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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Step Down Wandler komplett eigenbau


Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Ich habe vor einen Step Down wandler komplett selbst aufzubauen.
Ich schreibs jetzt an den Anfang, damit nicht gleich alle sagen: Nimm 
direkt diesen oder jenen Baustein der kann das alles!
Ich will den Regler komplett mit einem Tiny26 aufbauen und nicht mit 
einem fertigen Reglerbaustein, um dabei etwas über Schaltregler zu 
lernen.
Was der Regler können sollte:
Eingangsspannung: ca 20V
Ausgangsspannung: 12V-5V oder niedriger.
Ausgangsstrom: ca 5A

Ich wollte den Tiny26 nehmen, da er dank PLL einen PWM mit bis zu 250kHz 
erzeugen kann.

Mein aktuelles Problem ist eigentlich: Der SchaltMosFet hängt ja 
zwischen Eingangsspannung, Spule und Ausgangsspannung. Wie stell ich es 
am besten an, dass der Mosfet immer eine Gatespannung (also bezüglich zu 
Source) von 12V hat? Wie baut man eine entsprechende Treiberstufe auf?

Wie dimensioniere ich die Spule? Ich habe nur formeln für Step Up 
wandler gefunden, nicht jedoch für Step Down.

Ausgangskondensatoren hab ich noch hier, von einem Computer SNT, ich 
denke die sollten reichen.

Versorgt werden soll mit dem Step down wandler ein Peltier-Element. 
Deswegen ist schnelles Regelverhalten sekundär, da sich der 
Ausgangsstrom ja nicht schnell ändert. Wichtiger ist, dass der 
Ausgangsstrom wenig ripple hat, da dadrauf Peltier-Elemente allergisch 
reagieren (verringerte Kühlleistung)

Und nein, ich bau das Peltier-Element nicht zwischen meine CPU und 
meinen Kühler ;)

Vielen Dank schon mal ;),
Hauke Radtki

Autor: rene (Gast)
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P-FET und eine NPN- oder NFet Ansteuerung. Fuer den Rest, Tietze-Schenk 
oder sowas.

Rene

Autor: Winfried (Gast)
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Evtl. musst du dir um Fehlverhalten Gedanken machen, wenn der Mosfet zu 
lange durchgesteuert ist, fließen heftig Ströme. Etwas zu lang, und das 
Teil kann kaputt sein. Solche Fehlerfälle nur mit Software abzufangen, 
ist riskant.

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Naja ich denke, den PWM wert vor dem schreiben ins register überprüfen, 
ob er einen minimal/maximal wert nicht überschreitet sollte doch vorerst 
reichen oder? Denn die PWM rennt ja per Hardware weiter, bei reiner 
softwarePWM (die ja sowieso zu langsam wäre) hätte ich da mehr Angst.

Autor: Winfried (Gast)
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Wenn dein Prozessor abstürzt oder irgendwelchen Müll macht - was immer 
mal vorkommen kann - dann hat es sich mit PWM. Auch musst du aufpassen, 
dass im Reset-Zustand der Mosfet ausgeschaltet ist. Es also 
hardwaremäßig entsprechend verdrahten.

Und denk dran, du kannst auch Bugs in deiner Software haben.

Autor: Winfried (Gast)
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Im Wiki hier findest du auch was zu Mosfet-Treiber-IC's:

http://www.mikrocontroller.net/articles/Mosfet-%C3...

Autor: Fabian B. (fabs)
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Sehr gute seite zu allen Fragen was Schaltregler angeht... mit Theorie 
und online berechnung.

http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de/smps/smps.html

Gruß
Fabian

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Ok mit der seite kann man was anfangen ;)

Zum Thema softwarebugs:
Ich werd wohl einfach bei zu großer ausgangsspannung die 
eingangsspannung wegschalten (wie genau muss ich noch gucken aber wird 
wohl irgendwie mit mosfet gehen ... sicherung kommt sowieso rein)

Autor: Michael (Gast)
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Ein Schaltregler mit einem Tiny aufzubauen ist aber schon etwas gewagt. 
Der Mikrocontroller soll einen analogen Regelkreis ersetzen und dazu ist 
schon einiges an Rechenleitung nötig.

Hier mal ein Artikel über den Einsatz digitaler Regler in 
Schaltnetzteilen:
http://elektroniknet.de/index.php?id=2156&tx_jppag...

Aber wieso regelst du das Peltier-Element nicht direkt mit einem PWM-Sig
nal? Wenn ich mich richtig erinnere ist das doch problemlos möglich und 
die Leistung kann dann über das Tastverhältnis eingestellt werden.

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Das Problem dabei ist, dass die wärme in der off-zeit wieder 
zurückfließen kann und dadurch die effektive leistung stark verringert 
wird. Im prinzip ist ja eine PWM eine starke ripple spannung. Irgendwo 
hab ich mal eine Formel gesehen, die beschreibt wie die Effektive 
Leistung vom Spannungsripple abhängt.

