StepDown Regler Eigenbau

[Lord_Luncher]

Hallo Leute,

Es kann sehr gut sein, dass ich mich hier nicht im richtigen Forum befinde, dennoch bin ich der Meinung hier gut aufgehoben zu sein mit meiner Schaltung :-D

Kann und möchte mir jemand sagen, ob die Schaltung im Anhang funktioniert, oder ob ich irgendetwas falsch dimensioniert habe?
Die Schaltung soll mit einem Mhz PWM laufen und einen maximalen Ausgangsstrom von mindestens 17,5 Ampere liefern.
Der Attiny13 soll über den Spannungsteiler die Ausgangsspannung messen, und ggf das PWM Signal anpassen.
Die Bauteile findet man alle bei Reichelt Inkl. Datenblätter.

Habe ich irgend-etwas vergessen?

Vielen Dank!

[rideyourstyle]

Auf die Schnelle und in Betracht der Uhrzeit würde ich sagen der tiny ist zu langsam dafür! Nicht seine Taktfrequenz spielt ein Rolle sonder die Geschwindigkeit des AD-Wandlers ist entscheidender.
Ich würde das mit einem Analogregler mit Operationsverstärker bauen, und die Parameter einstellbar machen. Da alles schön Analog ist kannst du es eventuell Simulieren und den Regler so auslegen. Schau mal bei TI, die bieten gratis eine Variante des Simulationsprogrammes Tina an: "Tina TI", damit sollte das machbar sein....
Kenne deine Bauteile nicht, aber 17.5 Ampere macht man normalerweise nicht einfach so schnell mal! Die Schaltung selbst sollte okay sein. Ich finde aber die Ausgangskapazität ziemlich gross. Willst du damit den Regler "entlasten"?

Gruss

[robocat]

Wie soll der arme Attiny13 denn den Strom herbringen, um das Gate umzuladen? Das wird nicht mal bei 50kHz gehen :( Dass er nicht nachregelt so schnell ist sowieso klar.

[BMS]

Hallo,
bei dem FET gibt es mehrere Probleme:
1. von robocat angesprochen: Der Tiny kann das Gate nicht schnell genug umladen. Es braucht einen vernünftigen Gate-Treiber, v.a. bei diese immens hohen Schaltfrequenz!
2. Der FET liegt an Vcc, der Tiny kann jedoch nur +5V und 0V an das Gate anlegen. Ist Vcc deutlich höher als 5V, wirst du den (p-Kanal) FET nicht mehr ausschalten können.
3. Schau dir die Bodydiode des FETs an: in diesem Fall kann darüber ständig Strom fließen, egal wie der FET geschaltet ist. Da stimmt etwas nicht!
Generell wird das im MHz-Bereich schon alles nicht mehr trivial. Da spielt auch das Layout eine sehr große Rolle, das beginnt schon mit parasitären Induktivitäten der Leiterbahnen. :-k
Warum möchtest du das komplett diskret aufbauen? Es gibt einige integrierte Schaltungen, die dir das abnehmen können (z.B. L4970A für 10A) ;)
Grüße, Bernhard

[ichbinsisyphos]

Funktioniert der MOSFET so? Was da zum Schalten zählt ist doch eine Spannung zwischen Source und Gate, oder (ich hab das selbst nie verinnerlicht)? Traditionell würde man die beiden glaub ich mit einem Widerstand verbinden und die Gate-Source-Spannung verändern, indem man dort einen Strom drüberzwingt. Außer man schließt dass Teil so an, dass Source an Masse liegt, dann kann man mit einer separaten Spannung auch was ausrichten.

Wenn das nicht nur eine Übung ist, wird man wahrscheinlich erstmal die PWM in einen IC auslagern und dann trotz aller guten Vorsätze früher oder später bei einem Schaltnetzteil-IC enden ;) weil die Integration jede Menge Vorteile bringt.

