Abwärtswandler 60V-15V

[sombrero]

Hallo Andreas, hallo Daniel,
Zu dem Laderegler 60V auf 15V,10A habe ich neue Messungen gemacht. Es sieht so aus als ob eine Gegentaktstufe zur Ansteuerung des Mos Fet doch nicht benötigt wird. Allerdings richtig
Leistung(150W) habe ich noch nicht abgefordert. Wenn sich zeigt, daß eine Gegentaktsufe noch besser ist, werde ich die dazu anstricken. Bei einer solchen ist es wohl nicht einfach zu erreichen,
daß unter keinen Umständen beide Transistoren zugleich leitend sind. Das muß ganz sicher sein, es wäre ein veritabler Kurzschluß.

Zu den Messungen mit den beiden Induktivitäten.
1. eine Ringkerndrossel mit 20Wdg 1mm = 4mH
2. 74Wdg 1mm = 1.2mH auf einem E-42 Ferritkern mit eingebautem Luftspalt von 2mm und Drahtwiderstand von 0.136 Ohm.
Der Hersteller gibt an, der E-42 ist für 100W bis 25kHz geeignet. Daniel Du wolltest aber 150W. Da muß womöglich ein E-55 her.
Der E-42 hat folglich einen niedrigen Al Wert ( 0.22uH / Wdg * Wdg ). Der verhältnismäßig große Luftspalt sagt mir, daß Induktivitäten ohne Luftspalt bei dem hier diskutierten Strom * Wdg
schnell am Anschlag sind (Sättigung). Und da darf man ja auf gar keinen Fall hin.

mit L = 4mH Belastung 44 Ohm oder eine 21W 12V Glühlampe. Das sind 1750mA u. 6.9 Ohm.
.....Uein(V).....Iein(mA).....Uaus(V).....Iaus(mA)........eta% = 100% * Paus / Pein
.....61.4.........290.............12........272.7............18,37% (44 Ohm)
.....31.1.......1730..............12.......1750..............39% (6.9 Ohm)
.....28.8.........273.............12........272.7............41.6% (44 Ohm)
.....15.1.......1684..............11.35......................____....................(12V bei (6.9 Ohm) wurde nicht mehr erreicht da Uein nur 15.1V Netzteil zu schwach).
.....55.3.........561.............24 ........545.4...........42.2% (44 Ohm)

mit E-42 L = 1.2mH Belastung 44 Ohm oder eine 21W 12V Glühlampe. Das sind 1750mA u. 6.9 Ohm.
......67.1........87.8............12........272.7............55.5% (44 Ohm)
......56.4........531.............12........1750.............70.12% (6.9 Ohm)
......30.5........145.............12........272.7............74% (44 Ohm)
.....15.64........162.............12........1750.............82.8% (6.9 Ohm)
......61.8........282.............24.........545.4...........75.1% (44 Ohm)

Das ganze habe ich in Freiluft Elektronik auf einer Lochrasterplatine verdrahtet. Die besonderen Stellen an denen ein vielfaches von Strom Iaus fließen können sind noch nicht besonders kurz u. dick gehalten.
Das wäre die Zuleitung von D1,D2 über Si 15A, T1, D3,D4.
Ein sehr gutes Zeichen ist es: Die Doppeldiode D3,D4 (Schottky) wird heiß. Es fließt da etwas. Im Dauerbetrieb braucht sie einen kleinen Kühlkörper.
Der Mos Fet T1 entwickelt nicht viel Verlustwärme. Er hatte für die Messungen einen winzigen Aufsteckkühlkörper. Ich konnte die Messung etwa 2min ausführen, dann wurde T1 doch zu warm.
Noch fordern wir ihn auch nicht richtig.
mfg Peter Sombrero

[MyCo]

@Peter, die Effizienz ist nicht sonderlich berauschend, hast du es mal mit kleineren Spulen probiert? Hast du die Induktivitäten mal gemessen? Bei meinen selbstgewickelten (errechneten) Spulen komme ich laut Messgerät nie annähernd an das heran an das ich wollte. Habe erst neulich eine 1,5mH Spule gewickelt, nach dem durchmessen waren es gerade mal 10µH.

