Ripple am Ausgang eines DC/DC-Wandlers glätten

[Moppi]

Hallo,

ich habe heute mal mein Mini-Oszi angeschlossen, um mir Störungen vom Gleichstrommotor anzusehen. Dazu habe ich aber zunächst geschaut, was ein nahezu unbelasteter DC/DC-Wandler ausgibt. Es sind doch recht gut sichtbare Spitzen, bis 15mV, in dem Fall. Am Eingang sind es 11.9V, am Ausgang des Wandlers habe ich sehr genau 5V eingestellt. Ein Elko unterdrückt die Spitzen, im Bereich 58kHz. 100µF, 220µF, 470µF habe ich ausprobiert. Praktisch jeder Elko glättet bekannterweise die Spannung. Am besten funktioniert hier aber ein 470µF. Wobei das auch eine ganz ordentliche Größe ist. Auf einen Siebwiderstand wollte ich verzichten, eben wegen dem Widerstand und dann auch wegen der Leistung, die dort evtl. drüber abgenommen werden müsste. Deshalb habe ich mir das nur mit Elko angeschaut. Kommt noch ein Lastwiderstand dazu, sollte sich die Ripplespannung weiter verringern.




Nachtrag:

Also die 50kHz bleiben. Wenn ich einen Motor anschließe, kann ich zwar mit 1000 bis 4700µF die Spannung glätten, aber die 50kHz-Spitzen bleiben drin, teils gehen die bis 100mV. Mit Belastung des DC/DC-Wandlers scheint sich das zu verstärken.

Bei dem DC/DC-Wandler handelt es sich um einen 150kHz-Wandler LM2596.

MfG

[Siro]

Hallo Moppi,

die gemessenen 15mV sind jetzt nichts ungewöhnliches und auch nicht so viel.
Den Ausgangselko unendlich zu erhöhen bringt irgendwann leider nichts mehr.

Mit zunehmender Last spiegelt sich vermutlich die Schaltfrequenz des Converters immer mehr auf deinem Ausgangssignal,
das tut den Motoren aber normalerweise nicht weh bei 50 bzw. 150 KHz.

Wenn man das Signal ruhiger bekommen möchte wird gerne eine Kombination aus Spule und Kondensator genommen, siehe Bild.



Und WICHTIG: Für Schaltanwendungen ist generell ein sogenanter "LOW ESR" Kondensator vorzuziehen.

--- Hinweis, Schwingneigung bei geringer Last:
Ich hatte auch Probleme mit meinem L2576S
Hierbei stellte ich fest, dass er bei sehr kleinen Lasten schwingt.
Durch Austausch des Kondensators mit einem geringeren ESR am Ausgang konnte das Problem weitestgehend behoben bzw. verbessert werden.
Ich hatte eine Frequenz von 56KHz gemessen.

Meine Analogelektronik ist davon aber nicht betroffen, da aus den +5 Volt vom DC Converter ein nachgeschalteter Längsregler
die benötigten 3,3 Volt für die Analogelektronik erzeugt.

Zusätzliche Maßnahme um das Schwingen bei geringer Last zu verringern:
Es wurde in meiner Schaltung ein zusätzlicher Parallelwiderstand über die Spule vorgesehen.
Durch einen parallelen Widerstand zur Spule konnte die Schwingung bei geringer Last verringert werden.
Hierbei zeigte sich in meiner Schaltung ein 1K über die Spule als sehr hilfreich.
Verschlechtert sicherlich den Wirkungsgrad etwas, aber das war in meinem Falle unwichtig.

vorher nachher
---

Aber selbst bei LOW ESR gibt es Unterschiede siehe hier:


Siro

[Moppi]

Hallo Siro,

Mit zunehmender Last spiegelt sich vermutlich die Schaltfrequenz des Converters immer mehr auf deinem Ausgangssignal

So ist es. Habe den Motor bis zum Stillstand gebracht und mir das angeschaut, was bei zunehmender Belastung passiert. Habe schon 4700µF Elkos bestellt. Damit wenigstens die Welligkeit in der Gleichspannung niedrig bleibt, wenn die Motoren zuschlagen.
Die Spitzen bis 100mV bekomme ich so nat. nicht raus und hoffe, dass die nachgeschalteten Spannungsregler, für Arduino und nodeMCU, hier noch was raus holen. Spannungsregler werden hier wohl immer schlechter, desto höher die Frequenz. Ich denke, das wird dann funktionieren. Hatte mit einem anderen DC/DC-Wandler am nodeMCU auch funktioniert. Hatte schon wegen einem LC-Tiefpass geliebäugelt, aber wenn es dann auch so funktioniert, spare ich mir das.

