Step-Up Wandler bricht bei Last zusammen

Guten Abend!
Ich habe mir folgenden Spannungsregler gebaut um eine Eingangsspannung von 3,2V auf ca. 7V hochzuregeln.


Bild hier  


Im Leerlauf funktioniert der Regler wunderbar. Das Problem ist jedoch, dass die Ausgangsspannung auf ca. 4V zusammenbricht wenn ich einen Verbraucher (Motor; Leerlauf bei 4V ca. 1A) anschließe . Wenn ich den Motor geringfügig belaste bricht die Spannung sogar noch weiter ein. Der Strom steigt beim Belasten natürlich an.
Wenn ich die Eingangsspannung anhebe, dann kann der Regler eine höhrere Ausgangsspannung halten. Das Anheben der Eingangsspannung ist ja aber nicht Sinn der Sache.
Versorgt wurde die Schaltung durch ein regelbares Netzteil.

Warum kann der Regler die Spannung nicht aufrecht erhalten? Genügend Strom liefert das Netzteil ja.


mfg

Naja die SPannung wird zwar hochgeregelt aber dafür wird der Strom halt begrenzt. Ist bei den DC/DC Wandlern ja so das sie die Spannung anheben aber dafür nur einen max. Strom von z.B. 600mA liefern können. Wieviel Strom die Spannungsquelle liefern kann ist denk ich mal dann egal es kommt drauf an wieviel Strom der Regler verkraftet.

Wobei wo ich mir gerade das Datenblatt anschaue....es kann evtl sein das die EIngangsspannung generell zu klein ist um den nötigen Strom von 1A zu liefern

Korrigiert mich wenn ich mich irre.

lg

Zitat:

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Genügend Strom liefert das Netzteil ja.

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Hast du geprüft, ob dein Netzteil wirklich einen ausreichend hohen Strom liefern kann?

Bei Leerlauf mit 1A Ausgangsstrom an 7V fließen ca. 2,19A Eingangsstrom (bei 3,2V).
Wenn du den Motor belastest, könnten am Ausgang z.B. 3A fließen, das bedeutet 6,6A Eingangsstrom.
Das liefern manche Labornetzteile nicht.

Gruß Dirk

Das Netzteil liefert definitiv genügend Strom. Daran liegt es nicht. Könnte die Spule evt. eine zu geringe Induktivität haben?

Der Strom sollte sogar noch etwas höher als die oben erwähnten 2,19 A werden, denn der Wirkungsgrad des Wandlers ist ja nicht 1, sondern gerade bei den kleinen Spannungen deutlich niedreiger. Es kann also schon gut sein, dass für 1 A am Ausgang 3 A am Eingang gebraucht werden. Vorgesehen ist bei dem IC ein Strom von maximal 5 A, die beziehen sich auf den Strom des Schalters, also auf den Eingangsstrom.

Zu wenig Induktivität ist weniger das Problem. Die Gefahr ist größer dass die Spule einen zu hohen Widerstand hat, oder in die Sättigung geht.
Man hat ja wirklich nicht viel Spannungsreserve. Von den 3.2 V am Eingang gehen schon etwas (z.B. 0,4 V) am Schalttransistor verloren. Da darf die Spule wirklich nicht mehr viel Widerstand haben.

Was ist das für eine Diode ? Doch hoffentlich eine genügend große (>5 A) Shottky diode.

Es ist eine SB520.

http://www.reichelt.de/?;ACTION=3;LA...e60c65dba23438

Keine Idee woran es liegen könnte?

Die Diode sollte es dann wohl nochnicht sein, auch wenn man mit einer etwas größeren Diode einen etwas besseren Wirkungsgrad kreigen könnte. Das kritischere Teil ist auch die Spule. Auch die Elkos könnten zu viel ESR haben. Bei so viel Strom und wenig Spannung Zählt jeden zentel Ohm.

Zum Elko am Eingang sollte besser noch ein Keramischer 100 nF oder größer dazu. So HF geeignet muß so ein Elko ja nicht sein.

Ich hätte da auch am ehesten die Spule in Verdacht.
Wird der LT1070 bei Lastbetrieb sehr heiss ?
Das würde darauf hindeuten, das die Spule in die Sättigung geht.
Der Strom steigt dann rapide an, der LT1070 schaltet ab und die in der Drossel abgespeicherte Energie reicht nicht um den Ausgang ausreichend mit Energie zu versorgen.

