In show your projects liet ik een boostconvertertje zien gemaakt met een LM 339 quad comparator. Aangezien smps voedingen steeds gangbaar worden leek het me mooi hier eens over te brainstormen.
http://www.pa4tim.nl/?p=4364 : hele verslag
http://www.pa4tim.nl/wp-content/uploads/2013/06/boostconverterMK2.png
Het schema (wat te groot om te plaatsen.
Ik heb het gebouwde ding vandaag aan de tand gevoeld en er is nog de nodige ruimte voor verbetering. Niet dat dat voor mijn toepassing nodig is maar hij ligt nu toch nog aan de beademing en mijn manier van bouwen laat de nodige modificaties makkelijk toe.
Er zijn vast mensen die bv de 555 versie hebben gebouwd en daar eens aan kunnen meten. Zo kunnen we wat vergelijken.
Een boost converter is feitelijk vrij eenvoudig qua basis principe. We hebben een spoel die we tussen voeding en massa leggen. Er gaat een flinke stroom door lopen en dan nemen we de spoel los van massa. dat werkt natuurlijk een beetje lastig, 15000 x per seconde die spoel los nemen vergt veel training gelukkig hebben we transistors en mosfets daarvoor.
dat moet echte snel gebeuren. De schakelaar moet helemaal open en hele maal dicht. Dat zijn de twee punten waarop dissipatie minimaal is. Dat schakelen moet dus zo snel mogelijk. Dan bedoel ik de rise en fall time van de gate of basis. Als dat traag verloopt is de dissipatie groter.
De opgeslagen energie moet ergens heen. Daarvoor bieden we een diode aan. De output is een blokgolf van bijna nul volt tot een hele hoge spanning.
http://www.pa4tim.nl/wp-content/uploads/2013/06/smps2_drain.png
Hier is hij de juiste spanning door een controlle lus. Maar zonder die voorziening kan dat zomaar honderden Volts zijn. Ligt aan je belasting, spoel en de tijd dat de schakelaar gesloten blijft. Loopt er te veel dan gaat de spoel in verzadiging. Zoals je hier onder ziet.
Er gaat stroom vloeien, de zelfinductie werkt dat tegen. Deze zelfinductie wordt bepaald door het aantal wikkelingen, de maten en vooral de kern. Deze kern heeft echter het nadeel dat hij bij te veel stroom zegt, bekijk het maar en in verzadiging gaat. Daardoor neemt de zelfinductie af en als geviol kan er meer stroom lopen en krijg je een soort zelfvernietigings ritueel waarbij het ding het letterlijk uitgilt van de pijn ( echt gaaf op zo'n verzadigingstester kun je zo hele melodietjes spelen)
Hoe vaker je dat kunstje doet, des te meer vermogen je voeding kan leveren. Zie het als emmers water, ipv ieder uur met 10 man een enorm vat water over de rand te kiepen, kun je ook in je eentje een uur lang kleine emmertjes leeg gieten.
Hoe meer stroom je nu uit die spoel en diode trekt hoe lager de spanning wordt. We moeten dus iets bedenken om de spanning op een vaste waarde te houden. Dat gebeurd via de feedback. In mijn geval, een spanningsdeler. Deze spanning gaat naar " iets" wat actie onderneemt als de spanning te hoog wordt of te laag omdat de belasting bv toeneemt. Hij maakt een soort error signaal.
Dat " iets" heeft een paar mogelijkheden. Het kan de frequentie varieren bij een vaste 50% dutycycle.
Het kan een korte puls op de gate zetten en de frequentie varieren bij gelijk blijvende dutycycle
Het kan de frequentie varieren en de duty cycle
Of frequentie en dutycycle aanpassen. Dat is wat ik doe.
Hier bij lichte belasting.
En hier bij volle belasting.
Verbeteringen die denk ik mogelijk zijn:
- een schottky diode over de MOSFET om de negatieve piek ook gelijk te richten
- verbeteren van de gate drive. Sneller.
- Een grotere uitgangs elco en echt filter ipv even wat willekeurigs.
- een Vref als instelpunt ipv de spanningsdelers naar de voedingsrail.
Bij 1,4A doet hij zijn best met 22V maar met 220uF is dit te veel gevraagd.
Dynamische test:
Er is gesuggereerd dat er een opamp te veel zit. Dat klopt waarschijnlijk wel maar dit was een quad pack dus who cares
Maar met twee lukt niet. De oscillator wil je niet met zijn uitgang direct aan de gate.
Belangrijke onderdelen:
- schakelelement, een MOSFET met een zo laag mogelijke Rds-on en snel genoeg.
- De gate drive, de boel mag niet op eigen gelegenheid gaan oscilleren. Als dat gebeurd heb je een echt probleem want je regeling doet niks meer en je spanning vliegt omhoog.
- de diode, deze moet snel schakelen. Dus een korte turn on, turn of en recovery time. Anders gaat er te veel vermogen in je diode verloren. De Schottky is hier gangbaar.
- De spoel, de meeste boost converter projecten mislukken door de spoel. De waarde is niet de bottleneck. Ik heb hier 10 uH tot meer dan 1 mH gebruikt. Maar hij mag niet verzadigen bij de piekstromen en bij de frequentie.
Gevaar: geen stroom begrenzing.
Als er iets fout gaat, bv de oscillator slaat af mag, je sturing niet zo zijn dat de FET open blijft staan. Die wordt in heel korte tijd geroosterd. Maar als de FET dicht blijft dan gebeurd er iets anders. De ingang is dan alleen door een spoel en diode gescheiden van de uitgang. Die spanning is veel lager dus dat is geen ramp, maar meestal kan de source bij die lage spanning veel meer stroom leveren (denk bv aan een 100Ah accu als bron !!
Commerciële ICs hebben vaak currentsensing, starten altijd op, kunnen onder een bepaalde stroom in sleep mode etc. Zo' n IC is veel makkelijker. Een spoel, een FET en wat weerstanden en voor lage vermogens zit er soms zelfs al een FET in.
Eigenlijk zijn schakelende voedingen heel simpel. De buck converter werkt op het zelfde principe. Alleen orden je de componenten anders.
Zo, ik ben benieuwd naar voorgestelde verbeteringen, leerzame toevoegingen of experimenten van anderen
Het slachtoffer.
Geen regeling:
Hele primitieve regeling:
Aanrader: literatuur en appnotes van Jim Williams over switchers.