OPV + FET als Schaltnetzteil

[-schumi-]

Hallo zusammen,

ich zeichne grad den Schaltplan für mein Netzteil und simuliere fleißig mit LtSpice...

Das ganze soll nach diesem Schema funktionieren:
20059

Links oben habe ich die Formen der jeweiligen Spannungen angedeutet. Das Schaltnetzteil ist da, damit das Linearnetzteil nicht so viel Energie verbraten muss.

Das Linearnetzteil funktioniert in der Simulation auch prächtig: Ein OPV nimmt das Eingangssignal und gibt es aus, damit er auch mehr als 40mA schafft mit FET als Leistungsstufe:
20060
Allerdings schaltet der FET halt jetzt nur so halb durch und darf abfallende Spannung*Strom verbraten...

Deshalb soll davor noch ein kleines Schaltnetzteil, das die Eingangsspannung des Linearnetzteils herabsetzt, damit dieses nicht so viel Energie verbraten muss. Das ist im Prinzip genauso aufgebaut, nur mit einer Hysterese drin, damit der OPV in die postive und negative Settung geht und somit ein Rechteck erzeugt, mit dem der FET dann quasi via PWM immer kurz ganz durchgeschalten wird - er muss kaum Energie verheizen:
20061

Theoretisch funktioniert das zwar. Denn wenn der Kondensator bei der Last voll geladen ist sollte der vermeintliche Komparator ja kurz in die positive Sättigung gehen (FET Sperrt) und somit über D3 Das Potential am Pluseingang um 0,7V (bzw. 1,4V) anheben.

Der Kondensator entlädt sich und somit sinkt die Spannung am Pluseingang. Sobald der Minuseingang dann mehr Spannung hat, geht der OPV in die Negative Sättigung. Jetzt fließt der Rückkopplungstrom nicht mehr durch D3, sondern D2, und zwar in umgekehrter Richtung (Der Strom durch R4/D2/D3 ist gemeint). Also ist die Spannung am Pluseingang jetzt um 1.4V kleiner. Gleichzeitig schaltet der FET durch und der Kondensator lädt sich wieder auf. Irgendwann hat dann der Pluseingang auch den Rückschlag von 1,4V überwunden und er gewinnt (Hat mehr Spannung). Dann geht der OPV in die positive Sättigung und alles beginnt von vorne.


In der Simulation ist der Rückkopplungszweig aber so schnell, dass das ganze quasi ein Verstärker ist. Und deshalb geht wie bei einer normalen Verstärkerschaltung der OPV-Ausgang auch nicht in die positive oder negative Sättigung, sondern stellt sich auf eine Spannung ein, bei der der Widerstand des FETs stimmt. Somit kommt der Ausgang auch nicht in die negative Sättigung (oder wenigstens unter GND) und der Hysteresetrick mit den Dioden funktioniert nicht :-(

Es muss also das Signal vom OPV zum FET oder das vom Rückkopplungszweig verlangsamt werden.

Ein Tiefpass am Ausgang des OPV ist nicht gut:

Der FET wird nicht voll durchgesteuert, sonder wird wieder zum Widerstand
Die Werte für den Tiefpass sind sehr abhängig vom Laststrom (schon simuliert)
Weis jemand eine Lösung? Das währ echt große Klasse :)

Viele herzliche Grüße und vielen Dank schonmal fürs durchlesen ;-)
-schumi-

[ManuelB]

Hallo,
eigendlich ist der OP ja so nicht als Komparator beschaltet sondern eher in Richtung Verstärker/Impedanzwandler mit dem Rückkopplungspfad.
Des Weiteren wöfur ist denn das Netzteil gedacht. Normalerweise würde ich eher einen "richtigen" Buck aufbauen bzw. wenigstens etwas Induktives und eine Freilaufdiode dazu. Einfach mir Komparator solle sich irgendwas einstellen mit je nach Last ändernder Frequenz usw.

MfG
Manu

[-schumi-]

Hi Manuel,

vielen Dank erst mal für deine Antwort :-D




eigendlich ist der OP ja so nicht als Komparator beschaltet sondern eher in Richtung Verstärker/Impedanzwandler mit dem Rückkopplungspfad.
Und darin liegt letztendlich das Problem...


Des Weiteren wöfur ist denn das Netzteil gedacht.
Das Schaltnetzteil ist nur dazu da, das Linearnetzteil zu speißen. Alles zusammen wird dann ein Labornetzteil (0-15V / 1.5A)


wenigstens etwas Induktives und eine Freilaufdiode dazu.
Natürlich kommt das noch dazu, aber ich währ schon froh wenns soweit überhaupt funktionieren würde^^


Einfach mir Komparator solle sich irgendwas einstellen mit je nach Last ändernder Frequenz usw.
Genau so ist es ja gedacht. Wenn die Last größer wird, wird die Frequenz größer, weil der Kondensator öfter wieder aufgeladen werden muss.

