Testje met een Buck converter rondom de TL431

Geïnspireerd door Blackdog zijn verslagen, waar ik veel van leer, maar voornamelijk omdat ik hier zin in had, mijn poging om iets bij te dragen aan het forum. :)

Ik zag laatst een filmpje over de TL431. Nou leek me het wel een leuke component om eens wat mee te spelen. Zo duur zijn ze niet dus heb meteen een handje vol besteld. Er is geen betere raad dan voorraad zal ik maar zeggen. In de datasheet van Motorola zag ik een schema staan van een buck converter die met een handje discrete componenten te maken is. Nu zal dit geen geweldige specs hebben, maar het ging er mij meer om het principe eens te proberen / ervan te leren. En bovenal hier lol in te hebben. Ik heb een aantal componenten vervangen door een ander type. Puur en alleen omdat ik dit had liggen en even snel wat wilde proberen. Ik moet mijn voorraad nog eens wat uitbreiden met wat ELCO's... Met de juiste waardes voor de condensatoren en de spoel verwacht ik dat de 1 A uit de datasheet prima haalbaar is. Ik ben niet verder gegaan dan 100 mA. Meer lijkt me niet zo nuttig voor dit testje.

  • MPSA20 => BC546
  • TIP115 => TIP135
  • 2N5823 => BYW29
  • 2200µF ingang condensator => 220 µF (Brrr, vies maar ik had even niets liggen.)
  • 470µF uitgang condensator => 100 µF (Brrr, vies maar ik had even niets liggen.)
  • 150µH => Iets randoms wat ik uit een oude ATX-voeding heb gesloopt. Met een onbetrouwbaar apparaatje gemeten op zoon 24µH. Wederom aan gebrek bij beter, misschien morgen nog eens wat beter zoeken of misschien zelf iets wikkelen.

Het schema volgens de datasheet.

Transistor in geleiding
Net voor het midden van het scopebeeld waar de gele lijn hoog is staat de transistor in geleiding. Tijdens dit moment zie je dat de uitgangsspanning met een rechte lijn stijgt. Dit is het effect van de spoel die de verandering probeert tegen te werken. Terwijl dit gebeurt, wordt het veld in de spoel wordt steeds sterker ofwel, de spoel wordt opgeladen. Na een tijdje vind de TL431 de spanning wel hoog genoeg en schakelt hij de transistor uit.

Diode in geleiding
Nadat de transistor is uitgeschakeld zie je dat de gele lijn direct naar ongeveer 0 V valt. Dit is te danken aan de diode die nu in geleiding staat. De spanningsval over de diode is natuurlijk niet veel groter dan 0.7 V. De diode wordt in geleiding gehouden omdat de spoel nog veld heeft. De stroom door de spoel blijft dus gewoon lopen. Na een tijdje is het veld rondom de spoel verdwenen en stopt de stroom door de spoel / diode.

!@#$%^&*
Het veld van de spoel is opgebruikt en de spoel stopt met geven van stroom. Hierdoor stopt ook de stroom door de diode en is de uitgangsspanning direct gekoppeld aan de collector van de transistor. Hieraan is te zien dat de inductie van de spoel niet groot genoeg is! En ik had doodleuk een veel te kleine spoel in het schema geplaatst, ja dan krijg je dit soort dingen. Maar wel weer goed voor de leerfactor. Misschien ook leuk om nog eens een testje te doen met een spoel met een te kleine verzadigingsstroom en uiteraard een geschikte spoel.

  • Geel. De collector van de transistor
  • Blauw. De rimpel op de uitgang.

Hier een meting van de voeding. Belast met 50 Ohm bij een uitgangsspanning van 5 V.

Dus wat nu? Misschien leuk om nog eens een testje te doen met een paar andere spoelen. Wat is het effect van een goeie spoel of een spoel waarvan de verzadiging stroom te klein is. Een ander idee wat in mijn hoofd rondspookt, is een gescheiden voeding. De feedback gaat dan via een opto coupler.

Nog wat foto's van de opbouw, ik gebruik hier en daar wat SMD spul, dat past lekker makkelijk tussen de vakjes. :)

PE2BAS

Op 11 januari 2022 23:51:16 schreef hardbass:

!@#$%^&*
Het veld van de spoel is opgebruikt en de spoel stopt met geven van stroom. Hierdoor stopt ook de stroom door de diode en is de uitgangsspanning direct gekoppeld aan de collector van de transistor. Hieraan is te zien dat de inductie van de spoel niet groot genoeg is! En ik had doodleuk een veel te kleine spoel in het schema geplaatst, ja dan krijg je dit soort dingen. Maar wel weer goed voor de leerfactor. Misschien ook leuk om nog eens een testje te doen met een spoel met een te kleine verzadigingsstroom en uiteraard een geschikte spoel.

altijd leuk :-) maar waarom denk je dat je spoel te klein is? Er moet nu eenmaal een "dode" tijd zijn, anders kan het geheel niet regelen (denk er even over na). als de spoel leeg is hangt die aan de collector, anders ook... en de transistor geleid niet, dus kan geen kwaad.

