Step-Up-Regler / Boost Power Stage

[BMS]

Hi Roboterfreunde,

Nachdem die Anschaffung von DC-DC-Wandlern für mein PIC-Board langsam teuer wird (ca 6€ pro Stück), möchte ich die Alternative Boost-Power-Stage (link zu sprut) ausprobieren.
Als Eingangsspannung kann ich 5V bieten, am Ausgang sollten ca 13-15 Volt bereit stehen (wird man mit einem Poti genau einstellen können - die PICs sind manchmal penibel wenns um Programmierspannung geht).
Ich stelle keine hohen Anforderungen an Wirkungsgrad oder hohe Strombelastbarkeit. Es reicht, wenn am Ausgang 5-20mA möglich sind.

Angenommen, die Boost Power Stage hätte einen Wirkungsgrad von 100 %,
dann müsste die Eingangsleistung gleich der Ausgangsleistung sein.
Pausg=U*I
Pausg=15V*20mA=0,3 W
Peing=Pausg
0,3W=5V*I
I=60mA
Der Strom durch die Spule müsste also mindestens 60mA sein, damit einen Widerstand unter ca 80 Ohm haben.

Soweit die Theorie. Nun hab ich mich mal ran gemacht und eine Boost Power Stage gebaut (ausprobiert). Die Frequenz des AMV (Astabiler Multivibrator, hier als Taktquelle) liegt bei ca 2kHz. Als Schalttransistor (npn) wird ein BC546B verwendet, der hält 100mA aus. Als Spule verwende ich eine kleine Festinduktivität in Widerstandsform (ca 50Ohm). Der Elko ist 22µF groß und ist spannungsfest genug.
Das Problem an der Sache ist nun, dass am Ausgang einfach zu wenig Spannung rauskommt. Hab schon die Frequenz (+Tastverhältnis) geändert, verschiedene Spulen probiert und auch unterschiedliche Elkos - um zu sehen, ob es eine Tendenz gibt (mehr oder weniger Spannung).
Trotz diesen vielen Versuchen ist es mir nicht gelungen, eine Spannung über 5V zu erzeugen.

Mir ist auch klar, dass es nur an folgenden Faktoren liegen kann:
- Frequenz & Tastverhältnis
- Transistor (FET wäre vllt besser)
- Elko
- Diode
- Spule

Ich glaube, dass es an der Spule liegt. Hier einmal ein reichelt-Link
Kann es sein, dass die Spule keinen Eisenkern hat und somit nicht genug Spannung induziert wird (OFF-Zeit) ? Soll ich jetzt eine Spule wickeln oder geht das schon mit diesen Festinduktivitäten in Widerstandsform?

Danke für jeden Tipp / jede Hilfe

Mit freundlichen Grüßen,
BMS

[avion23]

Hallo BMS,
ich habe zur Zeit dasselbe Problem. Allerdings möchte ich eine LED betreiben.
Hast du eine Schottky diode verwendet? Zeig doch einmal den Schaltplan.

Vielleicht hilft dir http://www.b-kainka.de/bastel36.htm

[Javik]

Ich hätte dir nur einen Link mit dem ich mal nen Step Up wandler für bis zu 300V gebaut hab: Man kann die Schaltung mit den eigenen Größen Simulieren lassen:
http://schmidt-walter.fbe.fh-darmsta...smps/smps.html
(ich denk mal du findest den richtigen Typ unter Aufwärtswandler.

zu der Induktivität: es geht bei einer Spule nicht um einen Eisenkern oder nicht. einee Spule hat die induktivität die draufsteht (wie bei reichelt). Wenn du noch einen Eisenkern hinzufügen würde würde sich die Induktivität ändern und auch mehr Strom induziert werden, aber dann wäre es eine andere Spule.

