Step-Up-Regler / Boost Power Stage

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

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

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

@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

Hi
Erst mal Danke für schnellen Antworten! \:D/

@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 ? 8-[

Mfg
BMS

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

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

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.

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

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

Lieber viele Antworten als keine.
Der Einsatz eines MC34063 ist sicher zu empfehlen, dann stimmt schon mal die Elektronik, und dafür sind die Bausteine ja da.
Bei "sprut" gibt es gute Abschätzungen für die Spule, neben der Induktivität ist immer auch der maximale Strom zu berücksichtigen. Bei fertigen Spulen (wie der in Widerstandsbauform) ist er angegeben. Bei hohen Frequenzen und kleinen Leistungen ist man manchmal überrascht wie klein die Spule sein kann.
Auf der anderen Seite kann man mit einer etwas größeren Spule die Welligkeit des Stroms gering halten und die Schaltung sehr unkritisch aufbauen.
Manfred

Danke für die vielen Informationen. Werd's wahrscheinlich mit so einem IC lösen. Hab mir gleich das Datenblatt runtergeladen (reichelt: das untere, kleinere Datenblatt). Für meine Anwendung müsste die Schaltung auf Seite 5 zutreffen. Ziemlich einfach :) Und dazu passend die Berechnungen auf Seite 10.

Jetzt kann ich meine Parameter einsetzen (ich beziehe mich auf The following power supply characteristics must be chosen):
Vin = 5V
Vout = 15V; |Vout|=1.25*(1+R2/R1)
Iout = 20mA
f=20kHz (leg ich jetzt mal fest)

sprintersb: 3) -> Uout/Uin=15V/5V=3:1

ton+toff = 1/f
ton+toff = 1/20000Hz
ton+toff = 0,00005s
wegen 3:1 --> ton=12,5µs*3=37,5µs
toff=12,5µs
CT=4*10^-5*ton=1,5pF
Ipk=2*Ioutmax*((ton/toff)+1)
Ipk=40mA*(1/3+1)
Ipk=53mA
Rsc=0,3/53mA=5,6 Ohm
Co=(9*Iout*ton)/(Vripple)
Co= 9*20mA*37,5µs/Vripple =6,75µAs/Vripple
als Vripple sind auf S.5 400mVpp angegeben
-> einsetzen:
Co=6,75µAs/400mVpp=16,8µF
saturation voltage-> s.4 figure 5 -> ca 0,8V
Lmin=(5V-0,8V/53mA)*ton=3mH <<- hab ich in widerstandsform
Als Widerstand bei Pin 8 würd ich die 180Ohm verwenden, wie im Bild auf seite 5. Fehlt nur noch die Diode (wahrscheinlich die angegebene verwenden) und die absoluten widerstände r1 und r2. ich sag einfach mal r2=3k; r1=1k
nur noch bestellen und ausprobieren...gibts das ic auch bei pollin?
[edit: IC gefunden bei pollin unter bauel-akt-ic für 35cent. BestNr 100 904]

Danke
BMS

Ja,
sieh Dir noch den Widerstand der Spule an, damit dort der Spannungsabfall beim Laden mit 5V nicht zu groß wird.
Der Strom über die Diode fließt an 15V, da kommt es nicht zu sehr auf den Spannungsabfall an, aber Schottky ist immer besser.
Bei R1 und R2 noch auf den Gesamtwiderstand achten, nicht dass dort ein großer Teil der Leistung wegfließt. Man kann auch einen hochohmigen Spannungsteiler kompensieren aber mit so um die 0,5mA geht es auch noch so.
Manfred

Hi BMS,
ich bin wie gesagt auch gerade am Basteln und werde step-up/down wohl noch öfters verwenden müssen. Ich habe hier 5x den MC34063 (der anscheinend veraltet aber billig ist) rumliegen, ich fände es toll von dir, wenn du nachher schreiben könntest, was für Probleme aufgetreten sind, wie du's geschafft hast, und was man besser machen könnte?
Du würdest mir (und vielen anderen) vieeeel Zeit ersparen :)

hab mir die ICs angeschafft, die schaltung auf dem steckbrett aufgebaut und die spannung am ausgang gemessen. ziemlich mager, was da raus kam (nich mal 5 Volt) :!:
da verliert man erst mal die motivation.

das war vor ein paar wochen.

schau heute nochmal (mehr oder weniger zufällig) ins datenblatt; erste seite; und siehe da: eine winzige bemerkung unter der pinbelegung auf der linken seite
(Bottom View)
:!: :!: :!: ](*,) :Haue
alle beispielschaltungen haben auch diese ansicht. es stehen die nummern der pins dran, darauf hab ich aber leider nicht geachtet ](*,)

an sowas ärgert man sich dann #-o
werde es bald nochmal testen.

@avion23: deine erfahrungen??

Mfg
BMS

So da bin ich wieder - Es FUNKTIONIERT !!! :)
*freu*

Hab es noch einmal *richtig* aufgebaut, Ausgangsspannung gemessen und Bauteilwerte geändert. Nun liegt am Ausgang eine Ausgangsspannung von 13,5-14Volt an (je nach Belastung). Es fließt ein "Primär"strom von etwa 56 mA, also noch akzeptabel.
Der Ausgangsstrom muss nicht sehr hoch sein. Eigentlich muss nur ein Transistor diese Spannung durchschalten und gleichzeitig fließt ein Strom durch einen Pull-Down-Widerstand (10k), der die Ausgangsspannung belastet. Die Schaltung brauche ich für einen PIC-Brenner (MCLR-Teil).

Ich habe die Schaltung noch mal als Bild im Anhang, falls es jemand noch nachbauen möchte.
Sind relativ wenig Bauteile, also ist die Schaltung sehr übersichtlich und auch klein aufzubauen (6xR, 2xC, 1xD, 1xZD, 1xMC34063A)

@avion23:
Problemstellungen/Parameter, die die Schaltung wesentlich beeinflussen:
* Das Widerstandsverhältnis am Comparator-Eingang (2k7, 33k <-- da musste ich lange probieren) - die Ausg.-Spannung ist oft viel zu klein
* Bei großen Widerständen dauert das Laden des Ausgangselko entsprechend länger (ein paar Sekunden)
* Ausgangsspannung kann schnell unkontrolliert steigen, wenn die Last zu klein ist/ keine Last vorhanden ist (und keine Zenerdiode eingebaut ist)
* Als große Schwierigkeit stellte sich die Größenordnung der Widerstände 560Ohm und 0,68Ohm heraus. Da musste ich lange probieren.

Klar, die Schaltung lässt sich an vielen Ecken noch deutlich verbessern, aber ich belasse es erst mal bei diesem Stand.
Die Schaltung lässt sich auch bestimmt gut als SMD-Version löten...

Viel Erfolg beim evtl. Nachbauen

Mit freundlichen Grüßen
BMS

Prima dass es dann noch so gut geklappt hat.
Die Inuktivität fehlt in der Aufzählung.
Ist es die 3300µH 62mA 59Ohm für 0,19€ oder doch eine größere?
Manfred

hab die spule nicht bei reichelt gekauft, da lagen hier noch ein paar rum,
aber von der größenordnung müsste die damit übereinstimmen.
L = 3300µH
R = 45 Ohm (gemessen)
I = ?
ist so groß wie ein 1/2Watt Widerstand.
BMS

Wenn primär 56 mA fließen dann ergeben sie an 45 Ohm 2,5V Spannungsabfall.
Man könnte ggf. die Frequenz später noch etwas anheben um bei der Baugröße bei geringerer Induktivität mit kleinerem Widerstand auszukommen.
Manfred