Hallo, ich habe bisher nur wenig bis keine Erfahrung mit Schaltreglern und würde gerne 2,5 V in 5 V wandeln.
Tendenziell würde ich damit versuchen, einen Raspberry Pi Zero mittels Supercap kurzzeitig zu betreiben. Aber erst mal würde mich interessieren, ob die Spannungsversorgung mit einem Lochrasterplatinenaufbau machbar ist.
Ich habe eine Schaltung mit LM78S40 gelötet, die bei 2,9 V Betriebsspannung einigermaßen stabil bis ca. 200 mA arbeitet. Bei 2,5 V Betriebsspannung bricht die Ausgangsspannung aber schon bei deutlich geringerer Last ein.
Ich hätte folgende Fragen:
Hat jemand Ideen, wie man die Strombelastbarkeit verbessern könnte? (Wären 300 mA zu ambitioniert?)
Macht es prinzipiell Sinn, 2 dieser Schaltungen parallel zu schalten, um mehr Strom liefern zu können?
Bei Versorgung mit Labornetzteil habe ich mit einem Handmultimeter folgende Ausgangsspannungen gemessen:
Ich habe die Gleichungen aus dem Datenblatt S.5 unten "Step-Up" verwendet. Dabei bin ich ausgegangen von
1
Vo = 5V
2
Vi = 2,5V
3
VD = 0,3V (aus dem Datenblatt für die 1N5817 Diode)
4
Usat = 0,45V (von S. 3 ganz unten)
5
fMin = 20kHz (in AN711 S.12 (58) wird mind. 20kHz empfohlen und ton und toff sind so über 10µs)
6
Iomax = 317mA (damit passt der Rsc=0,22 Ω Widerstand gut, den ich zur Hand hatte)
Damit komme ich auf
1
ton/toff = 1,366
2
ton = 29 µs
3
toff = 21 µs
4
CT = 1,2 nF
5
Ipk = 1,5 A
6
Rsc = 0,22 Ω
7
Lmin = 39 µH
Etwas merkwürdig fand ich, dass in AN711 S.12 V_D anscheinend mit negativem Vorzeichen (-1,25V) verwendet wird. (Gleichungen (56) und (61).) Habe ich da etwas noch nicht verstanden, oder ist das ein Fehler?
Die wahrscheinlich interessanten, verwendeten Bauelemente sind:
Ich würde gerne 2,5 V in 5 V wandeln.
Ich habe eine Schaltung mit LM78S40 gelötet, die bei 2,9 V
Betriebsspannung einigermaßen stabil bis ca. 200 mA arbeitet. Bei 2,5 V
Betriebsspannung bricht die Ausgangsspannung aber schon bei deutlich
geringerer Last ein.
Der LM78S40 ist für eine Mindestspannung von 2,5V ausgelegt. Für eine Arbeitsspannung von 2,5V solltest Du dir einen Baustein aussuchen,
der ab etwa 2V funktioniert.
Kannst du uns bitte mal die Schaltung, die du aufgebaut hast, aufmalen? Bei den Reichelt Links hast du nur einen Elko, auf deiner Platine sehe ich 2 unterschiedliche.
Hast du am Eingang einen "dicken" low ESR Pufferelko? Wieviel Strom kann deine Spannungsquelle liefern?
Wenn deine Spannungsquelle zu hochohmig ist und durch deren Innenwiderstand bedingt, unter 2,5V fällt, ist kein definierter Zustand mehr vorhanden.
Wenn der Eingangselko zu wenig Kapazität hat, oder er zu hochohmig ist, siehe Punkt 1
Man kann Schaltregler auch als "Drahtigel" aufbauen, "irgendwie" funktionieren sie meist auch.
Sie dir aber bitte mal von Lothar hier aus dem Forum die Designregeln für Schaltregler an. Man muß nicht alles sklavisch befolgen, aber zumindest ein Gefühl dafür entwickeln, wie sein sein sollte und dem möglichst nahe kommen.
Nächster Punkt, ich spreche da aus eigener Erfahrung, Schaltregler an der unteren Spannungsgrenze mit viel Leistung betreiben zu wollen, als eines der errsten Projekte... na ja... kann funktionieren, muß aber nicht.
An der unteren Grenze ist deren Wirkungsgrad einfach für den Popo. Bei 2,5 oder 3V ist Uf einer Schottkydiode eben nicht mehr zu vernachlässigen, genauso nehmen Schaltverluste zu, weil die Transistoren zwar schon irgendwie arbeiten, aber nicht unbedingt zu 100% leiten.
Da kann es sein, das von beworbenen 92% (bei höheren Spannungen durchaus üblich, dann nur noch 60% Wirkungsgrad übrig bleiben.
