Ripple am Ausgang eines DC/DC-Wandlers glätten

[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.

[Klebwax]

Eine Netztei-Stabilisierung machst Du auch nicht nur für analoge Schaltungen.

Eine stabilisierte Versorgung sorgt dafür, daß die Versorgungsspannung immer zum Verbraucher passt. Für analoge Schaltungen braucht man eigentlich keine stabilisierte sondern eine saubere Versorgung. Viele OP-Amps arbeiten von 3V bis 36V. Da muß man nicht viel stabilisieren. Digitale Schaltungen sind häufig pingeliger, aber einen ESP betreibe ich direkt an einem LiFePo4 Akku ohne Regler. Da passt die Spannungslage. Und viele µC arbeiten von 2,2 bis 5,5V. Die können direkt an eine Lithium Zelle. Nur hat man nicht immer die passende Spannung parat, dann muß ein Regler her.

Gut, dann kann ich es mir schenken.

Na, nicht ganz. Wenn die Versorgung mal richtig einknickt. der Regler überfordert ist, ein shoot through in deiner Brücke auftritt oder sonst was ungewöhnliches passiert, kann man schon was sehen. Und diese Fälle sind rund um Motore und andere größere Verbraucher nicht selten. Hier wurde oft genug über zuckende Servos diskutiert, aber kaum einer hat mal ein Scope an die Versorgung geklemmt.

Aber eine Aussage über die Ripplespannung in mV o.ä. kann man ohne das richtige Equipment und einen stabilen Messaufbau nicht machen. Ich würd immer erstmal die Schaltung nach den üblichen Regeln zum Laufen bringen und mir dann Gedanken darüber machen, ob eine saubere Versorgung eine Verbesserung der Funktion bringen kann. Der ganze Witz der Digitalisierung ist, analoge Schaltungen, die empfindlich für diese Art von Störungen sind, möglichst klein zu halten oder ganz zu vermeiden. Moderne Mikrofone z.B liefern gleich digitale Signale am Ausgang. Und die paar µA, die der Analogteil braucht, läßt sich mit ein paar nF leicht filtern. Gleichzeitig misst die Fläche, die die analoge Schaltung aufspannt in nm und fängt damit kaum Störungen ein.

MfG Klebwax

[Moppi]

Eine stabilisierte Versorgung sorgt dafür, daß die Versorgungsspannung immer zum Verbraucher passt. Für analoge Schaltungen braucht man eigentlich keine stabilisierte sondern eine saubere Versorgung. Viele OP-Amps arbeiten von 3V bis 36V. Da muß man nicht viel stabilisieren. Digitale Schaltungen sind häufig pingeliger, aber einen ESP betreibe ich direkt an einem LiFePo4 Akku ohne Regler. Da passt die Spannungslage. Und viele µC arbeiten von 2,2 bis 5,5V. Die können direkt an eine Lithium Zelle. Nur hat man nicht immer die passende Spannung parat, dann muß ein Regler her.

Sehe das eigentlich, wie Du. Diese und ähnliche Sachen gehen mir dabei auch durch den Kopf, wenn ich drüber nachdenke.

Nur ich habe festgestellt, dass dort eben auf der 3.3V-Leitung - vom nodeMCU-Spannungsregler - auch so 10mV oder was in der Größe Störungen drauf sind.
Wenn ich die 10mV bei 12V habe, ist das eine andere Sache. Deswegen war meine Frage, ob das elektr. Schaltungen stören würde. Ich habe mir nie Gedanken um so etwas gemacht, weil ich sowieso kein Meßgerät dafür hatte.
Wenn das nicht stört, muss ich das nicht beseitigen.

Wenn Du jetzt die Erfahrung gemacht hast, dass in der Größenordnung nicht viel zu messen ist, was eine sichere Aussage zulässt, ok.

Ich messe ohne Störverursacher und dann mit. So weit schaue ich mir das schon an. Und es ist schon zu erkennen, dass dort Störungen drauf sind. Die überwiegend aber auch durch die Motoren kommen. Das habe ich heute Morgen nochmal angeschaut.
Wenn es keinen Unterschied beim Messen gäbe, würde ich nichts sagen. Aber die Messungen sind auch wiederholbar, es sind auch keine Zufallssignale oder so.
Was mir aber wohl bewusst ist, dass die elektronischen Teile natürlich eine Abtastrate haben und dass die Werte u.U. nicht ganz stimmen, die angezeigt werden. Bloß ein analoges Gerät habe ich nicht.

Trotzdem Danke ich Dir nochmals für Deine Ausführungen!

MfG