Hab ne Frage zum Stromverlauf bei Step-Down Schaltungen: Wenn der Schalter geschlossen ist, fließt der Strom durch Schalter, Spule und die Last. Ist der Schalter offen, lässt die Spule den Strom weiterfließen, wobei natürlich kein Eingangsstrom gezogen wird. Jetzt aber: Wenn der Schalter geschlossen ist der Eingangsstrom == dem Ausgangsstrom. Ist z.B. ein Netzteil vorgeschalten muss dieses dem DC/DC Converter genauso viel Strom geben, wie dieser rauslässt (natürlich nur Pulsweise). Das ist natürlich nicht besonders gut. Um die Spitzenströme klein und die Ströme gleichförmig zu gestalten bietet sich also ein LC-EIngangsfilten an. Wie legt man die Grenzfrequenz im Verhältnis zur Schaltfrequenz des Schaltreglers aus? Aus meinen Simulationen werde ich nicht schlau, da dort schon die kleinste Drossel mit ELKO einen glatten Eingangsstrom hervorruft.
Es ist auf jeden Fall ein Elko direkt am Schalttransistor. Mit dessen vielleicht 30mOhm ESR bekommst du bei 1A Schaltstrom 30mV Restwelligkeit. Die kannst du dann mit L und C wegfiltern: grob gerechnet zum Beispiel 2*PI*10µH = 3,14 Ohm. Mit einem weiteren Elko mit 30mOhm einfach als Spannngsteiler berechnet werden aus den 30mV dann etwa 0,3mV. Die Stromschwankung im Eingang entspricht der Stromschwankung im Elko liegt dann noch bei 0,3mV / 30mOhm = 10mA. Sehr vereinfacht, aber die Größenordnungen sollten stimmen. In Schaltnetzteilen werden eben eher die ESR als die Kapazitätswerte zur Berechnung verwendet. Grüße, Peter
Hallo Peter, ich glaube ich habe mich falsch ausgedrückt. hmm Beispiel wäre gut: Eingangsspannung = 10V Ausgangsspannung = 5V Schaltzeit = 10µs Lastwiderstand = 1 Ohm Annahme: Verlustlose Wandlung. Im geschlossenen Schalter fließen 5A. für 5µs. Für den offenen Schalter fließt natürlich kein Eingangsstrom, sondern nur der Strom von der Spule durch die Last. -> Energieerhaltungssatz bestätigt. Der DC/DC-Konverter zieht also einen Eingangsstrom von 0A und 5A. (Ohne die Welligkeit durch die Spule zu beachten.) Jetzt bräuchte ich aber ein Filter, der aus dem gepulsten Strom einfach einen "Gleichstrom" von 2,5A erzeugt, so dass das vorgeschaltete Netzteil keinen so hohen Spitzen-Strom abkönnen muss.
>Eingangsstrom von 0A und 5A.
Genau. Da im Beispiel das Tastverhältnis 50% beträgt, ist dieser Strom
als so auf die Zeitachse "heruntergeschoben", dass er DC-frei wird:
Das ergibt einen Rechteckstrom von -2,5A (T ein) oder +2,5A (T aus).
Vorstellbar ist dieser Strom als Differenz zu dem im Transistor
fließenden (0/5A) und dem konstanten Eingangsstrom von 2,5A (gemittelt).
Diese Differenz muss jetzt der von Peter angesprochen Kondensator am
Eingang aufnehmen.
eingeschalteter Transistor:
- EIngangsstrom 2,5A
- Transistorstrom 5A.
=> Differenz: -2,5A, der Elko wird entladen.
eingeschalteter Transistor:
- EIngangsstrom 2,5A
- Transistorstrom 0A.
=> Differenz: +2,5A, der Elko wird geladen.
Dieser Strom von 2,5A erzeugt nach der bekannten Formel:
ic(t) d_uc(t)
----- = ---------
C dt
einen (dreieckförmigen) Spannungsverlauf über sich, also als
Eingangsspannung des Schaltreglers. Jetzt kannst du das nach uc
umstellen, und mal mit Werten etwas spielen.
Das war aber der ideale Elko. Der reale hat, wie Peter ebenfalls
angedeutet hat, einen in Reihe geschalteten WIderstand Resr genannt.
Dieser lässt zusätzlich eine Spannung durch den Elko-strom abfallen.