Gruß Javik

[Manf]

@BMS Schön wenn Du die Schaltung berechnest um sie zu verstehen.
Ein kritischer Punkt wird die Energie sein die bei jedem Schaltvorgang in der Spule gespeichert und an den Verbraucher abgegeben wird.
Die Spule darf bei dem Strom der durch sie fließt nicht in die Sättigung kommen.
Der Stromanstieg i/t entspricht U/L.
Manfred

[BMS]

Hi
Erst mal Danke für schnellen Antworten! \/

@avion23: ich verwende eine ganz "normale" silizium-diode 1N4148. hab mal kurz meinen schaltplan mit target gezeichnet. findest ihn im anhang (gif)

@Javik: Danke für die Erklärung und den Link. Mit den Daten Ue=5V, Ua=15V, Ia=0.02A und f=2kHz berechnet es 47.46E-3 = 47*10^-3 = 47mH
Die Induktivität, die ich verwende, ist also zu klein.

@Manf: Meinst du mit Sättigung, dass die Spule nicht genug Energie aufnehmen kann, also zu klein ist, oder ?

Mfg
BMS

[BASTIUniversal]

Hi!
Mir kommen deine 2kHz Schaltfrequenz viel zu niedrig vor, deshalb brauchst du auch eine so große Spule!
Vielleicht probierst du mal ne Frequenz so um die 20kHz und mehr...vllt. kombiniert mit einer größeren Spule.
Wenn die Spule einen hohen Widerstand hat (z.B. 50 Ohm), dann hast du dort ne Menge Verlustleistung...genauso wie dir schon ~ 1,4V am Transistor und der Diode verloren gehen. Wenn du ne kleine Schottkydiode und nen FET einsetzt wird's vielleicht besser.
Bin kein Experte auf dem Gebiet (aber ich hab mich schon mal damit beschäftigt), also keine Gewähr!

MfG

[Manf]

Die Leistung über alles zu berechnen war ja schon mal gut.
Genauso muss aber auch die in der Spule gespeicherte Energie pro Periode die Ausgangsleistung ergeben.
Manfred

[ogni42]

Zu beachten ist:
- Du regelst die Ausgangsspannung nicht.
- T3 Muss möglichst schnell ausgeschaltet werden. Daher sollte R5 nicht allzu groß sein (<1k). Dabei musst Du aber beachten, dass in der einschaltzeit ein Spannungsteiler R4, R5, T3 entsteht, der Dein Puls-Pausen-Verhältnis verändert.

[BMS]

so viele antworten *freu*

@BastiUniversal: jo das kann ich relativ leicht ändern. wenn die frequenz 10x so hoch wird, brauch ich nur ein zehntel der induktivität (laut avion23's link). shottky-diode ... mal schauen ob ich eine da hab; mit fets siehts schlecht aus...nur welche im to220 gehäuse, mit relativ viel leistung (unnötig).
Größere Spule wird schwierig, die größten die ich hab sind 4,7mH. Angenommen, ich schalte 2 Spulen parallel -> dann sinkt doch der Widerstand; Frage ist nur, ob die Induktivität gleich bleibt. Bin jetzt erst in der zehnten Klasse am (allgemeinbindenden) Gymnasium, haben in Physik noch nicht mal den Transistor geschweige denn Induktivität oder Kondensator usw. behandelt - alles vom Vater gelernt oder selber beigebracht - ich kann also nich alles wissen und in sachen Induktivität usw. hab ich wenig Erfahrungen. die groben Grundsätze, z.B. die Induktion bei einer Spule etc. da weis ich schon Bescheid. Aber die ganzen Formeln... Hab mich mal bei Wikipedia ein bisschen schlau gemacht - daher auch untere Formeln. Ansonsten bin ich eher so der Praktische, der ausprobiert. So nach dem motto "Plug and Pray"; halte nich viel von Theorie. Hauptsache es läuft!
<comment>
Entschuldigung für den langen unnötigen kommentar ^^, ein bisschen hintergrundinformation / selbstkritik kann nie schaden.
</comment>

