontroller.net/articles/MC34063

Das sind so die ältesten, primitivsten, am einfachsten zu verstehenden 
ICs mit erschöpfender Literatur breit gestreut im Netz, unzähligen 
Herstellern, Applikationsschriften, Beispielschaltungen, etc.pp.
Datenblatt ziehen, lesen, verstehen, Berechnungen durchführen die dort 
beschrieben sind, in LTspice nachbauen.
Den MC34063 und vieles andere mehr gibts hier:
https://ltwiki.org/index.php?title=Components_Library_and_Circuits

Wichtig für jetzt und alle Zeit:
Schau Dir Simulationen richtig an!
Simulationen brennen nicht, Bauteile gehen nicht kaputt, auch wenn Du 42 
Gigaampere durch einen winzigen Transistor leitest.
Nicht nur wie das Kaninchen vor der Schlange auf die Ausgangsspannung 
starren, sondern alle relevanten Signale und vor allem STRÖME betrachten 
und verstehen.
Ansonsten spare Dir die Arbeit eine Simulation aufzusetzen und züchte 
Tomaten.
Desgleichen wenn Du kein Englisch kannst und auch nicht lernen willst, 
denn Datenblätter und Applikationsschriften sind in Englisch.

Du kannst natürlich mit den primitivsten Grundbauteilen herummachen, 
aber statt dessen sollstest Du dich auf das Funktionale Verständniss 
konzentrieren und integrierte Bauteile verwenden.

Schaltregler können beliebig komplex werden.
Das hier ist nur das Pleistozän längst vergangener Tage zum Einstieg in 
die Thematik. Kleine Leistung, niedrige Frequenz, niedrige Effizienz, 
strunzalte Grundprinzipien.
Fang nicht an mit discreten Bauteilen vermutete Centbeträge sparen zu 
wollen. Moderne integrierte Schaltregler kosten 8Cent und weniger.
Dafür bekommst Du gerade mal zwei Widerstände und eine Diode.

Dominik S. schrieb:
> eine Zweipunktregelung sollte analog
> irgendwie umzusetzen sein
'Sollte Irgendwie' und dann lustig drauflospinseln ist Murks der 
nirgendwohin führt.
Verstehe das Prinzip, schau wie andere das getan haben und versteh 
warum.
Baue nach, spiele mit den Werten, verstehe was passiert.

[Achim H. (pluto25)]

Michael schrieb:
> 'Sollte Irgendwie' und dann lustig drauflospinseln ist Murks der
> nirgendwohin führt.

Oder zu neuen Erkenntnissen und Verständnis führt. Der MosFet könnte 
zwischen C1 und L4. Sein Gate dann von Q1 gesteuert.

[Michael (Firma: HW Entwicklung) (mkn)]

Achim H. schrieb:
> zu neuen Erkenntnissen und Verständnis führt

Also einfach lange genug Bauteile ohne Verstand und konkretes Ziel 
durcheinanderwürfeln und es kommt ein Schaltnetzteil heraus?

[Dominik S. (dominik_s644)]

Wow, das sind ausführliche Antworten, Vielen Dank dafür an alle!

@laberkopp
Ich möchte einen Spannungsregler für eine Lichtmaschine auslegen. Bauen 
möchte ich erstmal noch nichts, sondern wirklich nur auslegen und 
verstehen wie es funktioniert.

@mkn
Ich setze ja nicht ohne Sinn und Verstand irgendwelche Bauteile 
aneinander, ich habe ja ein konkretes Ziel ^^ So wie du gesagt hast, in 
der Simulation mach ich nix kaputt. Und das führt wie @pluto25 sagt zu 
neuen Erkenntnissen und Verständnis.

@pluto25
Danke für den Hinweis, habe ich gemacht und mit Spannungsquelle kriege 
ich es auch geschaltet(siehe Bild). Aber wenn ich ans Gate den Ausgang 
von Q1 dranhänge, habe ich doch zu Source kein definiertes Potential. 
Meinst du das so wie im Bild angedeutet?

[Michael (Firma: HW Entwicklung) (mkn)]

Dominik S. schrieb:
> Ich setze ja nicht ohne Sinn und Verstand irgendwelche Bauteile
> aneinander

Doch, Du tust ziemlich genau das.

