Abwärtswandler 60V-15V

[MyCo]

theoretisch kannst du das machen. Der Aufwandt wird sich aber evtl. nicht lohnen, da der Regler mit recht geringer Frequenz arbeitet, und das Laden&Entladen des Mosfet Gate macht die bisherige Treiberstufe eigentlich ordentlich schnell.
Noch als Randnotiz: R4 und R5 sollten mindestens 1W abkönnen und Q2,Q3 müssen auf einen Kühlkörper.

[andreas]

Hallo,

R4 und R5 sollten mindestens 1W abkönnen und Q2,Q3 müssen auf einen Kühlkörper.

das ist eigentlich nicht mehr Stand der Technik. In den 70ern und 80ern hätte man das aber widerspruchslos akzeptiert. Die Schalterei geht hier bei einigen zig kHz ohne fühlbare Verluste der Treiber ab, das bleibt alles kalt. Selbst der P-Fet wird nicht warm, allein die 200-V-Schottkydiode auf dem gemeinsamen Kühlkörper bringt handwarme Verluste. Die deutlich dickeren 40-V-Typen waren besser (und kühler), aber die überstehen die Spannungen der Praxis nicht wirklich. Kompromisse, die allein durch konsequenten Schrott-Einsatz entstehen...

MfG. Andreas

[MyCo]

Q2 und Q3 müssen nicht wegen extremer Hitze auf einen Kühlkörper, sondern wegen der thermischen Kopplung, sie sollten quasi beide die selbe Temperatur haben. Q3 wird generell wärmer als Q2 und durch die thermische Kopplung bleiben die Schaltdifferenzen einigermaßen konstant.

Edit: die Dioden sind tatsächlich überdimensioniert, aber ich habe die ganze Schaltung einfach mit Teilen aufgebaut, die ich da hatte.

[sombrero]

Hallo,

So eine Gegentaktstufe zur Ansteuerung von Mos Fet ist schon Stand der Technik. Aber bei einem Abwärtswandler der selbst bei Belastung
höchstens auf 50kHz kommt ist das gar nicht notwendig.
Über den niedrigen Durchlaßwiderstand von Transistor Q2, Q3 sollen ja die beiden Kapazitäten G-S und G-D schnell auf-und entladen werden. Zum Gewinn kurzer Schaltzeiten. Aber trotzdem müssen Widerstände (bei MyCo R4, R5 mit 10 Ohm und D1 in Gateleitung).
Die müssen auch dort unbedingt hinein um Zenerdiode D1 Strom zu begrenzen, und Spannung S-G unter 20V zu halten. Seite 11 des Threads von MyCo.
Aber R4,R5 sind viel zu niedrig bemessen wenn Ueingang 60V. Was ergibt das für eine Verlustleistung bei 60V?

Bei Andreas ist das so mit R4 und Q1, Q2. Ohne alles komlett verstanden zu haben, ist sicher alles richtig so. Dein Thread Seite 13.
Aber ich habe an der Gegentaktstufe noch nicht erkannt wie die Spannung S-G unter 20V gehalten wird wenn wir mit Ueingang z.B. 60V fahren?
Geht das über D1,R2,R3,D3,Q4. Und ist R5,Q3,D2 eine Konstantstromquelle?
Dann bei höherer Spannung gehen die Verluste erst richtig los. Das sind dann keine Schaltverluste sondern Verluste an diesen genannten Widerständen u. Zenerdioden.

Die Eingangs Kapazität bei von mir gewähltem Mos Fet IRF9540 ist 1.3nF. Da sind wohl beide Kapazitäten addiert. So ergibt sich rechnerisch als Auf- u. Entladezeit:
Zeit t = (10 Ohm +10 Ohm) * 1.3nF = 26ns bei MyCo.
.....t = 4.7 Ohm * 1.3nF = 6ns bei Andreas.
.....t = 150 Ohm * 1.3nF = 195ns bei Sombrero

Solche kurzen Schaltzeiten sind wichtig bei Schaltnetzteilen die auf 1MHz oder mehr schwingen.
Aber hier die Unterschiede spielen kaum eine Rolle bei höchstens 50kHz Schaltfrequenz. T = 1 / 50kHz = 0.02ms = 20us = 20000ns. Das ist doch dagegen eine verhältnismäßig lange Zeit.
An meinem Enwurf (von T6 bis Gate T1 gilt meine Endstufe) sieht man das.
Die Schaltverluste kann man da vollkommen vergessen, aber das was wenn T6 durchgeschaltet ist und Strom fließt kann man nicht vergessen.
Wenn 60V anliegen sieht es nicht mehr so schön aus.
Dann fließt Strom über T10, 150 Ohm und T6 nach gnd 0V. Bei Ueingang 60V gewandelt dann auf 15V zwar nur 1/4 Zeit. Alles bei meinem Schaltungentwurf. Den ich nochmal anhänge.

I = 60V-(18V + 07V + 0.7V) / 150 Ohm = 0.27A
P = 60V * 0.27A = 16.24W. Da nur 1/4 der Zeit diese Leistung ansteht, immer noch 4.06W.
Das ist mir auch zuviel bei 60V. Aber mach es mal kleiner. Bei Spannungen unter der Zenerspannung ZPY18 schaltet auch meine Schaltung ideal.

mfG Peter Sombrero

Mos Fet Anst.22k C weg.jpg (108.29 KiB) 10760-mal betrachtet

[andreas]

Hallo Peter,

Bei Andreas ist das so mit R4 und Q1, Q2. Ohne alles komlett verstanden zu haben, ist sicher alles richtig so. Dein Thread Seite 13.
Aber ich habe an der Gegentaktstufe noch nicht erkannt wie die Spannung S-G unter 20V gehalten wird wenn wir mit Ueingang z.B. 60V fahren?

dies wird durch die Speisung dieser Stufe ermöglicht. Du siehst dort Ub und Ub-9V. Mit diesen 9 V läuft die Endstufe zur Gateansteuerung. Daher ist keine Gatespannungsbegrenzung mehr notwendig.