Da Du auch bei 56KHz gemessen hast, beruhigt mich das schon mal, dass ich mich auf das Teil wenigstens ungefähr verlassen kann.
Was mich etwas wundert, dass mein Oszi keine weiteren Störimpulse vom Motor anzeigt. Vermutlich, weil das ein 200kHz-Oszi ist? Oder könnte das trotzdem auch höherfrequente Signale ab und zu anzeigen (so als vereinzelte Spitzen)?
Wenn ich keine Störungen bei den TT 130 Motoren sehe, kann ich die auch schlecht beseitigen.

Danke für Deine Ausführungen!


MfG

[Siro]

Entscheidend ist später die Verkabelung bzw. Leiterbahnführung.

Das Ground der Motoren und die Versorgung sollte DIREKT völlig separat bis zum Netzteil geführt werden.
Die Masse der restlichen CPU Elektronik trifft sich dann auch erst am Netzteil.
Dann sollte das überhaupt keine Probleme machen.
Ich habe das bei einer Pumpe auch gemacht und messe noch Spannungen von einem Drucksensor im Mikrovoltbereich (bei 1000 Messungen pro Sekunde)
selbst wenn der Motor anläuft und stoppt, wo ja die höchsten Ströme fliessen, ist nichts auf den Messwerten zu sehen.
Der nachgeschaltete analoge Spannungsregler hält alles sehr sauber.

Dein TT 130 ist ja kein Motor, eher ein Motörchen oder wollte mal einer werden...
Auf der 24 Volt Leitung sieht es sicher kacke aus, aber das stört halt nicht.

Hier mal meine Spannungsversorgung.


Diesen 0 Ohm Widerstand ganz links baue ich immer ein zwischen Dickstrom(Masse) und Analog Masse, damit ich nicht versehentlich das Ground falsch verlege
und damit das Layoutprogramm die Masseflächen nicht an falscher Stelle zusammenführt. Das ist sehr hilfreich.

Siro

[Klebwax]

Entscheidend ist später die Verkabelung bzw. Leiterbahnführung.

Das Ground der Motoren und die Versorgung sollte DIREKT völlig separat bis zum Netzteil geführt werden.
Die Masse der restlichen CPU Elektronik trifft sich dann auch erst am Netzteil.
Dann sollte das überhaupt keine Probleme machen.

So ist es.

Es istl nicht gut, Motoren an einem Spannungsregler zu betreiben. Der Blockierstrom ist schon mal gerne der 10 fache Leerlaufstrom und der 5 fache Betriebsstrom. Der Regler muß aber auf den Maximalstrom ausgelegt werden, wird aber die meisste Zeit mit 20% oder weniger Auslastung betrieben. Da haben dann selbst Schaltregler einen schlechten Wirkungsgrad. Große Kondensatoren nach einem Spannungsregler sind auch keine gute Idee. Sie verschlechtern die Regelkennlinie, im Extremfall können sie dazu führen, daß der Regler schwingt. Bei manchen Reglern wird sogar im Datenblatt gesagt, daß große Kondensatoren am Ausgang einen hohen ESR (oder einen vorgeschalteten Widerstand) haben müssen. Einfach blind große Kondensatoren an einen Regler zu hängen, ist ungünstig.

Und ein Kondensator ohne Widerstand ist ziemlich wirkungslos. Die Energie der Störung muß vernichtet werden, und das geht nur durch einen Widerstand. Der macht Wärme daraus. Wenn einen der Spannungsabfall an diesem stört, dann nimmt man eine Drossel. Da erwärmt sich nicht nur die Wicklung sonder durch die Ummagnetisierung auch der Kern. Am Ende ist das Ganze aber zum Betreiben eines Motors unnützer Ballast und unnötige Kosten.