Aber ich muss die Spannung am Ausgang des Schaltnetzteils ja irgendwie wieder zurückkoppeln, woher soll der OP sonst wissen, wann er den Kondensator wieder aufladen soll?

Man müsste es irgendwie hinkriegen, dass wenn der OP den Kondensator aufladen will, der gleich mal volle Rotze Strom fließen lässt und den FET quasi übersteuert. Dann kommt ein "Hups, der Kondensator ist aber schon zu voll?!?" und er geht in die positive Sättigung um den FET zu sperren und zu warten bis der Kondensator sich wieder bis zu einer gewissen Spg entladen hat.

Und das würde auch gehen, wenn man das Signal im Rückkopplungszweig verlangsahmen würde. Wenn der Kondensator unter ein bestimmte Spg fällt will der OP ihn wieder aufladen. Jetzt geht er mit der Ausgangspg runter um den FET ein bischen aufzumachen. Er meint aber es passiert nichts weil das Rückkopplungssignal erst verspätet ankommt. Also volle Rotz reingehauen. Bis das Signal, dass der Kondensator schon voll ist ankommt, ist der Kondensator schon überladen. Also geht der OP erst mal in die positive Sättigung um den FET zu sperren und zu warten bis der Kondensator sich hinreichend entladen hat.

Viele Grüße
-schumi-

[ManuelB]

Hallo,
Warum dann nicht einen "richtigen" Komparator halt ev. mit Hysterese (sind, wenn ich mir die ApNote vom LM393 anschaue deutlich hochohmiger in der Rückkopplung des Komparators.
Die Induktivität verzögert ja prinzipiell auch die Spannung am Ausgang (ripple auf der Ausgangsspannung) Die Rückkopplung geschieht ja nach der Drossel. Oder halt was bauen mit fester PWM Frequenz, geht auch diskret (also mit Logik- und Analogbausteinen)
Ich hatte auch mal einen kleinen mit variabler Frequenz gebaut, hat mir aber nicht wirklich gefallen, weil das teilweise bis in den hörbaren Bereich ging.

Mfg
Manu

[-schumi-]

So wies aussieht hab ich jetzt die Lösung: Ein Tiefpass im Rückkopplungszweig.

Wie man sieht wird der FET mit einem schönen Rechteck angesteuert, und der Ausgang schwingt schön mit den +-0.7V der beiden Dioden um die vorgegebene Spannung:
20064


Warum dann nicht einen "richtigen" Komparator halt ev. mit Hysterese (sind, wenn ich mir die ApNote vom LM393 anschaue deutlich hochohmiger in der Rückkopplung des Komparators.
Falls das ganze in der Praxis scheitern sollte, werd ichs wohl so machen ;-)
(Im Moment OPs, weil ich die grad rumfliegen hab^^)

Alles zusammen funktioniert jetzt schon recht gut, nur das Linarnetzteil schwingt grad wie sau... Werd mir da wohl noch was überlegen müssen ^^

Viele Grüße und vielen Dank
-schumi-

[Besserwessi]

Damit das ein Schaltnetzteil wird, fehlt noch die "Freilaufdiode, damit der Strom durch die Induktivität auch nach dem Abschalten des MOSFETs kontorlliert weiter fließen kann. Die Hysterese der Schaltung ist auch noch reichlich groß (durch die Dioden bestimmt) da hat man also reichlich Rippel am Ausgang.

[ManuelB]

Mit Komparator geht aber auch ;)
http://666kb.com/i/bx1yqt1xdeytyu09v.jpg

MfG
Manu

[-schumi-]

Damit das ein Schaltnetzteil wird, fehlt noch die "Freilaufdiode, damit der Strom durch die Induktivität auch nach dem Abschalten des MOSFETs kontorlliert weiter fließen kann.
Ok, ist eingebaut.
http://dl.dropbox.com/u/19005544/Bilder/RN/Netzteil2-done.png



Die Hysterese der Schaltung ist auch noch reichlich groß (durch die Dioden bestimmt) da hat man also reichlich Rippel am Ausgang.
Ich hab noch Germaniumdioden rumfliegen, die werd ich hernehmen.

Aber anscheinend funktioniert das ganze auch ohne Hysterese und nur mit dem Tiefpass ganz gut:
http://dl.dropbox.com/u/19005544/Bilder/RN/netzteil3.png
(http://dl.dropbox.com/u/19005544/Bilder/RN/netzteil3.png)Ich frage mich blos, warum er erst nach so langer Zeit ins schwingen kommt...