[Lord_Luncher]

Vielen Dank schon mal für die ausführlich Antworten :-D
Also ja stimmt, das mit dem MOSFET wird denke ich auch nicht funktionieren :-( da muss ich mir noch was überlegen...
Wegen dem "armen Tiny": http://opus.haw-hamburg.de/volltexte/2008/527/pdf/thesis.pdf
der Verfasser hat sogar über den Tiny noch einen Step-Up Regler realisiert, also denke ich dass der Tiny für einen StepDown Regler ausreichen wird.
Der AD-Wandler des Attiny13 gibt mit alle 13us eine Wandlung also fast 77k/s
Sollte denke ich reichen, auch wenn es die PWM Frequenz nicht ganz ausreizt.

Den Tiny würde ich gerne verwenden, um die Spannung einfach anpassen zu können.

Das mit der Diode im MOSFET fand ich auch merkwürdig, aber das würde ja keinen Sinn machen, wenn der FET dauerhaft durchschalten würde oder?

Wegen Schaltungs-IC: Ich habe jetzt schon eine ganze Weile im Netz gesucht und finde keinen der passen würde. Ich bräuchte einen Maximalstrom von 17,5 Ampere und eine Ausgangsspannung die ich anpassen kann. Außerdem bin ich ein Fan von digitalen Schaltungen :-D Da darf von mir aus auch gerne mal mit Kanonen auf Spatzen geschossen werden ^^

Ich kann natürlich auch sagen, dass ich eine Schaltfrequenz von 125 kHz nehme. Würde das ausreichen um eine einigermaßen glatte Spannung zu bekommen, ohne gleich Drosseln im mH Bereich verwenden zu müssen? Würde das die Schaltung imens vereinfachen? Die Leistungsverluste werden geringer sein, das ist klar.

Zu der Ausgangskapazität: Ich möchte damit eine möglichst glatte Spannung, auch bei hohen Belastungen bekommen.

Das PWM wird Hardwareseitig vom Tiny erzeugt, kostet mich also keine Rechenleistung.

Ich schau mir mal ein paar Treiber-Bausteine an. Würde nur ungern nen Treiber verwenden, da dann schon wieder was da drin ist, was zum einen die Schaltung etwas komplizierter macht und zum anderen etwas was kaputt gehen kann. Wie sieht es mit LL-Fets aus? Die müsste man doch direkt ansteuern können oder?

Das mit dem Layout ist mir durchaus bewusst, und ich plane die Leiterbahnen auf denen die hohen Frequenzen laufen so kurz wie nur möglich zu dimensionieren. Dazu gehören vor allem die Leitungen zwischen FET und Spule und Ausgangs-Elko und natürlich die PWM Leitung vom Attiny.

Gruß

[Searcher]

Der AD-Wandler des Attiny13 gibt mit alle 13us eine Wandlung also fast 77k/s
Kann nicht sein. Dann müßte de ADC Takt ca. 1MHz sein - geht nach Datenblatt nicht.
Wie kommst Du auf den Wert?

Einschränkung: Geht schon, aber mit welcher Genauigkeit?

Gruß Searcher

[Lord_Luncher]

Bei einer vollen Auflösung von 10 Bit benötigt der ADC 65us, also eine Samplerate von ca. 15kps. Wenn ich die Auflösung reduziere, kann man laut Datenblatt auch eine höhere Frequenz als die 200 kHz für den ADC verwenden. Den wert von 13us habe ich zum einen aus der Summary des Datenblattes, bei der das als minimale Wandlungsdauer angegeben ist und zum anderen steht der Wert in der Bachelorarbeit die ich verlinkt habe.

Was wäre denn deiner Meinung nach eine minimale Samplingrate damit das einigermaßen stabil ist?

[Searcher]

Kann ich leider auch nicht sagen. Hatte beim Tiny25 mit 500kHz ADC Takt selbst bei 8 Bit (ADCH) keine befriedigende Ergebnisse. Kann natürlich auch an meinem Aufbau gelegen haben. Bei unter 200kHz hatte ich bei 10Bit nur noch Schwankungen im LSB.