Geht das über D1,R2,R3,D3,Q4. Und ist R5,Q3,D2 eine Konstantstromquelle?

Nein. Q3 und Q4 sind normale Verstärkerstufen. Die Dioden zwischen Basis und Kollektor beschleunigen die Schaltvorgänge. C1 und D1 sorgen für eine Aufstockung der Kollektorspannung von Q4, um Q1 voll durchzusteuern. Eine kleine Grafik dazu:

BoostQ1.png (8.59 KiB) 10742-mal betrachtet

Hier ist schön zu sehen, wie die Wirksamkeit von Q1 mit der Boost-Spannung ansteigt. Als Nullpunkt für die Spannung wurde Ub-9V gewählt.

MfG. Andreas

[sombrero]

Hallo Andreas,

Eine geniale Idee, die Gegentaktansteuerung eines Mos Fet einfach mit einer kleinen Spannung zu machen. Wirklich ich finde das sehr gut.
Die Ausführung ist auch einfach. Wenn 60V die größte Spannung ist die gewandelt werden soll. Widerstand u. Zenerdiode ZPY51 wird benötigt. Um 9V zu erzeugen.
Zwischen 60V und 51V abgegriffen liegen 9V. Da sieht man mal, so einfach kann Elektronik sein. Deswegen kommt man auch mit einem 2N2222 als Q1 aus.
Die Gate-Source Spannung kann nie größer als 9V werden.
Ist der Boostkondensator überhaupt noch notwendig? Na ja. Er ist nun mal da.
Und die Boostspannung wird durch R3,D3,Q4 begrenzt. Erzeugt wird sie über R2,C1, R4,Q2.
Die Ansteuerung von Q3 kann wieder auf die normale Masse gnd 0V bezogen werden.
Da gibt es kein Potential Wirr Warr.
Vielen Dank für die saubere Erklärung.

mfG Peter Sombrero

[andreas]

Hallo Peter,

Du zäumst das Pferd von hinten auf. Für die Erzeugung einer Spannung von 9 V unter der Betriebsspannung nimmt man im einfachsten Fall eine 9-V-Z-Diode, klemmt die oben an die Betriebsspannung und setzt unten einen Vorwiderstand nach Masse. Dann sind die 9 V auch bei 10 oder 20 V Ub vorhanden.

Für eine sinnvolle Aussteuerung von Q1 ist eine Spannung größer Ub erforderlich. Daher ist der Booster immer notwendig, wenn keine andere Möglichkeit gefunden wird. Die Boostspannung wird übrigens nicht begrenzt. Sie tritt als Kollektorspannung von Q4 auf und dürfte den mit vielleicht 15 V nicht überfordern. D3 liegt für diese Spannung in Sperrrichtung, hat also keinen Einfluss darauf. Die wirkliche Last für die Boostspannung ist der Basisstrom von Q1. Der kommt impulsartig an die hundert mA ran, wenn die in der Grafik angedeuteten Kollektorströme fließen. Bei so hohen Strömen ist nämlich die Stromverstärkung von Transistoren schon recht gering.

MfG. Andreas

[sombrero]

Hallo Andreas,

Ja, D3 liegt wirklich in Sperrrichtung für die Boostspannung, aber D3 ist eine Zenerdiode.
Wenn D3 eine solche Z mit 15V ist, wird die Boostspannung die >15.7V ist an Collektor Q4 gekappt.
Das Strom durch D3 also der Basisstrom von Q4 bewirken das. Collektor von Q4 steht immer stabil bei 15.7V. Eine typische Spannungsgegenkopplung mit Zenerdiode von Collektor nach Basis Q4 ist das.
Die Boostspannung an C1 könnte auch durch Ripple auf der Ub > als Ub selber werden. Denn D1 macht ja eine Gleichrichtung die den Spitzenwert festhält.
Deshalb ist eine Begrenzung der Boostspannung vielleicht doch sehr sinnvoll.

mfG Peter Sombrero

[andreas]

Hallo Peter,

Ja, D3 liegt wirklich in Sperrrichtung für die Boostspannung, aber D3 ist eine Zenerdiode.

eher nicht - die BAT46 ist eine Schottky-Diode mit einer Sperrspannung von 100 V. Nach "bat46 datasheet" gegoogelt, findest Du auf der ersten Trefferseite das Datenblatt als Pdf. Eine Z-Diode hat im Ltspice auch ein anderes Symbol.

MfG. Andreas

[sombrero]

Hallo Andreas,

Simmt, BAT46 ist eine Schottkydiode 100V 115mA. Eine Zenerdiode wird auch wirklich anders dargestellt. Das ist mir bekannt.
Aber eine Schottkydiode hatte doch immer das gleiche Schaltzeichen wie eine normale Diode. Das hat sich wohl geändert.

Aber zur E-Technik. Was macht eine stinknormale Schottkydiode an der Stelle wo D3 oder auch D2 liegt?
In Sperrrichtung gedacht bewirkt sie nichts. In Durchlaßrichtung gedacht macht sie eine kleine Vorspannung von 0.4V. Aber wozu?
Verkürzen der Schaltzeiten?
Fragen wir den Entwickler.

mfG Peter Sombrero