@Manu
Welche Aufgabe hat denn R3 bei dir? Und warum die vielen Transistoren? Damit du die Kapazität beim FET schneller laden und entladen kannst?

Viele Grüße
-schumi-

[PICture]

Ich frage mich blos, warum er erst nach so langer Zeit ins schwingen kommt...

Weil dafür muss die (Rausch)spannung in positiver Rückkoplung die Hysterese überwinden. Für schnelles Anschwingen könnte man eine zeitabhängige Hysterese probieren. ;)

[ManuelB]

Hallo,
wenn Du mit R3 den Widerstand vom Komparatorausgang nach +5V meinst, der ist nur drin, weil ich meistens den LM393 als Komparator verwende und der keinen Push-Pull Ausgang hat. Der braucht dann noch einen Arbeitswiderstand. Die vielen Transisoren sind tatsächlich eigendlich nur für dass schnelle Ansteuern. Also Push-Pull (spannungsfolger) niederohmig am Gate, Levelshift um von 5V Komparatorausgang auf 15V Gatespannung zu kommen und eine invertierende Stufe. Ich war zu faul um ins Datenblatt des LT zu schauen und bei der Bezeichnung µPower war ich mir nicht ganz sicher, ob der für 15V geeignet ist und niederohmig schaltet. Daher auch der vorsichtshalber Arbeitswiderstand.
Hätte man auch alles in der Schaltung testen können, dafür war ich aber auch zu faul ;)

MfG
Manu

[PICture]

Wenn jemand nicht Faul ist, findet einfachste Lösung nie (aus eigener Erfahrung). Man darf nur nicht zu Faul sein eigene Faulheit anzuerkennen. :p

[-schumi-]

@Picture:
Und wie bekomm ich eine zeitabhängige Hysterese hin? Der Spannungsverlauf sieht für mich so aus, als ob nicht sichergestellt ist, dass das ganze anschwingt...

@Manuel
Ok, alles klar :-D

[PICture]

Es tut mir leid, aber ich kenne mich mit simulierten Schaltungen nicht aus. In realer Schaltung würde ich mit Ausgangspannung (Schwingungen) einen spannungsabhängigen Widerstand bzw. Schalter (z.B. Transistor bi- bzw. unipolar) entsprechend steuern, dass die Histerese nach Einschwingen (ohne Hysterese) gewünscht gross wird. :(

[Besserwessi]

Damit so eine Schaltung besser anschwingt kann man ggf. eine zusätzliche Spannungsquelle mit einem Rechtecksignal nach z.B. 1 ms einbauen, z.B. als Ersatz für den Spannungsteiler am Eingang. Je nach Schaltung dauert das Einschwingen aber einfach seine Zeit.

[PICture]

Das ist eine sehr gute Idee: einfacher Startgenerator ("Anlasser", wie bei Autos), der nach Einschwingen abgeschaltet wird. :D

[-schumi-]

Ok. Ich glaub ich machs folgendermaßen:

Das ganze kommt ja an nen µC (Atmega32 oder sowas). Der bekommt dann an einen Ausgang einen R von 1k. Der legt dann an den +Eingang des OPs kurz ein Rechteck an um das ganze in Schwung zu bringen und schaltet dann auf Eingang (hochohmig)

Ich mach mich dann mal ans Schaltplanzeichnen mit KiCAD. Werd ihn hier hochladen wenn er fertig ist :-D

[PICture]

Genau, ohne Ausprobieren geht es kaum. ;)

[-schumi-]

Sodalare,

einmal als skalierbare SVG-Grafik:
http://dl.dropbox.com/u/19005544/Bilder/RN/Netzteilv01.svg
und klassisch als PNG:
http://dl.dropbox.com/u/19005544/Bilder/RN/Netzteilv01.png
(http://dl.dropbox.com/u/19005544/Bilder/RN/Netzteilv01.png)
Was mir im Moment noch sorgen bereitet:

die 7815+7915 müssen aus 12V*Wurzel(2) = 16,9V irgendwie 15V erzeugen... (mal simulieren inwiefern das hinhaut)
Die Werte für das RC-Glied (R4:1 und C4:1 relativ weit unten links) sind bis jetzt nur geraten...
Das Schaltnetzteil zeigt seit neuestem in der Simulation heftige Oszillation, da muss ich mir noch was einfallen lassen...
Aber ansonsten glaub ich sieht das ganze schon ganz gut aus...