Wirst wohl ausprobieren müssen aber nicht drauf bauen, das es gut ist.

Gruß
Searcher

[Lord_Luncher]

letztendlich soll ein Blei-Akku geladen werden, und ein paar 6V Glühlampen versorgt werden. Da ist es denke ich nicht ganz so tragisch wenn die Spannung ein wenig schwankt. Hätte aber dennoch gerne ein möglichst gutes Ergebnis.

Was mir auch noch sorgen macht: Die Schaltung wird von einer Gleichgerichteten Spannung aus einer Lichtmaschine versorgt. Wie groß muss ein Kondensator sein, damit ich da eine verwendbare Spannung bekomme und ich den Schaltregler nicht übermäßig strapaziere?
Ich weiß aber auch nicht in welchem Bereich die Frequenz genau liegt. ich würde schätzen min. 60 Hz und maximal 800 Hz .
Ich weiß nicht genau wie viele Magneten im Polrad sind, deshalb kann es auch sein dass das ganze doppelt oder halb so schnell ist...

Ich hoffe einfach dass die Frequenz wurscht ist, da der Regler sowieso schnell genug nachregeln kann (min 15kps)

Gruß
Luncher

[ichbinsisyphos]

In linearer Näherung ist die Brummspannungsamplitude delta U = (delta t/C) * I

delta t ist die Periode des gleichgerichteten Signals 1/Frequenz. Bei Vollweggleichrichtung ist das die doppelte Wechselspannungsfrequenz. Viel Spass beim Stromstärke-Einsetzen ;)

Die Frequenz des Schaltreglers läßt sich viel leichter ausbügeln, da weit größer. Die Schaltnetzteil-ICs die ich mir so angesehen habe arbeiten im Bereich von 50-100kHz, btw. Vielleicht muss man das nicht so arg übertreiben mit MHz.

[Besserwessi]

Für eine Ladeschaltung ist die Spannungsmessung nicht mal unbedingt so kritisch, das wäre es fast wichtiger den Strom zu messen und zu begrenzen.


Nicht vergessen sollte man bei der Schaltung auch die Strombelastbarkeit der Elkos. Bei der Leistung wäre schon wirklich zu überlegen den Regler mit mehr Phasen aufzubauen - das reduziert die Strombelastung für die Elkos ganz erheblich.

[Lord_Luncher]

Danke für deine Antwort :-D Ich werde mich dann mal an einen neuen Schaltplan begeben mit einem anderen MOSFET den ich vielleicht sogar ohne TReiber ansteuern kann.

[Lord_Luncher]

Was heiß nicht kritisch? Das ganze funktioniert doch nur wenn die Spannung gemessen wird oder nicht? Naja der Strom wird durch die Verbraucher begrenzt :-D Sind immerhin immer die gleichen ... Hauptsächlich Ohmsche Lasten in Form mehrer Glühlampen.

Die Strombelastbarkeit der Elkos beträgt i-was um die 3600mA soweit ich das der Reichelt Beschreibung entnehmen konnte. Das sollte reichen oder nicht?

[Besserwessi]

Wenn die Schaltung 17 A am Ausgang liefern soll, wird sie bei etwa 12 V Eingang im mittel rund 10-12 A aufnehmen - der Strom wird so zwischen 0 und vielleicht 20 A schwanken. Das heißt dann fast 10 A als Wechselstrombelastung für den Elko am Eingang. Wie lange da einer mit 3,6 A Belastbarkeit durchhält wird man sehen. Besser wären natürlich Elkos die auch mindestens 10 A vertragen. Für den Ausgang könnten Elkos mit 3,6 A Belastbarkeit reichen - das hängt aber noch von der Induktivität ab. Die im Plan eingezeichneten 118 µH würden wohl reichen: 100 µH mal 6 V gibt einen Stromanstieg von nur 60 mA/µs. Das wären selbst nach 50 µs erst 1,5 A. Die Induktivität dürfte also deutlich kleiner (z.B. 5-10 µH) werden - das macht es auch einfacher eine zu finden die nicht gleich in die Sättigung geht.