Op 11 januari 2022 23:51:16 schreef hardbass:

Transistor in geleiding
Net voor het midden van het scopebeeld waar de gele lijn hoog is staat de transistor in geleiding. Tijdens dit moment zie je dat de uitgangsspanning met een rechte lijn stijgt. Dit is het effect van de spoel die de verandering probeert tegen te werken.

Ik vond dat altijd een bizarre, beetje overbodige stelling (de wet van Lenz). de spoel werkt niks tegen, maar ze neemt energie op en dat kost spanning maal stroom en die stroom stijgt en daalt lineair. vandaar de onderbroken zaagtand aan de uitgang

Waarom daalt de spanning sneller als de spoel nog stroom levert dan wanneer hij op is?

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Op 12 januari 2022 06:22:26 schreef rew:
Waarom daalt de spanning sneller als de spoel nog stroom levert dan wanneer hij op is?

goeie vraag en ik denk dat de ESR (of de inductantie bij werkfrequentie)van de bufferelco er voor iets tussen zit .

Ik dacht dat de dodetijd alleen nodig was bij synchrone converters om te voorkomen dat beide fets tegelijk in geleiding staan. Tijdens het 'ontladen' van de spoel zakt de uitgangsspanning nog steeds. Dat klopt ook want de stroom door de spoel neemt af. Dus ik zou verwachten dat hij dan wel kan regelen. Al is dit met een dynamisch load wellicht anders, als de load tijdens het ontladen van de spoel ineens verdwijnt dan kan de uitgangsspanning oplopen. Dan komt er vanzelf een dode tijd zodra de spoel ontladen is.

Wat je zegt over het 'tegenwerken' van een spoel kan ik me volledig in vinden. Al kan het woord wel helpen met uitleggen van de werking van een schakeling. Je zou het ook anders kunnen bewoorden.

Rew heeft ook wel een scherpe opmerking, ik zou zelf namelijk ook verwachten dat de spoel even snel zou moeten opladen als ontladen. Ik denk dat het is omdat de spanning over de spoel anders is tijdens opladen dan ontladen.

Ul = -L (di / dt)

Hmm ik heb hem nog niet helemaal ik moet er nog even over na denken.

PE2BAS
hennep

Golden Member

Leuke aanpak.
Het rendement wordt beter bij grotere spoel. Zie LTSpice simulatie.

72% bij 150uH
77.4% bij 330uH
82% bij 1mH

Leuk dat je de simulatie hebt gemaakt, ik kan hem helaas niet draaien hier. Ik krijg de melding dat hij de TIP125 en de TL431 niet kan vinden. Mijn LT Spice kennis is wat roestig, maar ik ga kijken of ik de modellen ergens kan downloaden.

PE2BAS
hennep

Golden Member

https://github.com/HenniePeters/LTSpice

Ik heb de dissipatie van de pnp schakeltranistor nog wat kunnen verlagen. rendement zit nu tegen de 83%

Ja de simulatie werkt nu, erg handig, dankjewel.

De datasheet claimt de volgende specs:

[Bericht gewijzigd door hardbass op 12 januari 2022 15:30:06 (38%)]

PE2BAS

De "gewenste output ripple" wordt ingesteld met de 10 ohm Rx.

Ik vroeg me nog af of ze nog een positive feedback er in hadden zitten om er voor te zorgen dat ie niet perongeluk "lineair" gaat zijn. Dat is die zelfde 10 ohm met de 4k7 Rx. Als je de 10 ohm te klein maakt dan loop je het risico dat ie "in lineaire mode" gaat.

Als de ingangsspanning 20V is en de uitgang 5V, dan heb je tijdens de aan-tijd 15V op de spoel staan (minus de saturatiespanning van de schakeltor). Tijdens de uit-tijd staat er -5V (plus de geleidingsspanning van de diode) over de spoel. Het opladen van de spoel kan dus 3x sneller dan het ontladen.

Gaat ie in continuous conduction mode (dan is de spoel nog niet leeg tegen de tijd dat de spanning al weer onder de grens zakt), dan krijg je ongeveer 3x langere off-tijd dan dat je on-tijd hebt.

