Unterstützung/Tipps zum Design eines Step-Up Converters

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26.11.2006, 20:51
SprinterSB

Unterstützung/Tipps zum Design eines Step-Up Converters

Hallo Forum.

Ich bin gerade dabei mir einen Aufwärtsregler zu bauen, der die Hochspannungen zum Betrieb einer Kathodenstrahlröhre liefern soll; eine Mischung aus voltage boosted Step-Up (Aufwärtswandler) und Flyback (Sperrwandler).

Momentan sind mir noch einige DInge unklar bzw. werden mir um so unklarer, ja länger ich drüber nachdenke...

Es geht um die Speicherdrossel ganz rechts.

Über Wicklung 1-2 wird die Drossel geladen. W1-2-3-4 ist ein boost converter für 250V. Die 250V werden geteilt und gegen eine Referenzspannung verglichen. Die drei Wicklungen W5-6, W7-8 und W9-10 sollen als Flyback arbeiten. Die Windingsverhältnisse der Wicklungen ergeben sich aus den Spannungsverhältnissen:

W1-2-3-4 : W5-6 : W7-8 : W9-10 = 250 : 450 : 150 : 100

W3-4 : W1-2 = 6

Die zu entnehmenden Ströme sind unterschiedlich. Teiweise 1mA, andere brauch ich nur als Gatespannung.

Kritisch ist zB der C1. Ist der zu klein hab ich nen Ripple auf +250V. Ist er zu groß, dann sinkt +250V recht langsam und wenn eine der anderen Spannungen aufgebraucht ist, bevor der Schaltregler wieder arbeitet, dann ist diese Spannung zu klein. Sobald der Schaltregler wieder was tut sollten sich die Spannungen wieder richtig einstellen, da die Windungen als induktiver Spannungsteiler fungieren.

Kann das überhaupt so funktionieren?
Müssen die Kapazitäten kapazitive Spannungsteiler mit den selben Verhältnissen bilden? Oder ist das egal?
Sollte ich besser auf die 950V regeln als auf die 250V?

Ich bin für jeden Tipp/Anregung dankbar!

Vorläufiger Schaltplan (png, 22k)

http://people.freenet.de/gjl/pub/smps-essay1.png
26.11.2006, 23:06
KlaRaw

Hallo Georg-Johann,
im Prinzip sieht alles ganz ordentlich aus. Ich würde aber eine Strombegrenzung vorsehen. Die Welligkeit kann man auch noch durch eine nacheschaltete Drossel mit einem weiteren Ladekondensator verringern. Ferner wirkt sich eine Erhöhung der Schaltfrequenz positiv aus. Mit normal erhältlichen Kernen müsste man auf jeden Fall auf > 100 KHz bis ca. 300 KHz gehen können. Der Wirkungsgrad spielt bei Dir ja vermutlich nicht die entscheidende Rolle. Ob der MOS-Fet dafür schnell genug ist müsstest Du prüfen.
Die Kaskade ist auch interessant. Zur Wahl der Kapazitäten wäre zu sagen, fang am besten mit der höchsten Spannung an und dimensioniere so, das die Welligkeit genügend klein wird. Berücksichtige dabei schon die Reihenschaltung vom C4, C3 und C2. Gehe danach eine Stufe tiefer und betrachte nur diese Stufe und die Reihenschaltung von C3 und C2. Zum Schluss kannst Du die Einzelwerte für C3 und C2 jeweils addieren, 2 für C3 und 3 für C2.
Für die Spannungsrückkopplung zur Regelung solltest Du die Spannung nehmen, an die die höchen Anforderungen für die Stabilität gelegt wird. Das Problem ist hierbei die magnetische Streuung der Wicklungsanordnung. Aber eigentlich solltest Du bei diesen Werten noch keine ganz grossen Probleme bekommen. Ich würde aber sagen, das Du Wicklung 3-4 direkt auf den Kern wickelst, darüber Wicklung 1-2 und dann den Rest.
Auf jedenfall muss Du für diese Spannungen gute, spannungsfeste Folien nehmen und die Wicklung tränken. Ab > 400V kommt es zu Korona-Effekten die auf die Dauer dann zu Problen führen.
Schau mal hier wegen der Folie und dem Tränklack nach: http://shop.spulen.com

Gruss Klaus.
27.11.2006, 07:54
Manf

Bei einem einheitlichen Typ (zB. Flyback) ist es sicher einfacher das Windungsverhältnis zu nutzen. Man kann dann den Regler mit der Bedingung versorgen, dass einer der Verbraucher Nachschub braucht (or- Verknüpfung wenn, es nicht immer der selbe ist). Der Kern verteilt es dann an ihn.

Wenn die Anforderungen an die Leistung und die Isolation unterschiedlich sind kann man ja für die Kathodenspannung einen kleinen getrennten fertig bewickelten Kern aus einem Laserdrucker oder Blitzgerät, ggf. auch mit Kaskade nehmen.