Und wie gesagt es kommt ja zu keinen Laständerungen, ich will nur die 
Ausgangsspannung Regeln können (Damit eben das Peltierelement nicht 
immer volle Pulle läuft, wenn es das garnicht muss)

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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@Hauke Radtki:

> Das Problem dabei ist, dass die wärme in der off-zeit wieder
> zurückfließen kann und dadurch die effektive leistung stark verringert
> wird. Im prinzip ist ja eine PWM eine starke ripple spannung. Irgendwo
> hab ich mal eine Formel gesehen, die beschreibt wie die Effektive
> Leistung vom Spannungsripple abhängt.

Die Wärme fließt permanent zurück, das ist in der Tat ein großes Problem 
von Peltier-Elementen, hat aber nichts mit der PWM-Ansteuerung zu tun. 
Das Problem der PWM-Ansteuerung besteht darin, dass der PWM-Strom im 
ohmschen Widerstand des Elementes einen wesentlich höheren Effektivstrom 
verursacht, während der Wärmetransport nur durch den mittleren 
Gleichstrom bestimmt wird. PWM-Strom verursacht also zusätzliche Wärme 
im Element, die zu Lasten des Kühlleistung geht.
Man kann es auch anders formulieren:
Der Gleichstromanteil bestimmt den Wärmetransport und die 
Verlustleistung
Der Ripple-Strom-Anteil erzeugt ausschließlich Verlustleistung.

> Und wie gesagt es kommt ja zu keinen Laständerungen, ich will nur die
> Ausgangsspannung Regeln können (Damit eben das Peltierelement nicht
> immer volle Pulle läuft, wenn es das garnicht muss)

In dem Fall empfiehlt es sich, einen N-Kanal-Logic-Level-MOSFET direkt 
mit dem µC anzusteuern. Der Step-Down-Wandler ist dann einfach 
spiegelverkehrt aufgebaut, d.h. für die dann negative Ausgangsspannung 
ist Deine Betriebsspannung die Masse (dem Element ist das egal wo Masse 
ist).
Das vereinfacht die Schaltung erheblich.

Jörg

Autor: Stefan Gemmel (steg13)
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hab sowas schon gemacht.
Bei Bedarf kann ich die Eagle-Datei posten

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Ja, das wäre nett!

Wozu der Optokoppler beim messeingang? Ein einfacher Spannungsteiler 
sollte doch eigentlich auch funktionieren? Oder wolltest du das ganze 
wirklich galvanisch getrennt aufbauen? Hab zu dem HP3120 gerade auf die 
schnelle nix gefunden was das ist.

Wäre nett, wenn du noch mal eben die Fragen klären konntest ;)

Autor: Enrico (Gast)
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Also ich wär dafür dass er das mal ausprobiert!
Ich selbst hab mir letztens eine Spule gewickelt, ich wollte eine 
relativ hohe Induktivität haben (da ich nur wenige mA Ausgangsstrom 
habe) und ich hab mir einen kleinen Mosfet(N-Kanal) für die ganze Sache 
besorgt.
Eine Treiberstufe hab ich auch schon aus 2x BC547C und 1x 1N4148 
aufgebaut.
(die müsste verdammt schnell sein)

Was mich interessiert ist

Was mach ich wenn das Feld in der Spule schon früher zusammenbricht, 
also bevor ich die Spule(eigentlich den Mosfet) (z.B. bei 100KHz PWM) 
wieder abschalte ?
(Ich weiß schon, noch ein paar mehr Wicklungen hoch auf die Spule)
Aber was würde passieren ?

Ich würde auf Alle Fälle am Ausgang des DC-DC-Wandlers einen 
Überspannungsschutz realisieren. Wenn ich maximal 1,8V haben will dann 
sollte der dann bei 1,9V reagieren. Hab schon eine Idee wie ich das 
mache :)

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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http://www.sprut.de/electronic/switch/schalt.html

Da ist das mit dem lückenden stromfluss beschrieben

Autor: Stefan Gemmel (steg13)
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Hier die Eagle Datei

Autor: Stefan Gemmel (steg13)
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Enrico wrote:
> Was mach ich wenn das Feld in der Spule schon früher zusammenbricht,
> also bevor ich die Spule(eigentlich den Mosfet) (z.B. bei 100KHz PWM)
> wieder abschalte ?

Dann hast du eben einen lückenden Strom.
Einfach ein paar Windungen drauf ... Kern darf nicht in die Sättigung
kommen.
Die Seite von Walter Schmidt wurde ja schon erwähnt.

Meine Schaltung ist voll galvanisch getrennt und eignet sich zum
Experimentieren mit Tiefsetzstellen (war auch als Laborversuch gedacht).

Eine Alternative Ansteuerung sieht so aus wie im Bild

Autor: Enrico (Gast)
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Hat das jemand wirklich schon mal ausprobiert ob das mit 1/2 T_on und 
1/2 T_off klappt ? Also bei 24 Volt aus einem geregelten Netzteil 
bekomme ich dann  mit dieser Methode konstant 12 Volt ?
Hab neulich irgendwo gelesen dass es ohne Regelung (Ausgangsspannung 
messen und T_on / T_off neu einstellen) nicht geht, da sich die Spannung 
dann chaotisch verhält.