[Frank O. (frank_o)]

Hier erklärt jemand an einem Schaltnetzteil sehr schön die Funktion:
https://youtu.be/Hj0NSPcv9x0?si=GssigJNf-dce_AVV

[H. H. (Gast)]

Michael schrieb:
> Achim H. schrieb:
>> zu neuen Erkenntnissen und Verständnis führt
>
> Also einfach lange genug Bauteile ohne Verstand und konkretes Ziel
> durcheinanderwürfeln und es kommt ein Schaltnetzteil heraus?

Oder was ganz anderes. Evolution halt. Braucht aber ziemlich viele 
Versuche...

[Frank O. (frank_o)]

H. H. schrieb:
> Oder was ganz anderes.

Wie viel wurde genau so erfunden?
Diese Klebezettel (PostIt). Das sollte ein neuer Superkleber werden, war 
aber ein Fehlschlag. Dann schmierte jemand das auf einen Zettel und 
klebte den irgendwo dran. Nachdem das mehrere taten, erkannte man die 
neuen Möglichkeiten.

Vielleicht wird es der "Fluxkompensator" und wir alle können wieder 
zurück in die "gute, alte Zeit" reisen.

[Marcel V. (mavin)]

Frank O. schrieb:
> Vielleicht wird es der "Fluxkompensator.

Oder eine "Was-passiert-dann Maschine".

[Monk (roehrmond)]

Dominik S. schrieb:
> Was ist denn die übliche Literatur wo man sowas nachlesen kann?

Ich habe es aus einem Lehrbuch von Siemens gelernt, da kann man aber 
nicht mehr kaufen. Das ganze Buch hatte nur dieses eine Thema.

Nach dem lesen und ein paar erfolgreichen Versuchen wurde mir ziemlich 
schnell klar, dass ich dazu immer fertige IC's verwenden werde. Der 
Aufwand, so eine Schaltung aus diskreten Bauteilen optimal ans Laufen zu 
bekommen ist nämlich enorm.

[Monk (roehrmond)]

Michael B. schrieb:
> Na ja, hysteretic step down nutzt die Spule als zeitbestimmendes
> Bauteil

Deswegen das Wort "üblicherweise".

[Michael (Firma: HW Entwicklung) (mkn)]

Frank O. schrieb:
> Diese Klebezettel (PostIt). Das sollte ein neuer Superkleber werden, war
> aber ein Fehlschlag. Dann schmierte jemand das auf einen Zettel und
> klebte den irgendwo dran.

Nö, da war jemand am Werk mit profunden Kenntnissen der Chemie, der 
verschiedenen Rezepturen probierte, in dem Bewusstsein das nicht jede 
die erwünschen Eigenschaften haben würde.
Das gleiche mit Teflonbeschichtung, Mikrowellen zur Erwärmung von 
Speisen, LSD etc. pp.
In keine Fall war da ein Stümper ohne Plan am Werk, der mal lustig 
irgendwas in den Topf warf und so lange rührte bis irgendwas rauskam.

In jedem Fall war da ein kluger, klar denkender, fachlich versierter 
Kollege am Werk, der beim Test seiner wohlüberlegten Versuche einen 
offenen Geist behielt auch unerwartetes auf seine Eigenschaften zu 
untersuchen.

Was der TO macht ist einfach nur Bauteilbingo.
Der könnte nebenbei die Raumzeit krümmen und Teile ins Parallel 
Universum teleportieren und er könnte das nicht von einer Fehlfunktion 
unterscheiden, weil er blind herumstochert.

Ist wie beim Kochen.
Ich kann blind irgendwas in einen Topf kippen und bei irgendeiner 
Temperatur eine zufällige Zeit kochen.
Mal kackt man sich die Seele aus dem Leib, mal verätzt man sich die 
Geschmacksnerven, mal ist es irgendwie genießbar, manchmal tödlich und 
durch puren Zufall vielleicht auch mal extrem lecker.
U.U. habe ich dabei das Mittel gegen Krebs gefunden und ein Beizmittel 
für Wolframcarbit, aber ich werde es nie herausfinden, weil ich keine 
Ahnung habe was ich da mache und Scheisse nicht von Schokolade 
unterscheiden kann.

Ich weiß nur das das eine Zutaten sind, das andere der Topf und alles 
auf den Herd muss. So 'kochen' Kinder Gestrüpp, Sand und Steine, weil 
sie das Verhalten von Erwachsenen imitieren.
Und auf diesem Niveau bastelt der TO derzeit.