Ein hornalter Switcher aus dem letzten Jahrtausend ist zwar gutmütig und als Lernobjekt durchaus gut zu gebrauchen, aber er ist halt kein Effizienzwunder.
Probier doch mal den SX1308. Der hat eine Abschaltung <2V und er schafft bei 3V Eingangsspannung (bei >=2V hab ich es nicht gemessen) 600mA bei 5V am Ausgang.
Sollte bis 5A liefern können. Sie ist zumindest auch nicht in die Strombegrenzung gelaufen. Ich kann aber noch mal nachmessen, dass die Spannung nicht an den Leitungen abfällt.
Probier doch mal den SX1308. Der hat eine Abschaltung <2V und er schafft
bei 3V Eingangsspannung (bei >=2V hab ich es nicht gemessen) 600mA bei
5V am Ausgang.
Danke für den Tip. Aber stefanus hat schon Recht mit meinen Lötstellen. Ich glaube nicht, dass ich gleich mit SMD-ICs anfangen sollte.
Aber erst mal würde mich
interessieren, ob die Spannungsversorgung mit einem
Lochrasterplatinenaufbau machbar ist.
Das kommt auf die Schaltfrequenz an. Bei hohen Frequenzen sicherlich nicht brauchbar. Wegen der Störstrahlung zum Beispiel im Rundfunk- und Amateurfunkbereich, solltest Du Dir Gedanken machen, weil das keine so gute Idee ist. Wenn Du alles in ein HF-dichtes Gehäuse mit HF-Eingangs- und Ausgangsfilter packst, mag das gehen, aber ist ein nicht gerade günstiger Gesamtaufbau.
Bevor ich eine fertige Lösung nehme: Wäre es eigentlich möglich, einen Transformator zu verwenden und den Ausgang mittels Step Down auf 5V zu bringen (wie in der Skizze)? Oder ist das eine noch schlechtere Idee?
Allerdings wäre das in Hinblick auf die Störstrahlung auch nicht besser, oder?
Aber erst mal würde mich
interessieren, ob die Spannungsversorgung mit einem
Lochrasterplatinenaufbau machbar ist.
Na klar geht das, immer auf "dicke" Leitungen achten, dort wo hohe Ströme fließen. Sogar 20A kannst Du auf Lochraster bändigen und wieder raus lassen. Die Lötstellen sollten allerdings "gut" sein. Ich habe immer gerne den Installationsdraht 1,5mm² verarbeitet.
Da wandelst Du zwei Mal und hast zwei Mal Veruste und mußt aus der 2V-Quelle noch höhere Stromstärke ziehen. Also nur gut, um zu beweisen, daß es geht, ansonsten schlechte Idee.
Für den ersten Wandler aus 2V würde man besser zwei FETs im Gegentakt arbeiten lassen, wobei die ansteuernde Schaltung erstmal ihre eigene höhere Betriebsspannung von z.B. 9V aus den 2V generieren müßte, damit das was wird. Dann einen Trafo für Gegentakt verwenden oder selbst wickeln.
Das wäre auf meinem Experimentiertisch dann vorn also ein Ein-Transistor-Aufwärtswandler, dann SG3525, danach ein beliebiger Abwärtswandler, nur als Experimentiermodell. Besser wäre es, den ersten Wandler gleich auf 5V zu regeln.
Nur ein Update:
Ich habe die Spannung am Eingang der Schaltung nachgemessen. Zum Einen zeigt mein Multimeter 30mV weniger an als das Labornetzteil. Und bei höheren Strömen fallen offenbar noch 50mV an den Leitungen ab.
Bei der Schaltung habe ich dünne Drahtstücke durch dickere ersetzt, wo viel Strom fließt. Dabei habe ich auch versucht, den Ausgangs-Kondensator näher an die Induktivität zu rücken.
Die Spule habe ich gegen eine getauscht, die für mehr Strom ausgelegt ist. Allerdings liegt diese mit 330µH schon ein ganzes Stück über den ursprünglich berechneten 39µH.
Allerdings liegt diese mit 330µH schon ein ganzes Stück über den
ursprünglich berechneten 39µH.
Der uA78S40 ist ein diskontinuierlicher Regler der nur mit der berechneten Spule die volle Leistung bringt, sonst nur die Hälfte, man muss die Schaltung auch (mit einem Oszilloskop) überprüfen ob sie so arbeitet, wie berechnet.
Aber er ist sowieso unter 3V nicht mehr in der Lage, was zu schaffen, er verliert 0.3V am shunt, 1V am Schalttransistor, 0.7V an der Diode, spar dir die Mühe.