Autor: Marco S (Gast)
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Hallo erstmal

Bei tief2.jpg stimmt was nicht. Die 50V von V+ werden über den MOSFET 
gen Masse kurzgeschlossen. Trenne diese Verbindung von Spule/FET zu GND 
und lege GND an V- an, und es gibt einen Buck-Converter. Als Treiber 
würde ich einen High-Side-Driver ala IR2110 o.ä. verwenden. Mit nem 
Tiny26 wird das wohl ein Voltage Mode Teil, d. h. immer Stabilität. Die 
Spule würde ich so groß wie möglich machen (gibt weniger Ripple) und 
dann versuchen, diese per Softwarefilter rauszurechnen.

Aber wenn das Peltier Element wirklich mit ner einfachen PWM klarkommt, 
dann ist das hier mit Kanonen auf Spatzen schießen.

Gruß
Marco

Autor: Stefan Gemmel (steg13)
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Tief2 ist schon OK GND hat nichts mit V+ und V- zu tun, ist lediglich 
Signalmasse.

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Ich habs mal mit PWM probiert. Das Peltier element macht genau garnix 
... wird mit der zeit nur auf beiden Seiten warm, das ist nich das was 
ich brauche ;)

PS: Weiß jemand wie groß die Induktivität von den Spulen aus 
PC-Netzteilen ist? Hab im moment leider keine Möglichkeit zur 
Induktivitätsmessung.

Autor: Stefan Gemmel (steg13)
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ca 20µH primär

Autor: Hauke Radtki (lafkaschar) Benutzerseite
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Das deckt sich so ziemlich mit dem, was ich mit 
http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de/smps/abw_smps.html 
Ausgerechnet habe (21µH)
Denkt ihr ich könnte diese Spule verwenden? hab hier nämlich noch ein 
300W NT, das eine kleine macke hat, und deswegen ausgeschlachtet werden 
will.

Autor: Stefan Gemmel (steg13)
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du weisst aber die Windungszahl nicht.
Solch hohe Schaltfrequenzen erfordern sehr viel Erfahrung.
Du brauchst ein Osszilloskop, das entsprechend schnelle Schaltvorgänge 
noch gut darstellen kann. Dazu eine Strommesszange.
Bestell die lieber einen Kern und wickel nach den Angaben von 
Schmidt-walter.

Autor: Ich (Gast)
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Schau mal hier

Autor: Frank Schubert (Firma: no) (frank_schubert)
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Sorry das ich noch etwas zu dem jpg Bild tief2.jpg fragen muss, (Beitrag 
ist mehr als 6 Monate alt.) Aber ich komme einfach mit der GND Leitung 
nicht klar, wie würde die schaltung aussehen wenn man nur diese 50 Volt 
hätte, also davon auch die Betriebsspannung für den uC bereitstellen 
müsste.

In meinen versuchsaufbau hatte ich zwei Spannungen, einmal über usb zu 
meinen Atmege8 der dann das Gate taktet. Und einmal eine andere Spannung 
15 Volt die ich dann an dem Mosfet angeschlossen habe.

Dabei musste ich aber die Masse vom Atmel an den AusgangsPlus anlegen, 
erst dann ging es. Also das verstehe ich nicht so ganz.

mfg

Autor: Martin Schlüter (led_martin)
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Enrico schrieb:
> Hat das jemand wirklich schon mal ausprobiert ob das mit 1/2 T_on und
> 1/2 T_off klappt ? Also bei 24 Volt aus einem geregelten Netzteil
> bekomme ich dann  mit dieser Methode konstant 12 Volt ?
> Hab neulich irgendwo gelesen

Das funktioniert durchaus, unter der Bedingung, daß in der Spule immer 
Strom fließt. Hat man die übliche Step-Down Schaltung mit Diode auf der 
Eingangsseite der Spule, muß die Last genügend Strom ziehen, sonst wird 
die Spannung höher. Steuert man mit einer Brücke an, also 2 MOSFETS, die 
abwechselnd schalten, funktioniert das unabhängig von der Last. Ein 
solcher Wandler ist dann sogar bidirektional, kann z.B. einen am Ausgang 
angeschlossenen Akku kontrolliert entladen, dabei wird Energie auf die 
Eingangsseite transportiert. Das kann schon mal für böse Überraschungen 
sorgen, wenn auf der Eingangsseite plötzlich die Spannung ansteigt. Bei 
ungeregeltem Betrieb muß man in Kauf nehmen, daß die Spannung, unter 
Last, etwas einbricht, bedingt durch die Verluste in den Bauteilen. Bei 
einer gutmütigen Last, die das Peltier-Element durchaus ist, kann auch 
ein AVR, trotz langsamer A/D-Wandler, das locker ausregeln.

Habe erst neulich einen Step-Up, nach diesem Prinzip, erfolgreich in 
Betrieb genommen, der regelt den Strom durch eine weiße LED, versorgt 
wird aus 2 Zellen NiMh. Controller ist ein ATtiny24, und der läuft nur 
mit 2 MHz, zum Strom sparen.

Mit freundlichen Grüßen - Martin

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