DC-Motoren betreibt man direkt an der (ungeregelten) Stromversorgung, insbesondere wenn es Akkus sind. Der Spannungsbereich von solchen Motoren ist ziemlich groß. Solange sie nicht so hoch ist, daß in der Wicklungen Funken überschlagen, und das wird wohl bei Kleinspannung nicht passieren, ist sie dem Motor egal. Ein Motor geht entweder mechanisch kaputt, wenn er zu schnell dreht, oder er stirbt den Hitzetot. Wenn ich beides verhindere, indem ich ihn z.B mit PWM steuere, bin ich in der Wahl der Versorgungsspannung ziemlich frei. Im Auto läuft der 12V Scheibenwischermotor auch an 14V bei einem ganz vollen Akku oder bei 10V und weniger an einem leeren. Man kann es sich aber auch ganz einfach machen, und in die Bedienugsanleitung eines Gerätes mit Motor schreiben, nach 5 Minuten Betrieb bitte eine Viertelstunde auskühlen lassen. Das ist dann technisch eine ED von 25%, nicht ungewöhnlich für Haushaltsgeräte.

Einem Motor ist der Rippel auf der Versorgung egal. Es macht also gar keinen Sinn, ihn zu vermindern. Es macht aber auch keinen Sinn, ihn zu erzeugen. Der Motor gehört direkt an den Akku. Wenn man dann meint, daß er zu schnell dreht oder zu heiß wird, begrenzt man einfach den Dutycycle der PWM, gibt also nie Vollgas. Wenn man sich einen DC-Motor mit PWM-Ansteuerung mal genauer ansieht, findet man dort einen Schaltregler mit dem Motor als Drossel wieder. Warum sollte man vor diesen Regler noch einen weiteren schalten. Die können sich doch höchstens negativ beeinflussen.

MfG Klebwax

[Moppi]

Ich möchte noch mal nachfragen, weil ich im Netz nichts Richtiges dazu gefunden habe.

Ich habe mit dem Oszi im laufenden Betrieb den Wechselanteil der Gleichspannung gemessen. Störungen treten im Bereich bis 50mV auf (i.R. 10mV). Da kann ich auch schön beobachten, dass selbst der Reset an einem nodeMCU Spannungseinbrüche oder Spitzen verursacht. Laufen die Motoren, kommen weitere Störungen hinzu, so dass dann richtig was los ist. Aber alles in diesem Bereich 10, 20, 30mV ...
Frage jetzt an dieser Stelle: wie wirkt sich in diesem Bereich ein breites Störspektrum auf Elektronik aus? Ich habe da leider gar keine Erfahrung irgendwie.

Dann habe ich im Betrieb die 3,3V gemessen, die vom Spannungsregler des nodeMCU geliefert werden. Dort bilden sich die Störungen, die mehrere Tausend Hertz betragen, ebenfalls ab. Der Regler kann die nicht ausgleichen. Dazu kommt aber, das ab und zu sogar viel höhere Spitzen vom Oszi angezeigt werden, also Spitzen, die ein Pixel auf dem Display breit sind und über den Messbereich hinausschießen. Diese Spitzen kann ich mir nicht erklären. Und auf einer 3,3V-Speisespannung, wo dort Sensoren angeschlossen werden sollen, gefallen mir die auch nicht. Ich glaube, der Schaltregler verursacht vor allem diese Art Störungen. Allerdings scheue ich so ein bißchen den nachträglichen Entstörungsaufwand.


MfG

- - - Aktualisiert - - -

Positiv ist, dass das Gerät offenbar keine HF-Störungen verursacht, bzw. keine abstrahlt, dass die mindestens im Radio zu hören wären.