@Manf: Achtung jetzt kommt der große rechenteil

Berechnung der Energie, die in der Spule gespeichert wird, mit den Anfangswerten:
P=W/t ||*t
P*t=W
0,3 W*(1/2000Hz)=W
0,3 W* 0,0005s=0,15mJ

Benötigte Induktivität zur Speicherung der benötigten Energie:
W=0,5*L*I²
0,00015J=0,5*(0,06A)²*L ||*2
0,0003J=0,0036A²*L ||/0,0036A²
L=0,083H=83mH <=> 47mH berechnet von avion23s link
irgendwas stimmt hier nicht
O_o

Berechnungen mit 47mH:
W = 0,5*0,047H*0,036A² = 846*10^-6 = 846µJ <<-ziemlich wenig?
P = W / t = 0,000846J / (1/2kHz) = 1,692 W <-> 0,3W !? kann nich sein
I = P / U = 1,692W / 15V = 112,8mA wäre unnötig viel

irgendwo ist da noch der wurm drin! kann mir mal jemand auf die sprünge helfen, bitte?

@ ogni42: Die Ausgangsspannung wird durch die Zenerdiode begrenzt, man muss den Widerstand entsprechend anpassen; oder willst du darauf hinaus, dass der Ausgangsstrom nicht immer gleich ist und die Spannung so variieren könnte ?
R5 kann ich eigentlich auch weglassen, dann ist R4 Basis-Vorwiderstand für T3. Wenn T1 leitet zieht er T3 relativ stark nach unten und T3 sperrt.

Viele Grüße
BMS

[SprinterSB]

1) Die Energie wird in der ON-Zeit in der Drossel gespeichert. Du rechnest mit 1/f, das entspicht t_ON + t_OFF

2) Bei einer SMPS wird die Megnetfeld-Energie in einem Luftspalt gespeichert und nicht im Ferrit. Das Ferrit dient nur zur Formung des Magnetfelds. Die von dir verwendete L in R-Form ist absolut ungeeignet. Sie hat zudem einen viel zu hohen Widerstand. Ausserdem ist es nicht ausreichend, die Induktivität aus der zu speichernden Energie zu berechnen. Es muss auch sichergestellt werden, daß die Induktivität die Energie überhaupt speichern *kann*. Sonst geht sie in die Sättigung. Du musst also die Drossel auch so wählen, daß ihr W_max nicht überschritten wird. Konkrete Drosseln kann ich dir keine empfehlen; ich wickle selber.

3) Das Tastverhältnis des AMV ergibt sich -- wie aus dem Link zur Uni Darmstadt ersichtlich -- aus dem Spannungsverhältnis U_OUT/U_IN. Zumindest dann, wenn die SMPS in nicht-lückenden Betrieb ist, was anzustreben ist.

4) Die Diode ist nicht so toll, sollte für den Zweck aber tun. An Transistor verlierst du nochmals Spannung an der C-E-Strecke. Nicht unerheblich, da du bei 5V anfängst. Ein FET passt da besser hin, ist aber etwas anders zu treiben, da er wie ober erwähnt schnell geschaltet werden sollte. Der FET kann ruhig überdimensioniert sein, das stört nicht. ZB ein IRFZ 44.

5) Besser als ein AMV ist ein speziell dafür entworfener SMSP-Controller. Ein MC34063 (bei Reichelt weniger als 1€) ist für deine Zwecke voll ausreichend und leicht zu beherrschen. Einen externen Transistor brauchst du dann nicht mehr. Im Datenblatt sind auch sehr hilfreiche Informationen zu verschiedenen SPMS-Topologien, Beispielschaltungen und exemplarische Berechnungen. Oder in den Application Notes AN920 (google "AN920")
Mit so einem Controller hast zu zudem eine Regelung der Ausgangsspannung und wenn du willst eine Strombegrenzung für die Drossel.

http://www.datasheetcatalog.com/data.../MC34063.shtml
http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AN920-D.PDF