Eine Gegentaktstufe ist sehr hilfreich, da sie den Mosfet sehr schnell umschalten kann. Das reduziert die Erwärmung enorm... bei meinen Tests mit dem diskreten Wandler habe ich testweise 45Watt gewandelt mit über 85% Effizienz und der Mosfet hat sich fast garnicht erwärmt.

Bei deiner großen Spule schaut es so aus, als würde er garnicht wandeln. Da würde ich mit nem Oszi mal nachschauen. Bei der kleinen Spule hast du einmal mit >800% gewandelt wie geht denn das?

[andreas]

Hallo,

Bei meinen selbstgewickelten (errechneten) Spulen komme ich laut Messgerät nie annähernd an das heran an das ich wollte. Habe erst neulich eine 1,5mH Spule gewickelt, nach dem durchmessen waren es gerade mal 10µH.

dort muss was faul sein, entweder an der Rechnung oder an der Messung oder am Kern. Meine Ringkerne kalkuliere ich mit dem mini-Ringkern-Rechner und das Ergebnis stimmte immer mit der späteren Messung überein. Miß doch mal einige Festinduktivitäten mit bekanntem Wert nach - zeigt Dein Meßgerät deren Werte korrekt an?

MfG. Andreas

[MyCo]

Die Festinduktivitäten stimmen fast immer. Mittlerweile messe ich alle analogen Bauteile durch bevor ich sie einbaue, und bei selbstgewickelten Spulen kann einfach soviel daneben gehen... zB. Kern hat nen Riß, hat seine Eigenschaften verloren, wurde mit H/100Wdg. spezifiziert aber in der Doku wurde dann das "pro Hundert" weggelassen... ist alles schon vorgekommen.

[andreas]

Hallo,

ganz so wild sehe ich das nicht. Die meisten hier verbauten Kerne entstammen dem Schrott und sie sind intakt. Was davon mal nackt auf den gefliesten Boden fällt, darf man vergessen, aber der Rest tut es. Noch bewickelte Kerne sind oft durch Lack und Kupfer so gut geschützt, dass denen nichts passiert.

Ansonsten muß man messen, gerade bei unbekannten Kernen hilfreich. Zehn Windungen rum, Induktivität messen. Was dann schon 1 mH hat, taugt kaum als Wandlerkern. Mit zwei mal zehn Windungen an kurzen Zuleitungen kann man den Frequenzbereich erforschen, sofern Hf-Generator und -Spannungsmesser vorhanden ist.

Wirklich schwer ist das nicht, setzt aber einige Messmittel voraus.

Selbstgebaute blechfreie Induktivitäten waren mir viele Jahre lang ein großes Rätsel und wurden daher tunlichst vermieden. Seitdem ich sie vermessen und beurteilen kann, ist der Umgang damit deutlich einfacher geworden.

MfG. Andreas

[sombrero]

Hallo MyCo,
Doch die Schaltung wandelt. Ich sehe es an den Meßwerten und höre es am singen der Spule.
Du schreibst noch, bei der kleinen Induktivität hätte es mit >800% gewandelt. Was heißt das eigentlich? Noch verstehe ich nicht was Du meinst.
Ich denke der Wirkungsgrad eta% ist gemeint. Aber schau mal in die Meßwerte. Es heißt da eta 82.8%. Das ist für diesen provisorischen Aufbau nicht schlecht. Es wird besser, vielleicht auch durch neue
Ansteuerung von Mos Fet T1.
Aber ganz neugierig bin ich mal auf Meßwerte von Deiner Schaltung. Auch die, bei denen nur kleine Last am Ausgang ist. Wenn man bedenkt daß ohne Last eta = Null% ist, wird sich zeigen das man bei kleiner Last kaum 50% erreichen kann.
Zu der Frage welche Induktivitäten man am besten verwendet (große oder kleine)
Verwendet man kleine L muß man mit der Frequenz hoch, das bringt neue andere Verluste mit sich. Ich neige zu großem L und kleiner Frequenz. Denn Platz auf der Platine ist doch genug da.
Was man da mehr an Volumen bei der Induktivität benötigt spart man bei dem Volumen des Kühlkörpers.