Du arbeitest hier in einem Spannungsbereich, auf den uralte lötfreundliche ICs wie der 78S40 (eine Variante des 34063A) nicht wirklich gut eingerichtet sind. Und wenn sie gerade noch können, dann mit miesem Wirkungsgrad. Neue können das besser, verwenden aber unfreundliche Gehäuse. Kompromiss ist, geeignete Fertigmodule zu nutzen.
Etwas merkwürdig fand ich, dass in AN711 S.12 V_D anscheinend mit
negativem Vorzeichen (-1,25V) verwendet wird. (Gleichungen (56) und
(61).) Habe ich da etwas noch nicht verstanden, oder ist das ein Fehler?
Wo siehst du es in diesen Gleichungen negativ?
Bei deiner grenzwertigen Eingangsspannung könnte auch die in den Gleichungen der AN711 vernachlässigte Spannung über Rsc eine Rolle spielen. Immerhin gehen da bis 0,3V flöten, was angesichts von 2,5V schon relevant wird.
Das ist eine Funk-Entstördrossel.
Die funktionieren nicht.
Das liegt am Kernmaterial.
Ja, Funk-Entstördrosseln werden so dimensioniert, das sie bei höheren
Frequenzen möglichst hohe Verluste haben. Also das genaue Gegenteil,
was man in einem Schaltnetzteil haben will.
In Gleichung 56 geht es um die Spulenspannungen, und die im Zähler ist die Differenz zwischen der Spannung vor der Diode (Vout + Vd) und der Eingangsspannung, wenn man Vsc vernachlässigt. Insofern wirkt die Gleichung richtig. Sie entspricht auch der Formel in der AN344 von Fairchild von 1978.
Zwischenzeitlich muss bei den diversen Copycats allerdings ziemlich übles Kraut geraucht worden sein, denn nicht nur die Rechnung von TI wirkt sehr weggetreten, sondern auch die Gleichung im Bild, aus:
https://www.soemtron.org/downloads/disposals/ua78s40pc.pdf
Hier ein weiterer Tip:
Ich habe für den Betrieb eines RPiZero 2 (und davor auch 1) einen MP3432 von MPS im Einsatz, um aus einer 18650-Zelle stabil 5V zu machen. Genug Strom kann er, sodass das Thermomanagement nicht allzu ausgefeilt sein muss. Ebenfalls interessant ist der Ruhestrom mit 25uA. Betriebsspannung 0.8V-13V.
Einziges Manko für dich hierbei vermutlich die SMD-Montage.
Hätte zum MP3432 das zugehörige Entwicklerboard abzugeben, falls interesse besteht. Da du schreibst, dass du wenig bis keine Erfahrung hast, wäre das Board vielleicht etwas für dich?
Anbei eine Darstellung meiner finalen Lösung. Das Layout aus dem Datenblatt bzw. vom Entwicklerboard ist unschwer wiederzuerkennen.
Diese Schaltung funktioniert absolut zuverlässig. Auch ich hatte die Ströme, die da bei Last und in Ruhe fließen können am Anfang unterschätzt.
Hätte zum MP3432 das zugehörige Entwicklerboard abzugeben, falls
interesse besteht.
Danke, das ist wirklich nett. Ich will aber noch mal probieren, ob ich nicht doch ohne SMD etwas zusammengebaut bekomme. Auf jeden Fall möchte ich noch mal den DC-DC-Wandler ohne ICs ausprobieren.
Mir fällt gerade ein, spricht eigentlich etwas dagegen, zwei Supercaps als Quelle in Reihe Schalten? Das ist zwar etwas schade, weil sich dann die Gesamtkapazität halbiert.
Aber dann könnte ich einen Spannungsregler verwenden. Womit die Gefahr sinkt, dass das ganze ein Störsender wird.
Wenn du dich mit (offiziell) 3,5V Untergrenze für die Eingangsspannung zufrieden gibst, dann sieh dir ruhig mal den LM2577 an. Der stammt aus der selben Ära, wie dein LM78S40. Der LM2577 ist im TO220-5 Gehäuse, also auch für Grobmotoriker und auf Lochraster handhabbar. Den gibt es zwar nur noch zu Liebhaberpreisen, oder als Second Source aus Fernost, aber der kann bis zu 3 Ampere am Eingang. Ich habe mit dem in 2 Projekten, die ein paar Jahre zurückliegen, aus einer LiPo Zelle 12V gewonnen. Bei 12V etwas über ein halbes Ampere. Das war gut machbar. Ich habe wegen der Laufzeit mehrere 18650 Zellen parallelgeschaltet. Die 3,5V untere Eingangsspannung haben den Vorteil, das du dich nicht um eine Abschaltung bei Unterspannung kümmern mußt. LiPo fängt bei 4,2V voll an und hat die meiste Zeit 3,6-3,7V
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Platine_oberseite.jpg
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Platine_unterseite.jpg
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