Ich hab kürzlich auch mit dem LT1070 ein Netzteil aufgebaut, das problemlos 1A liefert.
Die Spule war dabei selbst gewickelt.
Ich hab dazu 34,5 Windungen 1mm CuL Draht auf einen Amidon T94-18 Kern gewickelt.
Ich neige aber auch dazu, alles ein wenig Über zu dimensionieren ;-)

@Besserwessi
1. Was genau soll der kleine 100nF keramischen Kondensator bewirken?
2. Du sagts also der Regler kann nicht mehr leisten da der Innenwiderstand der Kondensatoren zu groß ist? Sollte man hier also die Standard-ELKOs gegen Low-ESR-Kondensatoren austauschen?

@wkrug
Der LT1070 wird im Lastbetreib etwas warm, aber nicht richtig heiß. Etwas über handwarm würde ich tippen.
Was genau passiert wenn die Spule in Sättigung geht?
Ist die Spule nun zu klein oder zu groß?

Hallo!

@ Raptor

Die Gesetze der Physik sind leider brutal. Eine Spule mit gesättigtem Kern hat ab der Sättigung keine Induktivität mehr ! :(

MfG

Der Erste Verdacht ist die Spule: Die Sättigung wird halt leicht übersehen. Die Spule sollte für wenigstens 5 A vorgesehen sein.
Das andere Problem ist der Widerstand der Spule, mehr als etwa 0,1 Ohm sollten das nicht sein, besser weniger.

Der 100 nF Kondensator solle helfen das die VErsorgung für den Regler nicht kurzzeitig einbricht. Etwas hilft das auch wenn die Elkos bei der ESR nicht so gut sind. Beim Boost konverter sind die ELKOS am Ausgang die wichtigeren.



@Picture:
Ganz wird man die Induktivität auch bei Sättigung nicht los, die Wirkung einer reinen Luftspule bleibt erhalten. Das ist aber in der Regel zu wenig.

Hallo Besserwessi!

Vielen Dank für deine Berechtigung ! :)

Na ja, ich kann mich an meine Schulzeit immer schweriger erinnern...

Sorry, meine Erklärung habe ich nicht richtig formuliert, es sollte genau gesehen heissen, dass bei einer Spule mit Kern bei Sättigung der Kern "verschwindet" und weiter Speicherung der magnetischen Energie nicht mehr möglich ist...

MfG

Die Spule ist eine FED 100µH (50 Windungen; 1mm Draht für 5A). Ich messe einen Widerstand von 0,03 Ohm.
Hat die Spule nun eine zu kleine oder große Induktivität? Wenn die Spule in Sättigung geht hat sie doch eine zu kleine Induktivität oder?

Ja und bei einer Spule bei grösseren Strömen hat das Material des Kerns (also seine Sättigungsgrenze) entscheindende Bedeutung.

Um die Sättigungsgrenze zu vervielfachen ist es am einfachsten mehrere identische Spulen mit entsprechender Induktivität paralell zu schalten, dass die gesamte Induktivität der nötiger gleich ist.

MfG

Der Ringkern ist aus gesintertem Metallpulver.
Ist das denn jetzt ein Problem der Sättigung? Was kann ich machen um mein Problem zu lösen?

1. Elkos gegen Low-ESR Elkos austauschen
2. Größere Spule kaufen/selbst wickeln
3. Mehrere dieser Spulen parallel schalten

Bin etwas überfordert :-(

Für mich wird eindeutig bei grösserem Ausgangstrom zu wenig Energie im Kern gespeichert und in die Last übertragen. Das könnte man auch noch durch Erhöhung der Schaltfrequenz vergrössern, was jedoch Leistungsverluste in Schaltelementen erhöhen könnte.

Ich habe keine geprüfte Idee, die in deinem konkretem Fall sicher was bringen könnte und würde selber alles ausprobieren, vor allem das 3 mit vier identischen Spulen (zwei in Serie und zwei solche paralell). Das sollte die gespeicherte Energie im Kern 4-fach erhöhen. :)

MfG

Zitat:

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Zitat von Raptor5

Die Spule ist eine FED 100µH ?