Eine Glühlampe ist schon eine etwa Ohmsche Last, ein zu ladender Bleiakku aber nicht. Da ist eine Regelung des Stromes angebrachter als einen Spannungsregelung. Die Spannung stellt sich dann entsprechend des Stromes und Ladezustand des Akkus ein.

Wenn man sich damit noch nicht so auskennt wäre es besser das ganze erst mal kleiner, z.B. für 0,1 oder 1 A zu testen. Dann kommt das mit 100 µH auch etwa hin.

[Lord_Luncher]

klein testen is ja langweilig ^^ da hau ich lieber nen Kondensator mehr dran ^^ ist es so tragisch, wenn man eine zu große (höhere Induktivität) Spule verwendet? Habe gelesen, dass es da keine Probleme geben soll, was ist da dran? Also die Spulen habe ich zufällig nämlich Vorrätig. 4 Stück. Mit einem recht günstigem Multimeter habe ich die Induktivität gemessen, die Beträgt ~0.122mH . Ist auf einem Ringkern gewickelt, vermutlich ein Ring mit Pulver-Inhalt, also kein massiver Ring.
Der Ohmsche Widerstand beträgt ~0.2 Ohm.

Interesse halber: Hat jemand zufällig einen Schaltplan für einen "klassischen" Schaltregler der mind 17,5 Ampere liefert?

Wenn mann mehrere Schaltregler parallel schaltet, ist das doch eher schlecht, weil es zwischen nicht 100 Prozent glatten Spannung zu hohen Verlustströmen kommen kann oder irre ich?
Ich brauche halt eine Schaltung die mir die angegebene Spannung von 6,9V liefert und 17,5 Ampere verkraftet.

wege der Strombegrenzung: Ja könnte Sinn machen, wobei ich eigentlich gehoft habe dass ich das weglassen kann :-D aber vermutlich komm ich nicht drum rum XD Hat so ein Akku beim Laden nicht einen Innenwiderstand?
Strommessung habe ich mich bisher nicht ran getraut, weil ich die Theorie dahinter glaube ich noch nicht ganz gerafft habe. Ist aber auch schon ein Weilchen her dass ich mich damit beschäftigt habe ^^

Gruß
Luncher

[Besserwessi]

Der Innenwiderstand der Akkus ist oft relativ gering. Da müsste man dann schon dafür sorgen das die Spannung beim laden nur ganz Langsam ansteigt, sonst wird der Strom doch zu hoch. Für das Akku Laden kommt man um die Strommessung nicht herum. Auch beim Hochfahren hat man ohne Strombegrenzung ggf. auch Probleme - mit µC ließe sich der Teil allerdings vermeiden.

Das Datenblatt zum LTC3856 wäre mal recht interessant, um zu sehen wie so eine Regler in etwa funktionieren sollte. Der Strom passt da schon, aber die Spannung geht nur bis 5 V. Einfacher wäre ein MAX8676, ist aber nur 1 Phase und hat entsprechend hohen Ströme an den Elkos.

Bei den vorhandenen Induktivitäten ist ernsthaft zu bezweifeln, dass die mehr als 2 A vertragen. Auch 4 der Spulen parallel würde dann noch nicht reichen. Wenn das Kernmaterial passt, könnte man ggf. die Zahl der Windungen reduzieren, oder neu wickeln. Mit den Abmessungen des Kerns und der Zahl der Windungen könnte man den maximalen Strom besser abschätzen. Irgendwann wird die Induktivität auch zu groß - das macht halt auch die Regelschleife langsam.