[Searcher]

Hallo Moppi,

wo Deine Störungen herkommen und ob Du Deinen Messungen trauen kannst, weiß ich leider nicht. Vielleicht helfen Dir folgende Videos vom eevblog weiter (leider englisch):
https://www.youtube.com/watch?v=Edel3eduRj4 (EEVblog #594 - How To Measure Power Supply Ripple & Noise)
https://www.youtube.com/watch?v=wopmEyZKnYo (EEVBlog #1116 - How to Remove Power Supply Ripple)

Gruß
Searcher

[Moppi]

Lange Rede, kurzer Sinn. Ich habs noch mal gemessen. Den AC-Anteil nach dem 3.3V-Spannungsregler. In einem Bereich, wo man das gut sehen kann.




Das mit dem Filter kann ich schlecht umsetzen. Weil ich die Widerstände in solcher Größe nicht habe (2W bis 5W).
Ein nodeMCU z.B. arbeitet auch mit einem solchen Ripple in der Versorgung einwandfrei, ich habe da noch nichts anderes festgestellt, aber auch nicht genauer untersucht.
Wenn ich Probleme vermuten würde oder einfach verhindern möchte (bei sehr empfindlichen Messungen z.B.), würde ich den µC speziell über einen Filter versorgen (ich würde da RC-Tiefpässe nehmen, wie es auch im Video gezeigt wird) und das, was gemessen werden soll (wenn es z.B. nur Spannung ist) vermutlich auch noch mal filtern, weil da brauche ich bei den geringen Leistungen auch nur kleine Widerstände (0.125W oder 0.25W).

Die Spannung nach dem 3.3V-Regler schwankt leicht, kann man ja auf dem Bild jetzt erkennen, dass das immer so sinusförmig rauf und runter geht - überlagert von einem Rauschen (möchte ich mal sagen).
Und ab und an sind eben diese Radikalausschläge drin, die ich mir nicht erklären kann. Ich meine: warum passieren die den 3.3V-Regler? - Weil er sie nicht ausgleichen kann, also vermutlich einfach zu langsam dafür ist, bzw. die Frequenz zu hoch für den Regler. Mir sieht das so aus, als wenn das noch vom DC/DC-Wandler kommt.
Gut, da die jetzt "nur" im Millivoltbereich auftreten, ist das vielleicht nicht so schlimm.
Vermutlich müsste ich tatsächlich nach dem DC/DC-Wandler eine LC-Kombination einsetzen, die genau passend ist. So wie ich gelesen habe, kann man damit wohl auch schon mal etwas Zeit verbringen, bis man was Passendes gefunden hat, das diese Störungen nahezu beseitigt. Deswegen wollte ich mir das eben nicht unbedingt antun.


MfG

- - - Aktualisiert - - -

Ich habe das mal auf einem Steckbrett aufgebaut und die Bauteile mit auf das Bild genommen.



So ein Tiefpass bringt dann schon was. Ich habe den aus 10 Ohm und 47µF Elko aufgebaut. Grenzfrequenz ~ 340Hz.
Alternativ habe ich - wegen der Bauteilgröße - 15µF Tantal eingesetzt. Aber da ist das Ergebnis nicht so überzeugend.
100 µF Elko macht das Ergebnis noch etwas stabiler.

Wenn nun wenig Platz zur Verfügung steht, ist die Bauteilgröße nicht so ganz uninteressant, finde ich.
Und wenn man dieses Ergebnis nochmals verbessern wollte, müsste wohl direkt noch ein zweiter Tiefpass
geschaltet werden.

Das Ergebnis sind ungefiltert 500Hz, die das Oszi anzeigt und gefiltert nach dem einen Tiefpass noch 100Hz.
Und wenn ich schon mal dran bin, habe ich noch einen zweiten, gleichen Tiefpass nachgeschaltet.
Nach dem sieht es dann schon wesentlich besser aus:



Aufgrund der 20 Ohm (2*10 in Reihe), bei 3.3V, ist der Filter aber eben nur bis ca. 40mA - 80mA belastbar. Wenn ich richtig rechne, weil die Widerstände sind angegeben mit 1/8W bei 40° und 1/4W bei 70°.



MfG

[Klebwax]

Lange Rede, kurzer Sinn. Ich habs noch mal gemessen.