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Das ist ne Entstördrossel, für Schaltregler ungeeignet (es geht bei kleineren Strömen als Notlösung einigermaßen, aber irgendwann ist Schluss). Du brauchst ne Speicherspule, die für den Schaltreglerbetrieb vorgesehen ist. Bei Reichelt ist da leider nichts vernünftiges in bedrahteter Bauform zu bekommen, da hilft nur selberwickeln...

Das ist gut zu wissen. Mir wurde die für diesen Zweck empfohlen...
Kannst du vielleicht etwas konkreter werden? Was für einen Kern soll ich nehmen und welchen Draht?

Zitat:

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Kannst du vielleicht etwas konkreter werden? Was für einen Kern soll ich nehmen und welchen Draht?

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Siehe meinen Threat etwas weiter oben.
34,5 Windungen 1mm CuL Draht auf einen Amidon T94-18 Kern !
Das ergibt dann eine Induktivität von knapp 50µH.
Das geht und es ist ein Speicherkern.
Guck mal bei Reichelt im Katalog auf Seite 538, die Kerne oben Rechts - Ist auch ne kurze Beschreibung dabei.

Die Induktivität kannst Du mit der Formel
Induktivität= Windungszahl² * AL
ausrechnen.

Wenn Dir das zu viel Arbeit ist, kannst Du auch den Mini Ringkern Rechner von Wilfried Burmeister runterladen.

Ob die PISR SMD Kerne, Reichelt Seite 535, geeignet sind kann ich nicht sagen.
Ich denke aber mal die wären absolut an der Leistungsgrenze.

Danke, das ist schonmal ganz hilfreich.

Ich frage mich jetzt jedoch was für eine Induktivität ich benötige. Bedeutet mehr Strom durch die Spule auch mehr benötigte Induktivität?

Zitat:

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Bedeutet mehr Strom durch die Spule auch mehr benötigte Induktivität?

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Nicht unbedingt.
Die Induktivität ist hauptsächlich abhängig von der schaltfrequenz.

Je höher die Schaltfrequenz, desto kleiner kann die Induktivität werden.

Zu viel Induktivität kann sogar kontraproduktiv sein, weil das ja gleichzeitig mehr Windungen bedeutet, was ja wiederum eine höhere Flussdichte im Kern verursacht, was wiederum schneller in die Sättigung führt.
Bei extremen Überhöhungen kann es passieren, das der Stromfluß im Kern innerhalb eines Schaltzyklus nicht mehr die nötige Höhe erreicht und somit nicht genügend Energie im Kern gespeichert werden kann.
Das kommt aber natürlich sehr auf das Wirkprinzip des Schaltreglers an.

Lt. meiner, zugegebermassen geringen, Erfahrung auf diesem Gebiet passen die Induktivitätsangaben der Halbleiterhersteller ziemlich gut.

Hat man nun noch ein Auge auf die maximale Flussdichte des Kernmaterials und ob es für den gewünschten Frequenzbereich geeignet ist, kann eigentlich nicht mehr viel schiefgehen.

Der Hersteller gibt für Vin = 5V; Vout= 12V 1A eine Induktivität von 150µH an. Das gilt doch aber nur für genau diese Konfiguration oder?

Eingangsseitig liegen bei mir 3,2V an und es werden bis zu 4A Strom geliefert. Ausgangsseitig sollen eben ca. 7V und ca. 1,8A erbracht werden.

Wie kann ich jetzt berechnen/abschätzen welche Induktivität ich brauche?

Es gibt Formeln für alle Arten von Schaltreglern zum Berechnen der Induktivität. Ev. mal nach googeln z.B. nach App-Notes von Step Up Wandlern oder dergl.
Hab leider mein Schaltnetzteilbuch noch auf der Arbeit sonst hätte ich mal reingeschaut.
Für Ferrite wie z.B. N87 oder ähnlich wird mit einer max.Flussdichte von ca. 0,2-0,3T gerechnet bei Eisenpulverkernen ist das nicht so wichtig, da sie nicht so in Sättigung gehen wie Ferrite. Hier reicht es zu schauen, ob das Material den Frequenzbereich abdeckt und ob die erforderlichen Windungen auf den Kern zu bekommen sind.
Gibt auch im Netz "Berechnungsseiten" oder Tools für die Induktivität. Hab ich jedenfalls beim googeln schon mal gesehen.