Ein erster Test mit weniger Strom hat einfach den Vorteil, dass man ggf. noch ohne Gate Treiber auskommt, und kleine Elkos nicht so laut knallen, bzw. weniger Dreck machen. Auch hat man da ggf. noch die Chance das die MOSFETs nicht gleich durchbrennen und Leiterbahnen verglühen.

[Lord_Luncher]

Also die spulen sind mit einem recht dicken draht gewickelt. Hab keine schieblehre, sonst würde ich das eben nachmessen, aber ich habe die damals bei Conrad bestellt mit der Angabe von 16A . Ist zwar ein bisschen zu wenig, aber solche angaben sind in der Regel etwa Angaben oder nicht?

Wenn ich an der bestehenden Schaltung möglichst wenig ändern möchte, was müsste ich ändern damit das mir nicht gleich alles um die Ohren fliegt? Kann man das Gate vielleicht mit einem transistor ansteuern sodass ich das gate ge- und entladen bekomme? Also abgesehn davon dass ich einen anderen Mosfet verwenden muss wegen der komischen diode....

Ich werde mir mal angucken wie das mit einem Shunt läuft um den Strom zu messen...

Gibt es konkrete Empfehlungen für meinen Fall.?

Danke und Gruß
Luncher

[021aet04]

In der Elektrotechnik gibt es keine "in etwa" Angaben. Wenn die Spule für 16A ausgelegt ist, ist sie für 16A ausgelegt und nicht 17A oder 18A oder vielleicht einen anderen Wert.

Einen Fet kannst du direkt vom Gate aus ansteuern, einen integrierten Fettreiber verwenden oder selbst eine Push-Pull Stufe mit einer NPN/PNP Transistor Kombination (findest du im Internet).

Ich würde dir empfehlen klein anzufangen. Außer dir ist egal wenn viel mehr Geld in Material investieren musst weil so viel kaputt geht.

Mfg Hannes

[Besserwessi]

Wenn man den FET auf der VCC Seite haben will, so wie in der Schaltung, braucht man den extra Treiber nicht nur wegen dem Strom, sondern auch als Pegelwandler für die Spannung. Mit einem P-Kanal MOSFET könnte so etwas wie ICL7667 gehen, wenn die Eingangsspannung unter 16 V bleibt.
Mit einem N-Kanal MOSFET wird es komplizierter, denn man braucht eine Spannung über VCC: dafür gäbe es auch extra Treiber (z.B. IR2111), auch wenn man davon ggf. die Hälfte nicht nutzt. Allerdings ist da das Layout nicht ganz trivial. Oder man stellt die Schaltung um, das man die GND Seite schaltet. Der Regler wird dann aber einen Negativregler und hat kein durchgehendes GND mehr. Sofern die Spulen wirklich den Strom vertragen, könnte man den Wandler auch relativ langsam (z.B. 20 kHz) laufen lassen - das kommt den µC und den FETs entgegen, und der wesentliche Nachteil wäre das man halt größere Induktivitäten braucht.

Wie sind denn die Abmessungen der Spulen ?

Kleiner aufbauen ist nicht nur billiger, sondern auch etwas sicherer - bei 10 A fangen dünne Leitungen schon mal an zu glühen, und je größer der Elko, desto mehr Dreck wenn der platzt. Bei weniger Strom fliegt dann auch nichts um die Ohren. Für den Anfang reicht es da auch wenn die Spannungsquelle maximal 0,2 - 1 A liefern kann. Die Elkos / Spule und MOSFETs kann man auch gleich größer auslegen.

[BMS]

Also abgesehn davon dass ich einen anderen Mosfet verwenden muss wegen der komischen diode....
Nur am Rande: Dein p-Kanal-FET ist falsch herum drin, d.h. Source und Drain vertauscht. Beim Umdrehen liegt dann auch die Bodydiode wieder in Sperrrichtung und fällt dann erst mal nicht weiter ins Gewicht.
Grüße, Bernhard