Wenn du dir das Video von Dave angesehen hast, würdest du wissen, daß du gar nichts gemessen hast. Selbst mit seinem Equipment braucht er noch einen Haufen Tricks, um wirklich brauchbare Messungen hinzubekommen.

Ein nodeMCU z.B. arbeitet auch mit einem solchen Ripple in der Versorgung einwandfrei, ich habe da noch nichts anderes festgestellt, aber auch nicht genauer untersucht.
Wenn ich Probleme vermuten würde oder einfach verhindern möchte (bei sehr empfindlichen Messungen z.B.), würde ich den µC speziell über einen Filter versorgen

Warum? Dem µC ist das ziemlich egal. Dave spricht bei seinen Filtern von analogen Schaltungen, die versorgt werden sollen.

Die Spannung nach dem 3.3V-Regler schwankt leicht, kann man ja auf dem Bild jetzt erkennen, dass das immer so sinusförmig rauf und runter geht - überlagert von einem Rauschen (möchte ich mal sagen).
Und ab und an sind eben diese Radikalausschläge drin, die ich mir nicht erklären kann. Ich meine: warum passieren die den 3.3V-Regler? - Weil er sie nicht ausgleichen kann, also vermutlich einfach zu langsam dafür ist, bzw. die Frequenz zu hoch für den Regler. Mir sieht das so aus, als wenn das noch vom DC/DC-Wandler kommt.

Du solltest das, was du misst nicht überbewerten. Hast du auch gesehen, wie die elektronische Last, die Dave verwendet hat, auf die Messung durchgeschlagen hat? Der ESP ist nun ganz das Gegenteil von einer konstanten Last. Schon der mit simplen Mitteln messbare Stromverbrauch schwankt zwischen einigen zehn und einigen hundert Milliampere, je nach dem, was der Prozessor gerade tut. Unter diesen Bedingungenist es unmöglich, die Ursache dieser Störungen zu erkennen.

So ein Tiefpass bringt dann schon was. Ich habe den aus 10 Ohm und 47µF Elko aufgebaut. Grenzfrequenz ~ 340Hz.

Die Rechnung ist sicher falsch. Zu deinen 10Ω musst du noch den (unbekannten) Innenwiderstand deiner Spannungsquelle addieren. Und parallel zu den 47µ liegt noch der (unbelannte und nicht konstante) Innenwiderstand deines µC Boards. und deine 47µ stimmen auch nicht, dazu kommt noch der ESR. Dazu kommt noch, daß hohe Frequenzen (im MHz Bereich) kapazitiv an deinem Tiepass vorbei einkoppeln, so wie bei Dave die Schaltfrequenz seiner LED Beleuchtung. Das spielt aber keine wirkliche Rolle, nimm sie einfach als Schätzung. Für solche (HF) Messungen ist auch ein Aufbau auf dem Steckbrett ungeeignet.

Und wenn dein ESP mal 300mA zieht, und das kommt vor, wenn er sendet, bricht dir deine Spannung durch die 10Ω massiv ein. Ich nehme einfach einen MLCC so 10 bis 50µF an die Prozessorversorgung. Dieser unterstützt den Ladekondensator. Dann einen 10 bis 100nF an jeden Versorgungspin des µC. Dieser ist meist selbst die Hauptquelle für Störungen auf der Versorgung. Da schalten Millionen von Transistoren mit Takten von einigen zehn MHz.

Hat der µC extra eine analoge Versorgung, wird diese über ein Filter angeschlossen. Da dort nur wenig Strom fließt, tuts dort ein 10Ω Widerstand. Alternativ kommt dort eine Ferrite-Perle oder das SMD-Äquivalent rein.

Bei Sensoren kommst drauf an. Deinen Lichtschranken, eigentlich nur Phototransistoren, reicht im Zweifelsfall auch so ein Filter. Die meissten modernen Sensoren reduzieren den empfindlichen analogen Teil auf einen ganz kleinen Bereich. Da findet man die nötigen Filter im Datenblatt beschrieben. Ich denke da an I2C Temperatursensoren, den HX711 oder Hallsensoren mit digitaler Auswerteschaltung. Während die Versorgung des Prozessors unproblematisch ist, sind die Sensoren eher ein kritischer Teil. Wie kritisch weiß man aus Erfahrung oder lernt man am realen Objekt.