[Dominik S. (dominik_s644)]

@mkn
Deine Antworten sind wirklich hammer geschrieben xD. Und du hast ja auch 
irgendwo Recht damit. Ich habe ein Basiswissen mit dem ich versuche das 
zu bauen, was ich mir vorgestellt habe, und haue in der Simulation mal 
was dahin und was dahin und schau was passiert. Ich habe keine so 
profunden Kenntnisse, dass da direkt das neue Superteil rauskommt, aber 
solange ich auch nur ein bisschen dabei lerne ist es für mich ok.

@frank_o
Danke für den Videotipp, hab ich mir direkt reingezogen und konnte da 
wirklich viel mitnehmen!

Falls sich bei irgendjemandem in nächster Zeit ein Wurmloch auftut, sagt 
Bescheid, dann schick ich den Schaltplan ^^
Aber Spaß beiseite, ich werde mir jetzt erstmal etwas die Literatur zu 
Gemüte führen und mal schauen, ob ich etwas sinnvolles hinbekomme.

[Achim H. (pluto25)]

Dominik S. schrieb:
> Meinst du das so

Ähnlich. Das Gate an den Kollektor. Evt D9 weg lassen und R6 an C1 damit 
der Mosfet wirklich abschaltet.
PS Sollte die Lichtmaschine nicht besser über den Erregerstrom gesteuert 
werden? Nicht das ihre Spannung soweit steigt das sie den Mosfet oder 
ihre Dioden 'brät'.
Oder soll das die Stromversorgung für den Regler werden? Das wäre 
unnötig da die Spannung nahezu gleich der Ausgangsspannung ist? Dann 
können R6 und L4 entfallen, Q1 der Mosfet werden und D9 die 
Erregerwicklung?

H. H. schrieb:
> Evolution halt. Braucht aber ziemlich viele Versuche...
Genau, und bei jedem Fehlversuch steigt das Verständnis

[Michael (Firma: HW Entwicklung) (mkn)]

Achim H. schrieb:
> Genau, und bei jedem Fehlversuch steigt das Verständnis

Der Kluge findet seinen Weg.
Der Weise fragt danach.

Blindes Herumstochern dauert einfach ewig, ist frustrierend und dumm, 
wenn man statt dessen auch geballtes Wissen von Generationen lernen 
könnte, um erheblich zielgerichteter agieren zu können.

[H. H. (Gast)]

Demnächst lässt er sich den Faustkeil patentieren.

[Frank O. (frank_o)]

Dominik S. schrieb:
> Danke für den Videotipp, hab ich mir direkt reingezogen und konnte da
> wirklich viel mitnehmen!

Ich muss auch erst immer das "richtige Buch" für mich finden.
Er erklärt das wirklich richtig toll.
Auf dem Thema habe ich damals einige Zeit drauf rumgekaut.
Bei ihm versteht man das in den paar Minuten.

Weiß gar nicht, ob des K.-H. Buchegger noch gibt, wenn nicht, Gott hab 
ihn selig.
Der konnte alles so einfach erklären, dass ich das sofort verstand, 
während ich mir bei manchen Büchern die Zähne ausgebissen habe.

Hier sind viele, die echt was können. Als erklärter "Hinz-Fan" (ich bin 
eigentlich nicht der Fan-Type), muss ich ihn natürlich auch nennen.
Knapp, präzise und klar. Da bleibt meistens keine Frage mehr offen.
Vor allem, Danke lieber Hinz, er antwortet auch auf deine Fragen.

Letztens erst wieder. Ganz kurz ein "Nein!". Das hatte mir völlig 
gereicht.

[Dominik S. (dominik_s644)]

@pluto25
Ich denke ich habe es so umgesetzt wie du es gesagt hast, aber es 
funktioniert leider nicht. Nur falls es dir nichts ausmacht, wäre es ok, 
wenn du mir das in mein Bild einzeichnest? Ich glaube mein Problem ist, 
dass ich nicht weiß wie ich diesen MOSFET richtig ansteuere.
Es is eine permanenterregte Lichtmaschine, deswegen gibt es leider keine 
Erregerwicklung zum steuern.

[Marcel V. (mavin)]

Frank O. schrieb:
> Letztens erst wieder. Ganz kurz ein "Nein!". Das hatte mir völlig
> gereicht.

Das kommt auf den Sachverhalt an. Ein "Nein" würde mir in manchen Fällen 
nicht ganz reichen. Eine Begründung ist manchmal wünschenswert.

Aber ansonsten finde ich den Herrn Hinz auch ganz gut.

😄👍