Zu den verwendeten Spulen kann ich noch etwas sagen:
1. Der Ringkern ist von Conrad u. hatte 10Wdg u. 1mH. Wenn ich 20Wdg aufbringe dann hat er 4mH. Das ist ganz sicher. Natürlich hat er keinen Luftspalt.
2. Der E-42 Kern ist ebenfalls von Conrad u. hat Al = 0.22uH / Wdg*Wdg. Das sind bei 74Wdg 1.2mH. Er hat einen festen Luftspalt von 2mm den man noch vergrößern kann.
Dieser Wert 1.2mH ist auch ohne L-C Brücke ganz sicher.
mfG peter Sombrero

[sombrero]

Hallo MyCo,
Bei meiner Berechnung des Wirkungsgrades habe ich einen Fehler gemacht. Da hast Du vollkommen Recht.
Ich schrieb in der einen Zeile:
.....Uein(V).....Iein(mA).....Uaus(V).....Iaus(mA)......eta% = Paus * 100% / Pein
.....15.64.........162...........12...........1750.........82.8% ... das ist falsch.
Denn es ergibt den 8 fachen Wert der aufgewendeten Leistung. Das ist ja mehr als Perpetuum Mobile. Energiegewinn aus dem Nichts. Nein, da hätten wir ja nichts mehr zu tun.
Du hast es gemerkt.
Es muß heißen:
.....15.64.......1620............12..........1750..........82.8%

mfG Peter Sombrero

[sombrero]

Hallo,
Hier ist eine andere Art der Ansteuerung für Mos Fet T1. Die Potenziale für sperren und für leiten des T1 liegen jetzt niederohmig am Gate des p-Kanal Mos Fet.
Damit wirken sich die drei ungewollten Kapazitäten innerhalb des Mos Fet nicht mehr so stark aus. Langsames schalten und schlechter Wirkungsgrad waren die Folge.
Eine Gegentaktstufe ist es nicht. Darum ist bei dieser Lösung auch die Gefahr, daß der obere und untere Transistor gleichzeitig leiten nicht vorhanden. Durch Messungen und manipulieren
in der Schaltung könnte dieser Zustand einmal eintreten.
Diese Änderungen beziehen sich auf die Schaltung vom 22.03.
Der senkrechte oder waagerechte Strich neben den Transistoren T6, T10, T1 bedeutet leiten bzw sperren im betrachteten Moment.
Wenn T6 leitet dann sperrt T10 und über 150 Ohm liegt 0V am Gate. T1 leitet dann vollkommen. Dabei fließt kein Strom durch T10, 150 Ohm T6 solange die Eingangsspannung unter 18V+1.4V =19.4V liegt. 1.4V das sind die beiden Basis Emitterdioden von T9,T10.
Oder in dem anderen Fall:
T6 sperrt dann leitet T10 und es liegt die gesamte Eingangsspannung am Gate. Ug = Us = 60V. T1 sperrt vollkommen. Es fließt ebenfalls kein Strom.
Aber leider fließt Strom wenn die Eingangsspannung größer als hier (19.4V) wird. Dazu, wie man den Mos Fet schützt ohne das es Verluste gibt ist mir leider noch nichts eingefallen. Vielleicht hat
jemand die zündende Idee ohne dabei den Aufwand zu hoch zu treiben?
Da heißt es doch leistungslose Steuerung von Mos Fets. Diese Ugsmax +- 20V machen einem einen ganz dicken Strich durch die Rechnung. Ich bin knapp unter 20V bei 19.4V.
Für den Fall einer Eingangsspannung von 60V sieht es mit der Verlustleistung so aus:
Es leitet T6, dann liegt auf dem Gate von T1 60V - 18V - 1.4V = 40.6V, durch die 150 Ohm fließen nun 271mA, das sind 11W. Man bekommt einen Schreck. Aber der läßt nach wenn man
bedenkt, daß der Strom nur 1/4 der Zeit fließt. 15V / 60V. Aber rund 2.75W sind es immer noch. Die gesamte Schaltung mit Änderungen folgt.
mfG Peter Sombrero