MfG Klebwax

[Moppi]

Dave spricht bei seinen Filtern von analogen Schaltungen, die versorgt werden sollen.

Ja, lass ihn das doch machen. Eine Netztei-Stabilisierung machst Du auch nicht nur für analoge Schaltungen.
Davon abgesehen trifft man Filter nat. eher in der Analogtechnik an, ja.

Wenn du dir das Video von Dave angesehen hast, würdest du wissen, daß du gar nichts gemessen hast.

Gut, dann kann ich es mir schenken.

Du solltest das, was du misst nicht überbewerten. Hast du auch gesehen, wie die elektronische Last, die Dave verwendet hat, auf die Messung durchgeschlagen hat?

Hast Du auch gelesen, wie die elektronische Last, die ich geschaltet habe, auf das Messergebnis durchgeschlagen hat?

Die Rechnung ist sicher falsch. Zu deinen 10Ω musst du noch den (unbekannten) Innenwiderstand deiner Spannungsquelle addieren. Und parallel zu den 47µ liegt noch der (unbelannte und nicht konstante) Innenwiderstand deines µC Boards. und deine 47µ stimmen auch nicht, dazu kommt noch der ESR.

Ob die 47µ stimmen, ist völlig irrelevant, da der Filter auch mit weniger oder mehr µF funktioniert. Dasselbe trifft auf den Widerstand zu. Will ja keine wissenschaftliche Arbeit draus machen, sondern such nach praktischen Lösungen. Verbesserungsvorsachläge gerne willkommen!

Und wenn dein ESP mal 300mA zieht, und das kommt vor, wenn er sendet, bricht dir deine Spannung durch die 10Ω massiv ein.

Nein, hast Du gelesen, was ich schrieb? Ich schrieb von kleinen Lasten, ich denke da eher an bis zu 5mA. Ein ESP zieht bis 450mA, das wäre für sowas viel zu viel. Ich schrieb, dass es den ESP-12E nicht stört.

Ich nehme einfach einen MLCC so 10 bis 50µF an die Prozessorversorgung. Dieser unterstützt den Ladekondensator. Dann einen 10 bis 100nF an jeden Versorgungspin des µC. Dieser ist meist selbst die Hauptquelle für Störungen auf der Versorgung. Da schalten Millionen von Transistoren mit Takten von einigen zehn MHz.

Hat der µC extra eine analoge Versorgung, wird diese über ein Filter angeschlossen. Da dort nur wenig Strom fließt, tuts dort ein 10Ω Widerstand. Alternativ kommt dort eine Ferrite-Perle oder das SMD-Äquivalent rein.

Danke für einen konstruktiven Tipp!

Bei Sensoren kommst drauf an. Deinen Lichtschranken, eigentlich nur Phototransistoren, reicht im Zweifelsfall auch so ein Filter. Die meissten modernen Sensoren reduzieren den empfindlichen analogen Teil auf einen ganz kleinen Bereich. Da findet man die nötigen Filter im Datenblatt beschrieben. Ich denke da an I2C Temperatursensoren, den HX711 oder Hallsensoren mit digitaler Auswerteschaltung. Während die Versorgung des Prozessors unproblematisch ist, sind die Sensoren eher ein kritischer Teil. Wie kritisch weiß man aus Erfahrung oder lernt man am realen Objekt.

Dankeschön!


MfG

- - - Aktualisiert - - -

Noch was zu Dave:

Falls Fragen bestehen, wie ich darauf komme, überhaupt eine Filterschaltung einzusetzen, dann mal hier lesen: https://www.elektronik-kompendium.de...lt/0210251.htm
Solche Filterschaltungen sind ein alter Hut. Für mich war fraglich, ob das an dieser Stelle, unter den Voraussetzungen, die ich vorliegen habe, den Zweck erfüllen könnte. Deswegen habe ich einfach mal einen Tiefpass aufgebaut und dran gehängt.