MfG
Manu

Bei vielen Schaltreglern finden sich die nötigen Berechnungen im Datenblatt, beim LT1070-Datenblatt von Linear allerdings nicht. Dafür gibt ne dicke Appnote: http://cds.linear.com/docs/Applicati...ote/an19fc.pdf
Ist leider ganze 80 Seiten lang, weil so viele Schaltungsvarianten erklärt werden. Deine Schaltung beginnt auf Seite 17.

Wenn die Spannung höher ist, oder der Strom höher darf die Induktivität auch kleiner sein. Mit einer größeren Induktivität kommen die Regler meistens sehr gut klar. Da muß die Induktivität schon viel zu groß sein, damit die Regelschleife nicht mehr stabil arbeitet. Die kleine Induktivität wird oft einfach aus Kostensgrunden gewählt, und ggf. wegen der mechanischen Größe.

Ob man allerdings mit dem Regler auf 1,8A am Ausgang kommt ist etwas fraglich der Strom an der Eingangsseite kommt dann schon recht nahe an die 5 A Grenze. Bei der niedriegen Spannung ist der Wirkungsgrad nicht so groß, denn die Verluste an der Diode und dem Schalttransistor sind da schon erheblich. Wenn die Spannung schon erst bei 1,8 A absinkt, kann es einfach die 5 A grenze sein.

Ein interessantes Diagramm über die maximal mögliche Leistung findet man auf der ersten Seite des Datenblattes rechts unten.

Dort wird für die möglichen Reglertypen die maximal mögliche Ausgangsleistung aufgetragen.
Und das dind beim Boost Konverter bei 3..4V Eingangsspannung so um die 10W.

Die Appnote hat schon sehr geholfen!

Mit der Gleichung auf S. 17 rechts oben habe ich berechnet, dass der Regler in meinem Fall maximal 13,16W leisten kann. Das reicht für meine Anwendung auch. Diese Leistung wird in dem jetzigen Zustand jedoch nicht erreicht. Zurzeit bringt der Regler nur etwa 4W.

Nun gibts in der Appnote auch noch eine Gleichung um die Induktivität der Spule zu berechnen. Auf S.18 rechts.
Kann mir jemand sagen was man für ΔI (Rippelstrom in der Spule) einsetzen muss in meinem Fall? Wenn ich wie in dem Datenblatt für einen Fall vorgegeben 0,5A einsetze komme ich auf eine benötigte Induktivität von 90µH. Habe ich es richtig verstanden, dass die Sättigung vom Kernmaterial abhängt und nicht von der Induktivität?

Die Formel auf Seite 17 für die maximale Leistung vernachlässigt schon mal die Verluste an der Diode. Das sind hier fast 10% !
Auch die Verluste der Spule muß man noch von der Leistung abziehen.
Außerdem wird eine sehr große Spule und entpsrechend ein vernachlässigberer Rippelstrom vorausgesetzt. Wenn man noch mal 0,5-1 A an Rippelstrom hat, bleibt es in der Spitze bei 5 A, im mittel werden nur etwa 4,5 A genutz, also auch noch mal 10 % weniger Leistung.
Ein Wert von 0,5 A als Rippel ist schon relativ klein. Mit den 50 µH wird man etwa das doppelte bekommen, wegen der halben induktivität. 1 A Rippel, oder etwa 20% vom Eingangsstrom sind so weit ich weiß so etwa das übliche.
Wegen der extra Verluste die nicht in der einfachen Formel drin sind, sind mehr knapp 8-10 W realistisch, keine 13 W.

Wieso nur etwa 4 W rauskommen kann man ohne Messungen mit dem Oszilloskop schwer sagen. Die Fehler könnten durchaus beim Ausgangselko (ESR) oder im Layout liegen. Außerdem sollte man erst mal eine gütmütigere Last, wie einen Widerstand zu nehmen, eine Motor ist für Tests nicht so gut, weil etwas schwer berechenbar.


Jedes Kernmaterial hat eine Feldsträke, ab der Sättigung eintritt. Wie viel Strom dazu gehört hängt von der Größe des Kerns und der Zahl der Windungen ab. Das Produkt aus Windungen mal Strom ist die entscheidende Größe. Wenn der Kern einen Luftspalt hat, ist auch die Luftspaltgröße wichtig: mehr Luftspalt gibt weniger Induktivität, aber höheren Sättigungsstrom.

Okay, wieder etwas weiter. Danke.

