Schaltregler

6.4 Schaltregler

Dieses Thema ist in Vorbereitung. Offensichtlich schon etwas länger, denn dieses Thema ist für den Hobby Bereich knifflig:

Vorteile

  1. Die Theorie dazu ist im Internet reichlich nachzulesen.
  2. Es gibt viele Applicationen, besonders in den Datenblättern der Hersteller.
  3. Schaltregler haben einen guten Wirkungsgrad.

Nachteile

  1. Es werden viele Störungen auf der Versorgungsspannung erzeugt, deshalb ist der Einsatz im Bereich der Messtechnik nicht besonders von Vorteil.
  2. Es ist fast unmöglich, im Handel die passenden Spulen zu bekommen. In den Läden, die dem normalen Menschen zur Verfügung stehen, bekommt man in der Regel nur die Standard Induktivitäten ( in Widerstandsform), Funk-Entstördrosseln und Stromkompensierende Drosseln. Also sehr kleine Spulen, aus denen nur sehr geringe Leistung entnommen werden kann, oder riesige Klötze, aber mit Sicherheit nicht die Spulen, die in den Datenblättern angegeben werden.
  3. Die Spulen müssen also selbst hergestellt werden. Passende Spulenkörper zu bekommen, ist aber genauso schwierig.

6.4.1 Welligkeit der Ausgangsspannung

Bild 1: LC-Filter

Übertragungsfunktion des Filters

Wechselspannung am Ausgang

Der Spitzenwert der Ausgangsspannung liegt bei 0,5 Pi

Effektivwert der Ausgangsspannung

Die Welligkeit der Ausgangsspannung

Berechnung der Ladekondensators mit folgenden Annahmen:

Ue = 10V, Ua = 5V, f = 50kHz, L = 2,5mH, w=10-3

6.4.2 Störunterdrückung (Ripple noise)

Eine Störunterdrückung durch einen RC-Filter kommt nicht in Frage, da der Spannungsabfall über den Widerstand lastabhängig ist und dadurch die Ausgangsspannung in Abhängigkeit des Ausgangsstromes wieder schwanken würde. Deshalb spielt auch der interne Widerstand des Kondensators eine Rolle (ESR = Equivalent Series Resistor). Er sollte so klein wie möglich sein (so um 50mOhm). Da das Angebot im Handel für den Hobby Bereich sehr begrenzt ist, kann eine Verkleinerung des ESR auch durch eine parallelschaltung von Kondensatoren erreicht werden. Das Verhalten im Hochfrequenten Bereich kann durch eine Parallelschaltung von keramischen Kondensatoren erreicht werden (so um 47nF).

Eine Alternative ist ein LC-Filter 2.Ordnung mit einer Flankensteilheit von -40dB/Dekade. Ist die Eckfrequnz des Filters um den Faktor 10 kleiner als die Schaltfrequenz des DC-DC Wandlers, werden die Störungen um den Faktor 100 unterdrückt. Ist z.B. C = 47µF dann ist

Zu beachten ist, das die verwendete Drossel für die auftretenden Ausgangsströme geeignet sein muß, da die Magnetmaterialien nicht in die Sättigung gehen, sonst kann die Filterwirkung nicht aufrecht erhalten werden.

In der Regel ist festzustellen, das die berechneten Werte nicht erreicht werden. Die Ursache liegt in den Leitungen und Drähten, die immer über Induktivitäten und Kapazitäten verfügen. Es ist generell zu empfehlen, mit Masseflächen zu arbeiten, da sie über geringere Widerstands- und Induktivitätswerte verfügen.

Eine effektive Art der Störunterdrückung (besser als ein LC Filter 2. Ordnung) ist ein nachgeschalteter Linear-Spannungsregler. Um die Verluste klein zu halten sollte ein Low-Drop-Out-Regler benutzt werden. Die Höhe der Ausgangsspannung des DC-DC Wandler muß dann natürlich um die nötige Spannungsdifferenz hoch gesetzt werden.

Bild 2: Schaltplan für 5V/50mA aus zwei Akkuzellen.