In je plaatjes heb je dat niet. De spoel loopt leeg en dan is de ondergrens nog niet bereikt. de diode komt uit geleiding en de spoel komt spanningsloos (na wat slingeren).

Een wat hogere belasting dan zal je hem zeker in CC mode kunnen krijgen.

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

Ah dat vroeg ik me ook al af, op het eerste gezicht zag ik in het schema niet waarom dit geen lineaire regeling zou zijn. Een van de redenen waarom ik dit heb gebouwd.

Kon het toch niet laten, ik heb even zelf een spoeltje gewikkeld met de kern van de oude spoel. Deze komt uit op ongeveer 100 µH, gemeten door een 100 ohm weerstand in serie te zetten. Vervolgens met de functiegenerator en de oscilloscopen bepaald dat bij 150 kHz evenveel spanning over de spoel als de weerstand valt. Dus 100 µH bij 150 kHz.

Opnieuw gemeten wat de voeding nu doet, dit is 12 V in en 5 V uit. Belasting is nog steeds 50 Ohm. Het wordt tijd voor een beetje fatsoenlijke load, nu heb ik gewoon een paar weerstanden parallel gezet. Werkt wel, niet zo handig.

@Kris van damme, zou je kunnen toelichten waarom de dode tijd nodig is om te kunnen regelen? Ik zie dat hij met een grotere inductie geen dode tijd meer. De spanning aan de uitgang is wel 5 V.

[Bericht gewijzigd door hardbass op 12 januari 2022 17:24:16 (11%)]

PE2BAS

Op 12 januari 2022 17:21:48 schreef hardbass:
zou je kunnen toelichten waarom de dode tijd nodig is om te kunnen regelen? Ik zie dat hij met een grotere inductie geen dode tijd meer. De spanning aan de uitgang is wel 5 V.

[bijlage]

om te kunnen regelen, in functie van de belasting (dat had ik er moeten bijschrijven). Bij vollast is het ok dat er geen dode tijd meer overblijft, maar als de belasting kleiner word komt er een moment dat die verschijnt. Ik wou vooral schrijven dat dit geen kwaad kan, gezien je reactie : !@#$%^&* vond je dat ergerlijk en/of fout, maar dat is het niet. probeer maar eens onbelast..

Als je het zodanig bouwt dat er ook al bij een kleine last geen dode tijd over blijft, dan kan bij grote belasting verzadiging van de kern optreden. wil je absoluut niet. En dan is de kans groot dat bij nullast het ding gaat huppelen, cycli overslaat.
Door de grotere spoel wordt minder energie verzet in dezelfde tijd. daardoor wordt de aan tijd en dus ook de ontlaadtijd gewoon langer, weg dode tijd. Wil ook zeggen de frequentie naar beneden gaat..

Volgens de scoop is de frequentie van 63 naar 51 gezakt. De frequentie zakt iets, maar niet veel

Je ziet nu ook duidelijk dat het aanzetten best behoorlijk tijd kost. Mijn botte-bijl schatting voor de schakelverliezen is: schakeltijd maal volle stroom maal volle spanning. In de praktijk is natuurlijk de stroom nooit de hele tijd vol, de spanning nooit de hele schakeltijd maximaal. Dus dit is een overschatting. Maar als je het "warmte-afvoeren" daarop begroot gaat het goed. En het geeft iets extra "drang" om de boel te optimaliseren. Dus als je het rendement omhoog wilt, kan je onderzoeken waarom het schakelen zo lang duurt en of je er iets aan kunt doen.

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/

@Kris, bedankt voor de uitleg. Ik wil graag nog wat proberen bij verschillende belastingen om een beetje gevoel te krijgen wat er dan gebeurt.

Ik heb er ook aan zitten denken om te kijken of ik de schakeltijden korter krijg. Misschien met een MOSFET en een juiste driver ervoor. Alleen ik weet niet of ik daar zin in heb. Ik vind het leuker om te kijken of ik een flyback principe kan maken. Al is het wel een grappige uitdaging om te kijken hoe efficiënt het is te krijgen natuurlijk.

PE2BAS

Voor flyback zou ik gelijk een UC384X nemen, dat is een erg makkelijk te doorgronden IC om zoiets te maken.

Zonder je topic teveel te verontreinigen, ik heb daar een flyback van 12V naar 450V 100mA mee werkend.

Bij TME kan je flyback kernen van ferryster krijgen, te vinden onder impuls transformers.

expert in percussive maintenance