Ich kann die Induktivität einer Spule mit N Wicklungen und dem AL Wert wie folgt berechnen:

L = N² * AL

Wenn ich nun eine Spule mit 90µH benötige (wie es die Gleichung im Datenblatt vorschlägt) könnte ich einen AMIDON T106-26 mit 31 Windungen verwenden.
Nur ist jetzt die Frage ob diese Spule dann auch wie die FED 100µH (sofern sie es tut, ich nehme es aber mal an) in Sättigung gerät. Wie berechnet man das?

Die magnetische Flussdichte im Kern kann man wie folgt berechnen:

B = I * N * x

x ist irgendein Proportionalitätsfaktor. Nur wie ist der für mein Beispiel? Und wie groß darf die magnetische Flussichte im Kern werden ehe Sättigung eintritt?

Sofern mir bekannt, kann man in den Eisenpulverkernen eine sehr hohe Flussdichte fahren, ohne dass sie in Sättigung gehen. Sie erwärmen sich dann nur stärker.

MfG
Manu

Was spricht denn gegen Ferrit-Kerne? Geraten die zu schnell in Sättigung? Bei denen müsste man aufgrund des hohen AL-Werts weniger wickeln.

Bei Verwendung der richtigen Materialien und eines vernünftigen Al-Wertes eigndlich nichts.
Der genannte Amidon müsste doch ein Eisenpulver-Kern sein?

Ansonsten bei Ferritkernen kann man N. nach N=LxIpeak/(AxBmax) berechenen. A ist der min. Kernquerschnitt.
Der max. Al-Wert ist dann L/N²

MfG
Manu

Ich habe eine ähnliche Formel gefunden:

Imax = B*A / (N*AL)

Gilt die für Ferrit und Eisenpulverkerne?

Wenn ja dann käme ich beim T94-26 mit 39 Windungen (90µH) und einer maximalen Flussdichte von 1T auf einen möglichen Spitzenstrom von 16,415A ab dem dann Sättigung eintritt.
Den Wert für B bei Eisenpulverkernen habe ich im Internet irgendwo aufgeschnappt. Ist der korrekt? Kommt meine Rechnung auch hin?

Die letzte Formel, also Imax = Bmax*....
sollte für alle Kerne mit einigermaßen konstantem Querschnitt A gelten.
Nur die Werte Bmax und AL sind vom Material verschieden.
Bei Eisenpulver sollte man auf Bmax von ca. 1 T oder auch ein bischen mehr, bei Ferrite etwa bis 0,2-0,3 T gehen können.

Gut, danke, dann sollten meine Berechnungen ja stimmen.

Was haltet ihr jetzt von der durch die Gleichung in der Appnote vorgeschlagene Induktivität von 90µH für meinen Fall?

IN: 3,2V 4A
OUT: 7,4V ~1-1,5A

Der Wert von 90 µH klingt OK. Es macht ja auch nichts, wenn die Induktivität etwas größer ist. Bei der Induktivität macht es ja auch nicchts wenn bei der Testschaltung längere Drähte dran sind. Man kann für erste Test auch ruhig 2 Induktivitäten in Reihe schalten, um zu sehen obs geht.

Irgendwie finde ich das der Ausgangkondensator viel zu riesig ist das sind doch fast 10.000µF .
Wahrscheinlich kommt die Regelung total durcheinander weil
der Kondensator das ganze System sehr träge macht.

Zur Berechnung der benötigten Induktivität kann man auch die folgende Seite verwenden:

http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/smps.html

Und dann auf Aufwärtswandler. Dort gibt es auch Vorschläge an geeigneten Kernen und Windungszahlen.

Ferritkerne haben (bezogen auf die Baugrösse) einen sehr hohen Wert für Al. Daher kann man mit relativ wenigen Windungen eine recht hohe Induktivität erreichen. Allerdings geht die Spule dann sehr schnell in Sättigung. Aus diesem Grund baut man oft absichtlich einen Luftspalt ein. Damit braucht man zwar mehr Windungen, um die selbe Induktivität zu erreichen. Dafür geht die Spule dann nicht so schnell in Sättigung und kann somit mehr Energie speichern. Die Energie wird dabei übrigens zum grössten Teil in dem Luftspalt gespeichert.

Bei Eisenpulverkernen ist dieser Luftspalt quasi im Material enthalten. Dementsprechend ist der Al Wert niedriger.