Bild 3: Aufgebaute Schaltung

Bild 4: Spannungen an Punkt M1 und M2

Bild 5: Spannungen an Punkt M3 und M4

Bild 6: Störspannungsspitze an Punkt M4

Weitere Untersuchungen müssen jetzt noch zeigen, wie stark dieser Störimpuls auf der Referenzspannung Einfluß auf die Genauigkeit des ADC hat. Es ist jedoch zu vermuten, das bei einer Abtastfrequenz die um ein mehrfaches kleiner ist als die Schaltfrequenz des DC-DC-Wandler dieser Impuls fast keine Auswirkung hat.

Bild 7: Wirkungsgrad des DC-DC-Wandler

Bild 8: Ausgangsspannung an M2

Der Wirkungsgrad des DC-DC-Wandlers ist mit 70% nicht gerade umwerfend.

Bild 9: Layout

Layout der Schaltung, mit der diese Messungen durchgeführt wurden. L1 wurde irgendwo ausgebaut. Die Spule L2 besteht einem Ferritkern FT37-43 mit 19 Windungen Kupferlackdraht von 0,4mm Durchmesser.

 Bild 10: Selbstgewickelte Spule

Layout für Sprint-Layout 4.0 (Hinweis)

6.4.3 Induktivität ermitteln

Praxisformeln für Abwärtsregler

Praxisformel für Aufwärtsregler

Uout = Ausgangsspannung
Uin = Eingangsspannung
Iout = Betriebsstrom der zu versorgenden Schaltung
f = Schaltfrequenz des DC-DC Wandlers

Anhand der berechneten Werte kann man sich für einen der Normwerte entscheiden. Generell kann man sagen das eine größere Induktivität zu kleineren Ripplestrom-Werten und eine kleinere Induktivität zu höheren Ripplestrom-Werten führt.

Für die Auswahl der Drosseln sind noch folgende Parameter zu beachten:

Für Abwärtswandler:

Für Aufwärtswandler:

Kernmaterial für Drosseln bei Schaltfrequenzen < 100kHz: Eisenpulver oder Ferrit.

Kernmaterial für Drosseln bei Schaltfrequenzen > 100kHz: Ferrit.

6.4.4 Berechnung der Windungszahl

Da fertig gewickelte Ringkernspulen nicht so ohne weiteres zu bekommen sind, kann man sie sich auch selber wickeln.

6.4.4.1 Ferritkern

   

N = Anzahl der Windungen
L = Gesuchte Induktivität in mH
A(l) = Wert aus folgender Tabelle in 1000Wdg/mH

Kern

63/67

61

43

77

FT-23

7,9

24,8

188,0

396

FT-37

19,7

55,3

420,0

884

FT-50

22,0

68,0

523,0

1100

FT-82

22,4

73,3

557,0

1170

FT-114

25,4

79,3

603,0

1270

Die Kerne mit dem Material 43, 61 und 77 sind bei Reichelt verfügbar.

Die Windungen sollten gleichmäßig auf dem Kern verteilt sein.

Die Windungen müßen stramm gewickelt sein.

6.4.4.2 Eisenpulverkern

   

N = Anzahl der Windungen
L = Gesuchte Induktivität in µH
A(l) = Wert aus folgender Tabelle in 100Wdg/µH

Kern

0

2

6

10

12

T 12

 3,0 20,0 17,0 12,0

7,5

T 16

 3,0 22,0 19,0 13,0

8,0

T 20

 3,5 25,0 22,0 16,0 10,0

T 25

 4,5 34,0 27,0 19,0 12,0

T 30

 6,0 43,0 36,0 25,0 16,0

T 37

 4,9 40,0 30,0 25,0 15,0

T 44

 6,5 52,0 42,0 33,0 18,5

T 50

 6,4 49,0 46,0 31,0 18,0

T 68

 7,5 57,0 47,0 32,0 21,0

Farbcode der Kerne

Mehr Informationen zu den Ringkernen gibt es unter http://www.amidon.de/amidonstart.htm