Viele Grüße
-schumi-

[ManuelB]

@PICture

Da mein Arbeitsrechner kein Internet hat (was ich auch gut finde ;) ) hätte ich mir halt erstmal ein Spice Modell eines anderen Komparators oder ein Datenblatt des in LTSpice vorhandenen herunterladen müssen, auf USB Stick verbannen und dann zu meinem Rechner schleppen müssen um es dort einzufügen oder eben in meine Datenblattsammlung zu packen um es dann durchlesen zu können. Insofern war es für mich ein einfacherer Weg vom Schlimmsten mir bekannten auszugehen und eben ein paar Transistoren und Widerstände dazu zu packen ;)

MfG
Manu

[Besserwessi]

Der "Schaltnetzteil" Teil hat noch ein recht gemächliches ausschalten des FETs. Das gibt vermutlich noch relativ große Verluste am FET.

Die Spannung für die +-15 V Regler wird noch nicht reichen. Die 7815 brauchen wenigstens 17 V, besser 18 V um daraus stabile 15 V zu machen. Dafür sind 12 V AC einfach zu wenig, denn da gehen auch noch die Diodenspannung am Gleichrichter ab, und die Spannung am Elko fällt bei belastung halt doch etwas ab. Schließlich ist auch durch die vielen schlechten Schaltnetzteile die Netzspannung oft nicht mehr so Sinusförmig und entsprechend trifft der Faktor Wurzel 2 die Sache nicht mehr so ganz.

Bei den FETs hätte ich zum Teil noch bedenken, dass die maximale Gatespannung überschritten wird.

[-schumi-]

Der "Schaltnetzteil" Teil hat noch ein recht gemächliches ausschalten des FETs. Das gibt vermutlich noch relativ große Verluste am FET.
Das heißt, ich sollte es wie Manuel mit Transistoren am Gate des FETs machen? Würde es auch reichen, wenn ich den 10k Widerstand (R3:4) durch einen mit 1k ersetze?

Ich glaub ich ersetz die 7815/7915 durch einstellbare Spannungsregler, dann kann ich sehen wie weit ich raufgehen kann, ohne dass die zu oszillieren anfangen.

Zu der maximalen Gatespannung: Da muss ich erst noch nachlesen wie/was/warum... Aber ich schätze das wird sich auf Zenerdioden mit Vorwiderständen oder sowas rauslaufen...

Viele Grüße und vielen Dank
-schumi-

[PICture]

Das mit den Spannungen für 7815 stimmt. Wenn man den Netztrafo nicht auswechseln könnte, müsste man versuchen "low drop" Spannungsregler zu finden oder ohne stabilierten Spannungen leben, falls sie nicht unbedingt nötig sind.

[Besserwessi]

Der OP ist schon nicht besonders schnell. Da könnte es schon reichen, wenn man den Widerstand etwas kleiner macht. Es hängt aber auch vom FET und den Ansprüchen ab. Je schneller man schaltet, desto leichter bekommt man auch HF Störungen und muss mehr mit dem Layout aufpassen.

Die Spannung für den Schaltregler sollte man besser nicht erst über den Regler schicken, also vor dem 7815 abgreifen. Wegen der Aussteuerung sollte dann auch der OP mit dieser Spannung laufen. Nur für die OPs braucht man eigentlich auch keine super stabile Spannung.

[Besserwessi]

Die linearregeler Stufe hat auch noch ein Problem: durch den P-MOSFET als Ausgangselement bezieht sich die Gate Spannung auf die Spannung an Source und das ist hier die Ausgangsspannung des Schaltreglers. Dadurch überträgt sich die Restwelligkeit des Schaltreglers recht stark auf den Ausgang, ggf. sogar verstärkt !. Bei der Kombination Schaltregler und Linearregler dahinter sollte man wirklich besser den Linearregler klassisch mit einen Transistor als Emitterfolger aufbauen. Der hat eine viel bessere Unterdrückung vom Rippel aus der Stufe davor.

[-schumi-]

Sorry dass ich gestern nicht mehr geantwortet hab - einfach zu wenig Zeit :-(

Ok, ich werde den Eingang des Schaltnetzteils direkt nach dem Glätter mit der Versorgungsspannung verbinden.


Der OP ist schon nicht besonders schnell
Ich hätte hier noch 3x LP324N von Pollin (4 OPs pro Chip). (Datenblatt: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet2/2/051ds1wdkpe6ck06ykd2z8gc8j3y.pdf )

Slew Rate: 50V/ms = 0.5V/µs
Zum Vergleich: CA3140: 9V/µs

Der sollte langsam genug sein^^


Dadurch überträgt sich die Restwelligkeit des Schaltreglers recht stark auf den Ausgang, ggf. sogar verstärkt !
Nachdem ich kurz nachgedacht hab (^^), check ich was du meinst -> FUCK

N-Mosfet kann ich nicht nehmen, weil der sich irgendwann selbst sperrt, weil er sich auf die Spannung bezieht, die er ausgibt...