- Diese ist "verloren" und deshalb sollte der Resr möglichst klein sein.
- Wie du schon festgestellt hast, spielt die Kapazität keine so große
Rolle.
Wichtig ist noch folgendes zu beachten.
Ströme fließen immer in geschlossenen Stromkreisen. Die beiden hier
vorkommenden hast du ja schon richtig dargestellt. Aber ein
geschlossener Stromkreis ist immer eine Induktivität. Diese versucht,
Stromänderunen (also das Schalten des Transistors und das übernehmen des
Stromes durch die Diode/Elko) zu verhindern.
Somit muss so ein Schaltregleraufbau möglichst induktionsarm aufgebaut
werden. Dazu gehören auch geeignete Elkos mit zB kurzen
Anschlussbeinchen.
@Igor Metwet (bastel-wastel) Hast dich schon richtig ausgedrückt. Ich bin bei meiner Antwort vom konkreten Aufbau eines Abwärtswandlers ausgegangen. In dem Schalter müssen ja nach dem Schließen gleich 5A fließen. Die müssen aus einem direkt dort angeschlossenen Elko kommen, andernfalls bricht die Eingangangsspannung zumindest kurzfristig ein. Deine Filterbetrachtungen können erst ab diesem Elko einsetzen. Ein reiner Entstörfilter würde gleich mit einer Drossel beginnen, das geht hier aber nicht, der Schalttransistor braucht die 5A, und zwar gleich. Grüße, Peter
Ach ja: die Berechnung der Stromwelligkeit der Speisung (Spannungsquelle) hängt von deren Innenwiderstand ab. Wenn sie ständig versucht, die von mir oben berechnete Restwelligkeit von 30mV auszuregeln, fließt natürlich viel Wechselstrom. Der Innenwiderstand der Speisung gehört also mit zur Simulation. Grüße, Peter
Danke an euch beide! Also reicht ein ELKO als Pufferung am Eingang? Wenn der Innenwiderstand des vorgeschalteten Netzteil jetzt sehr gering ist, dann hätte ich also die starken Pulsströme. Kann ich für die Rechnung/Simulation also einen Innenwiderstand+Leiterwiderstand und einen Eingangskondensator als RC-Filter ansehen und berechnen? Die Größe des Cs muss ich also so groß wie möglich wählen, um den Stromripple am Eingang zu reduzieren. Gibts noch einen weiteren Trick um dem Schaltnetzteil einen "Gleichstrom" "zuzuführen" oder ist ein großer eingangsseitiger ELKO die standardmäßige Vorgehensweise?
@Igor Metwet (bastel-wastel) Zusätzlich zu unserem ersten Elko eine Drossel mit ein paar µH und noch ein low-ESR-1000µF-Elko, bevor es zum Netzteil geht, dann ist wirklich gut. Wenn es dann irgendwann um die Funkentstörung (leitungsgebunden und abgestrahlt) geht, kümmern wir uns um die höheren Frequenzen :-) Grüße, Peter
Hmm, dann würde aber eigentlich ein LC-Glied ohne vorgeschalteten Kondensator reichen. Das LC filtert ja die schnellen Stromanstiege heraus, so dass die Spannung am vorgeschalteten NT nicht zusammenbrechen sollte. Natürlich schadet es nicht - werde ich also einsetzen. Zur Drossel nochmal: Berechnet man die Größe (Grenzfrequenz) oder nimmt man da Erfahrungswerte? PS: Mir fehlt einfach die Erfahrung/Wissen um eine Schaltung/Leiterplatte EMV-gerecht zu designen. Ich verfüge auch nicht über das nötige Messequipment. Für die Heimanwendung zählt daher vor allem die Funktion ;-) PPS: Danke nochmal für die Hilfe.
Igor Metwet wrote: > Hmm, dann würde aber eigentlich ein LC-Glied ohne vorgeschalteten > Kondensator reichen. Im Prinzip ja, da sich ein Kondensator sicher auch im Netzteil befindet. Aber es widerstrebt mir, eine Drossel einseitig offen zu lassen... > Zur Drossel nochmal: Berechnet man die Größe (Grenzfrequenz) oder nimmt > man da Erfahrungswerte? Zum Basteln: Erfahrungswert und verfügbarkeit. Drossel kann 2 - 20µH sein. Grüße, Peter
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