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Thema: OPV + FET als Schaltnetzteil

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Roboter-Spezialist Avatar von -schumi-
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    OPV + FET als Schaltnetzteil

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    Hallo zusammen,

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

    Das ganze soll nach diesem Schema funktionieren:
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Name:	netzteil-uebersicht.jpg
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ID:	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:
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Name:	Netzteil-Simul-1-done.jpg
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ID:	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:
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Name:	Netzteil-Simul-2-done.jpg
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ID:	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-

  2. #2
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von ManuelB
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    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
    "Ja, diese Knusperflocken sind aus künstlicher Gans und diese Innereien aus künstlichen Täubchen
    und sogar diese Äpfel sehen unecht aus aber wenigstens sind ein paar Sternchen drauf..."

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Roboter-Spezialist Avatar von -schumi-
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    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-

  4. #4
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von ManuelB
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    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
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  5. #5
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    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:
    Klicke auf die Grafik für eine größere Ansicht

Name:	Schaltnetzteil-funzt-done.jpg
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ID:	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-

  6. #6
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    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.

  7. #7
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von ManuelB
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    Mit Komparator geht aber auch


    MfG
    Manu
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  8. #8
    Erfahrener Benutzer Roboter-Spezialist Avatar von -schumi-
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    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/Bil...teil2-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
    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-

  9. #9
    Erfahrener Benutzer Lebende Robotik Legende Avatar von PICture
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    Zitat Zitat von -schumi- Beitrag anzeigen
    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.
    Geändert von PICture (18.09.2011 um 16:55 Uhr)
    MfG (Mit feinem Grübeln) Wir unterstützen dich bei deinen Projekten, aber wir entwickeln sie nicht für dich. (radbruch) "Irgendwas" geht "irgendwie" immer...(Rabenauge) Machs - und berichte.(oberallgeier) Man weißt wie, aber nie warum. Gut zu wissen, was man nicht weiß. Zuerst messen, danach fragen. Was heute geht, wurde gestern gebastelt. http://www.youtube.com/watch?v=qOAnVO3y2u8 Danke!

  10. #10
    Erfahrener Benutzer Roboter Genie Avatar von ManuelB
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    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
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