Oh mann - So ein Mist...

Jetz währ ich für Lösungsvorschläge echt dankbar^^ Das Schaltnetzteil wird man wohl leider nicht allzu gut stabilisieren können (Mal davon abgesehen, dass das Linearnetzteil dann überflüssig ist^^)


Bei der Kombination Schaltregler und Linearregler dahinter sollte man wirklich besser den Linearregler klassisch mit einen Transistor als Emitterfolger aufbauen. Der hat eine viel bessere Unterdrückung vom Rippel aus der Stufe davor.
Sorry, aber da kann ich dir jetzt nicht ganz folgen...


Vielen vielen herzlichen Dank, dass ihr euch so viel Mühe gebt :-D
-schumi-

[PICture]

Hallo!


Das Schaltnetzteil zeigt seit neuestem in der Simulation heftige Oszillation, da muss ich mir noch was einfallen lassen...

Das ist doch der Prinzip von Schaltnetzteilen, oder möchtest du einen analogen Schaltnetzteil bauen ?

Übrigens, ich habe bisher in keinem Schaltnetzteil langsame OPV's gesehen. ;)

[-schumi-]

Ups, ich meine das Linearnetzteil schwingt recht heftig^^

Naja, ich spar mir dann die Transistoren. Und da danach noch ein Linearnetzteil kommt muss das auch nicht super schnell nachregeln oder nur eine sehr geringe Brummspannung haben.

Allerdings macht grad das von Besserwessi angesprochene Problem mit dem P-Mosfet einen Strich durch die Rechnung...

[PICture]

Danke für deine Berechtigung, weil ich leider vom haus aus sehr genau bin. :D

[Besserwessi]

Für den Schaltregler sollte man schon einen eher schnellen OP nehmen. Selbst der CA3140 ist noch nicht so besonders schnell von der Slew rate. Zum Schalten braucht der MOSFET etwa 2-3 V an Spannungshub. Das wären dann bei 9 v/µs etwa 1/5 - 1/3 µs allein durch den OP. Wobei die 9 V/µs hier vermutlich nicht erreicht werden, weil das Signal am Eingang eher klein ist. Der Schaltreglerteil ist aber auch nicht unmöglich langsam, es geht also, wenn auch mit ein paar Zusatzlichen Verlusten. Dafür spart man sich aber auch einige der HF Störungen.

Die Klassische Linearreglerschaltung nutzt als Leistungselement einen NPN Transistor, bzw. Darlington Transistor. Die Spannung an der Basis muss man dazu um etwa 0,7 bzw. 1,4 V höher einstellen, als man es am Ausgang haben will. Ein Beispiel wären z.B. die Schaltungen mit dem schon fast antiken LM723. Man muss es ja nicht mit genau dem IC machen, aber das Prinzip ist bewährt und im Datenblatt erklärt. Das mit der Stabilität gegen schwingen ist gar nicht so einfach, weil ein Labornetzteil bei praktisch jeder Last stabil sein soll. Es gibt dazu aber einiges an Erklärungen, z.B. für Operationsverstärker, Audioverstärker. Von der Mathematik ist das vielleicht nicht so einfach, aber die Frage nach Stabilität einer Regelschleife braucht man öfter mal - das lohnt sich also zu verstehen. Für die Stabilitätsanalyse ist die Simulation schon ein sehr hilfreiches Tool, aber man sollte auch die Theorie dazu verstehen.

In der einfachsten Ausführung sollte man dafür sorgen, dass genau 1 Tiefpass 1. Ordnung die Bandbreite der Regelschleife begrenzt. Oft kann man das so machen, dass man erst zu sieht die Regelschleife recht schnell zu entwerfen. Dabei sollte nur an einer Stelle eine wirkliche Spannungsverstärkung auftritt (diese Regel hat die Schaltung mit dem P-MOSFET schon verletzt). Diese eine Stelle macht man dann so langsam, dass auch da die Verstärkung auf etwa 1 zurückgeht, wenn die nächste Bandbegrenzung einsetzt.

Um die unbekannte Last am Ausgang zu umgehen, schaltet man an den Ausgang einen kleinen Widerstand (z.B. 1-5 Ohm) mit einem Kondensator (z.B. 100 nF) in Reihe. Damit hat man bei den interessanten Frequenzen wo man sonst leicht Schwingungen bekommt eine definierte gutmütige Last.