Hast Du Dir schon überlegt wie die Zwischenspannungen (focus, intensity) eingestellt werden? (nicht durch Wickeln)
http://www.hameg.com/downloads/man/HM205-3_deutsch.pdf
Manfred
27.11.2006, 08:12
Millenniumpilot

Hallo Johann,

zwecks Nachbau (falls es überhaupt von Dir angedacht ist) wäre es doch wünschenswert, ohne Spezialdrossel auszukommen. Die Teile für die üblichen Schaltnetzteile kosten doch heute fast nichts mehr. Kann man nicht ganz normale Schaltungen, welche auch in den Nixie-Uhren eingesetzt werden verwenden und dies halt dann eben 3 oder 4mal?
Oder bringen diese nicht mehr diese hohen Spannungen zustande?
Ich frage mal einfach ganz dumm als Laie ;-)

Gruß Dirk
27.11.2006, 16:49
SprinterSB

Zitat:

Zitat von KlaRaw

Hallo Georg-Johann,
im Prinzip sieht alles ganz ordentlich aus. Ich würde aber eine Strombegrenzung vorsehen. Die Welligkeit kann man auch noch durch eine nacheschaltete Drossel mit einem weiteren Ladekondensator verringern. Ferner wirkt sich eine Erhöhung der Schaltfrequenz positiv aus. Mit normal erhältlichen Kernen müsste man auf jeden Fall auf > 100 KHz bis ca. 300 KHz gehen können. Der Wirkungsgrad spielt bei Dir ja vermutlich nicht die entscheidende Rolle. Ob der MOS-Fet dafür schnell genug ist müsstest Du prüfen.
Die Kaskade ist auch interessant. Zur Wahl der Kapazitäten wäre zu sagen, fang am besten mit der höchsten Spannung an und dimensioniere so, das die Welligkeit genügend klein wird. Berücksichtige dabei schon die Reihenschaltung vom C4, C3 und C2. Gehe danach eine Stufe tiefer und betrachte nur diese Stufe und die Reihenschaltung von C3 und C2. Zum Schluss kannst Du die Einzelwerte für C3 und C2 jeweils addieren, 2 für C3 und 3 für C2.
Für die Spannungsrückkopplung zur Regelung solltest Du die Spannung nehmen, an die die höchen Anforderungen für die Stabilität gelegt wird. Das Problem ist hierbei die magnetische Streuung der Wicklungsanordnung. Aber eigentlich solltest Du bei diesen Werten noch keine ganz grossen Probleme bekommen. Ich würde aber sagen, das Du Wicklung 3-4 direkt auf den Kern wickelst, darüber Wicklung 1-2 und dann den Rest.
Auf jedenfall muss Du für diese Spannungen gute, spannungsfeste Folien nehmen und die Wicklung tränken. Ab > 400V kommt es zu Korona-Effekten die auf die Dauer dann zu Problen führen.
Schau mal hier wegen der Folie und dem Tränklack nach: http://shop.spulen.com

Gruss Klaus.

Korona-Effekt ist natürlich ein Thema, wo ich mich auch noch schlau machen muss.

Mit dem 34063 bin ich erst mal auf 100kHz beschränkt. Über 100kHz will ich eigentlich nicht, weil das dann zusehends schwieriger zu beherrschen ist. Man bekommt Skin-Effekt in den Wicklungen, die parasitären Effekte nehmen zu, und ohne Oszi ist das alles nicht einfach.

Am WE hab ich mal nen ATmega8 als Schaltregler geproggt -- d.h. ich habs versucht. Strommessung (Analog-Komparator mit Input-Multiplexer) gegen eine Referenz klappt nicht wie erwartet, ausserdem ist der Input-Multiplexer zu langsam (im Manual findet sich kein Ton darüber). Ab 150kHz fangen die FET-Treiber an zu rauchen, auch wenn ich BC516/517 nehme. Evtl geht ein anderer FET mit geringerer Gate-Charge.

Der Wirkungsgrad sollte so sein, daß keine Kühlbleche her müssen. 60% wären ok, ab 70% bin ich happy. Die Drossel wird wohl überdimensioniert werden, aber für ein Bastel-Prototyp spielt das mehr an Kosten, Platz und Gewicht ja keine Rolle.

Für die Spannungsstabilisierung schau ich mir mal ein paar Netzteile aus Dirks Buch an. Nett ist eine Stabilisierung mit Z-Diode und Transistor, allerdings braucht die Diode allein schon über 1mA.

Zitat:

Zitat von Manf

Bei einem einheitlichen Typ (zB. Flyback) ist es sicher einfacher das Windungsverhältnis zu nutzen. Man kann dann den Regler mit der Bedingung versorgen, dass einer der Verbraucher Nachschub braucht (or- Verknüpfung wenn, es nicht immer der selbe ist). Der Kern verteilt es dann an ihn.

[...]

Hast Du Dir schon überlegt wie die Zwischenspannungen (focus, intensity) eingestellt werden? (nicht durch Wickeln)
http://www.hameg.com/downloads/man/HM205-3_deutsch.pdf
Manfred

Das Hameg ist erst mal starker Tobak. Vielleicht kann ich ein paar Sachen daraus verstehen und verwenden.