Mos Fet Anst..jpg

[sombrero]

Hallo an die Regler Interessierten,
Ich will heute die letzte Version mit allen Änderungen einstellen mit ein paar Hinweisen, wie man die Schaltung am besten aufbaut. Das ist nicht schwer wenn man
löten kann und wenn man weiß, welches an den Halbleitern jeweils (Basis Collektor Emitter) ist.
Wenn man keinen Löt- Bestückungs- oder Verdrahtungsfehler macht läuft der Regler auf Anhieb. Ich glaube Daniel, Du hast schon einen anderen Regler gefunden und genug von den Änderungen?
Die Einspeisung der pos. Gleichspannung von Sonnen- und oder Windgenerator muß möglichst nahe am Source von T1 sein, hier noch vor Sicherung Si 15A. Der 0V gnd von den Generatoren
kommt ganz nahe an den gnd von D4 bzw gnd von Elko 1000uF(25V). Alle Strecken dazwischen müssen kurz sein und viel Querschnitt haben. Auch der Weg von L zu pos Akku und neg Akku zu gnd muß
kurz und dick sein.
Ich würde noch ein Voltmeter und ein Amperemeter in den Ausgang legen zur Kontrolle des Akkus. Und je einen Kippschalter vor der Entkopplung der beiden Quellen D1,D2.
So kann man mal testen wieviel Power gerade von Wind oder Sonne kommen.
Als letztes das Potentiometer 25k nach außen legen. Mit dem soll man die obere Ladespannung einstellen. Diese ist ja unterschiedlich je nach Akku und Anschluß usw. Der Stellbereich ist absichtlich eingeengt.
Hier geht er von 12V-15V oder 24V-30V je nachdem ob man einen Jumper an eine der Z15 setzt oder nicht.
Mos Fet T1 sowie Doppeldiode D3,D4 benötigen einen Kühlkörper, einen Größeren dann mit Glimmer und Wärmeleitpaste beide zusammen oder T1 u. D3,D4 einzeln. So wie es im Layout
am besten passt.
Für die max 50Watt die ich ausgetestet habe reichte je ein kleiner Aufsteckkühlkörper für T1 bzw D3,D4. Wenn die Last kommt muß es ein anderer Kühlkörper her.
Noch ein paar Zahlen zum Wirkungsgrad:

...Uein(V).....Iein(mA)..........Uaus(V).....Iaus(mA)..........eta% = 100% * Paus / Pein
.....60...........50..................12............0..................0
.....30...........29..................12............0..................0
.....64.5.......124..................12.........272.7...............40.6%
.....29.8.......195..................12.........272.7...............56.3%
.....60.3.......300..................24.........545.4...............72.3%
.....41.8.......400..................24.........545.4...............78.3%
.....57.1.......500..................12........1750.................73.5%
....30.9........860..................12........1750.................79.0%
....43.6.......1250.................26.8......1866.................91.7%
....32.3.......1550.................25.5......1776.................90.4%

Viel Spaß beim Bauen
mfG Peter Sombrero

Mos Fet Anst..jpg

[Daniel_K]

Hallo Peter (und alle anderen)!

Danke für die Schaltung. Ich habe mich lange nicht gemeldet, da ich im Augenblick nichts beitragen konnte und auch warten wollte, was nun herauskommt. Sobald ich Zeit habe, werde ich die Schaltung mal nachbauen. Sobald bei mir Ergebnisse vorliegen, werde ich mich melden.

MfG Daniel