Die -600V soll Kathode werden und die 250V die Anode. Die Gatespannungen will ich zwischen 600/450 bzw 700/600 über einen Spannungsteiler abgreifen. Focus soll fest eingestellt werden. Intensity entweder an- und austasten über einen C. Evtl gehen auch Optokoppler, die Reihenwiderstände kurzschliessen, ähnlich wie ich es in http://people.freenet.de/gjl/pub/nep....html#netzteil gemacht habe.

Für die Regelung wäre wohl das beste, eine eigene Wicklung dafür zu machen, die für 5V oder so gewickelt ist? Diese Wicklung sieht dann aus wie die anderen auch, allerdings mit kleinem C und R parallel dazu. Falls die Messspannung unter die Referenz fällt, dann pumpt der Regler und verteilt die Spannungen. Falls keine Nutzwicklung was braucht, wird eben nur die Messwicklung gefüttert (so macht man es richtig, ich wollte Wicklungen sparen :oops:, weil die Spulenkörper nur 10 Pins haben). So wie im Schaltplan kann es eigentlich nicht gehen...

Zitat:

Zitat von Millenniumpilot

Hallo Johann,

zwecks Nachbau (falls es überhaupt von Dir angedacht ist) wäre es doch wünschenswert, ohne Spezialdrossel auszukommen. Die Teile für die üblichen Schaltnetzteile kosten doch heute fast nichts mehr. Kann man nicht ganz normale Schaltungen, welche auch in den Nixie-Uhren eingesetzt werden verwenden und dies halt dann eben 3 oder 4mal?
Oder bringen diese nicht mehr diese hohen Spannungen zustande?
Ich frage mal einfach ganz dumm als Laie ;-)

Gruß Dirk

An Nachbau hatte ich eigentlich nicht gedacht. Meine Schöpfungen sind exklusive Einzelstücke *g*. Ich würd mich natürlich sehr geehrt fühlen, wenn jemand was von mir nachbauen will!

Drosseln gibt es abertausende auf dem Markt, das meiste in SMD oder die Werte passen nicht. Zeitgemässe SMPS arbeiten bei deutlich höheren Freuenzen und sind idR für den Niederspannungs- und Leistungsbereich, zB Stromversorgung vom PCs/Laptops.

Das mit den Drosseln ist zugegebenermassen nervig. Die Kerne sind Pfenningskram, was aber nicht heissen soll, daß sie einfach zu beschaffen sind!

An ein Standard-Design hatte ich anfangs auch gedacht, evtl mit unterschiedlichen Bestückungsvarianten für Step-Up bzw. Inverter. Ob man da mit leichtbeschaffbaren Drosseln hinkommt, wage ich aber auch zu bezweifeln, dafür müssen recht viele Rahmenbedingungen erfüllt sein wie L, W_max, B_max, Windungsverhältnis, Drahtdurchmesser...

Mein Nixie-Netzteil ginge auch für 250V, wenn ich spannungsfestere Kondensatoren nehme. Aber zum Invertieren taucht es schon nicht mehr.

Das Buch ist übrigens angekommen! Nochmal 1000 Dank! Hab's mal überblättert, sieht leichtverdaulicher aus als Manfreds Link oben und sehr interessant. Ich hoffe du machst nicht Urlaub nächste Woche und brauchst es dann ;-)

Wenn ich's recht mitbekommen hab, hast du dir in den letzten 2 Monaten ne Nixie-Uhr gebaut?
27.11.2006, 17:44
Millenniumpilot

Hallo Johann,

Zitat:

Zitat von SprinterSB

Wenn ich's recht mitbekommen hab, hast du dir in den letzten 2 Monaten ne Nixie-Uhr gebaut?

Was sagst Du? Eine???? ;-)
Im Augenblick baue ich schon die 4. (Wohnstube, Kinderstube, Werkstatt, Arbeit). Bei der nächsten Uhr müsste ich wohl umziehen ;-)

Eine Analoguhr mit Osziröhre wäre auch noch mein Traum. Aber ich fürchte mich vor 2 Dingen in meinem Leben: vor Druckerreparaturen und vor Spulen. Daher bin ich schon froh, für die Nixienetzteile einfach käufliche Drosseln benutzen zu können.

Das Buch hat Zeit. Sollte nur nicht in Vergessenheit geraten und damit in Deinen Besitz übergehen ;-)
Also 2-3 Monate oder auch mehr wäre kein Problem. Der Sommerurlaub ist noch fern.

Dirk
28.11.2006, 16:11
SprinterSB

Soso, du baust also Nixie-Uhren im Akkord. Gibt's Bildchen oder so?

Und jetzt soll ne Oszi-Uhr, die 1000V führt, in die Krabbelstube.

Das Buch ist irgendwie frustrierend. Die D7-16 nimmt sich neben den da beschriebenen Röhren aus wie ein Tretroller und wenn man sich die Schaltungen anschaut, würd man am liebsten stillklammheimlich seinen Bastelkram zum Entsorger tragen ;-)