28. DC-DC-Aufwärtswandler¶
28.1. Zielsetzung¶
Hier werden wir eine induktiv arbeitende Schaltung untersuchen, die eine Ausgangsspannung erzeugen kann, die höher ist als die eingespeiste Spannung. Diese Schaltungsklasse wird als DC/DC-Wandler oder Boost-Regler bezeichnet. In diesem Experiment wird die Spannung aus einer \(1,5\,V\) Versorgung (Batterie) auf eine ausreichend hohe Spannung (\(\approx 5\,V\)) angehoben, um zwei LEDs in Reihe zu betreiben. Beachten Sie, dass die Durchlassspannung der LED typischerweise \(1,8\,V\) beträgt, obwohl sie bei einigen Dioden bis zu \(3,3\,V\) betragen kann (blaue LED).
28.2. Anmerkungen¶
In diesen Tutorials verwenden wir die Terminologie aus dem Benutzerhandbuch, wenn es um die Verbindungen zur Red Pitaya STEMlab Board Hardware geht. Die Oszilloskop- und Signalgeneratoranwendung wird zum Erzeugen und Beobachten von Signalen auf der Schaltung verwendet. Die Erweiterungsstecker-Pins für die Spannungsversorgung \(+5\,V\), \(-3,3\,V\) und \(+3,3\,V\) sind in der Dokumentation dargestellt.
28.3. Hintergrundinformationen¶
Schließen Sie eine Ihrer LEDs vorübergehend an die \(1,5\,V\) -Batterie an. Achten Sie auf die Polarität der Diode, damit sie vorwärts gerichtet ist. Leuchtet es? Wahrscheinlich nicht, da \(1,5\,V\) im Allgemeinen nicht ausreichen, um eine LED einzuschalten. Wir brauchen eine Möglichkeit, die \(1,5\,V\) auf eine höhere Spannung anzuheben, um eine einzelne LED zu betreiben, geschweige denn zwei in Reihe geschaltete LEDs.
Ein Aufwärtswandler (Hochsetzsteller) ist ein DC/DC-Leistungswandler, der die Spannung (beim Absenken des Stroms) von seinem Eingang (Versorgung) zu seinem Ausgang (Last) erhöht. Es handelt sich um eine Klasse von Schaltnetzteilen (SMPS), die mindestens zwei Halbleiter (eine Diode und einen Transistor) und mindestens ein Energiespeicherelement enthalten: einen Kondensator, einen Induktor oder die beiden in Kombination. Um die Spannungswelligkeit zu reduzieren, werden in der Regel Filter aus Kondensatoren (teilweise in Kombination mit Induktoren) an den Ausgang (lastseitiger Filter) und Eingang (versorgungsseitiger Filter) eines solchen Umrichters angefügt.
Bemerkung
Die Funktionsweise des DC-DC Aufwärtswandlers wird in diesem Wikipedia-Artikel ausführlich erläutert. Vor der Versuchsdurchführung wird ein kurzer Überblick über die Theorie empfohlen.
Die klassische DC-DC Aufwärtswandlerschaltung ist in Abb. 28.1 dargestellt. Abhängig von der gewünschten Betriebs-(Schalt-)Frequenz und dem maximalen Nennstrom ist die Induktivität \(L_1\) auszuwählen. In diesem Experiment wird für \(L_1\) eine \(100\,\mu H\) Leistungsinduktivität mit \(1\,A\) -Nennstrom verwendet. Die Betriebs-(Schalt-)Frequenz sollte im Bereich von \(10-50\,kHz\) liegen. Für die Gleichrichter \(D_1\) kann klassische 1N4001 oder 1N3064 Dioden verwendet werden. Für den \(M_1\) -Transistor verwenden wir IRLU120N. Wir haben diesen Leistungs-MOSFET-Transistor ausgewählt, da er eine niedrige Schwellenspannung \(V_TH\) aufweist. Wenn Sie FET-Transistoren mit hoher Schwellenspannung und Niederspannungs-Treibersignal (Gatesignal) verwenden, kann das Schalten des MOSFETs nicht optimal sein. Der ausgewählte MOSFET hat bereits eine integrierte Bulk-Diode, so dass eine externe Diode D2 nicht erforderlich ist.
Bemerkung
Der einfache DC-DC-Aufwärtswandler-Rechner ist auch auf der Adafruit-Webseite verfügbar..
Für den Speicherkondensator \(C_1\) elektrolytischer Hochkapazitätskondensator gewählt werden. Die Auswahl dieses Kondensators hängt von den Nennströmen, der Schaltfrequenz und dem Wert der Indutivität ab. Aber um auf der sicheren Seite zu sein, wären Werte über \(10\,\mu F\) ausreichend. Ein in diesem Experiment verwendeter DC-DC-Aufwärtswandler ist in Abb. 28.1 dargestellt.
Abb. 28.1 DC-DC-Aufwärtswandler¶
In Abb. 28.1 ist die grundlegende DC-DC-Aufwärtswandlerschaltung dargestellt. Der Umrichterschaltung wird eine \(200\,\Omega\) Last hinzugefügt. Für den stabilen Betrieb des DC-DC-Aufwärtswandlers ist entweder eine konstante Last oder eine Lastregelung erforderlich. Ohne Regelung wirkt sich jede Änderung der Last auf den Ausgangsspannungspegel aus. Deshalb haben wir \(200\,\Omega\) Last eingestellt, um die Ausgangsspannung zu stabilisieren. Parallel zur Last werden zwei LED-Dioden in Reihe mit \(1\,k\Omega\) -Widerständen hinzugefügt. Beachten Sie, dass das Hinzufügen oder Entfernen zusätzlicher LEDs parallel zur Last keinen Einfluss auf die Ausgangsspannung hat, da die Stromaufnahme der LEDs viel geringer ist als die Stromaufnahme der \(200\,\Omega\) Last. LEDs dienen als Anzeige dafür, dass unsere DC-Batteriespannung von \(1,5\,V\) auf \(\approx 5\,V\) erhöht wird. Wenn die LEDs aus sind, bedeutet das, dass unsere Batteriespannung unter der LED-Vorspannung (\(2 \cdot 1,8\,V\)) liegt und somit anzeigt, dass die DC-DC-Aufwärtswandlerschaltung nicht ordnungsgemäß funktioniert.
Red Pitaya STEMlab-Ausgänge können Spannungssignale mit einem maximalen Ausgangsbereich von \(+/- 1\,V\) (\(2\,V_{pp}\)) erzeugen. Da für das MOSFET-Schalten die höheren Signalamplituden erforderlich sind, haben wir zwei NPN-Transistoren im Schaltmodus als Zwischenstufe, zwischen OUT1-Schaltsignal und MOSFET-Transistor verwendet. Das Rechtecksignal OUT1 schaltet den ersten NPN-Transistor ein und aus, wodurch die Kollektorspannung zwischen \(0-5\,V\) schwankt. Diese Kollektorspannung steuert dann den zweiten NPN-Transistor und seine Kollektorspannung, die ebenfalls zwischen \(0-5\,V\) schwankt, schaltet dann den MOSFET-Transistor ein und aus. Der Grund für die Verwendung von zwei NPN-Transistoren ist, dass das OUT1- und MOSFET-Gatesignal phasenrichtig sein müssen. D.h. wenn OUT1 high ist, sollte das Signal auf dem MOSFET-Gate ebenfalls high sein. Die Verwendung nur eines Transistors führt zu einer Phasenverschiebung von \(180\,^\circ\). Sie können hier auch das andere wichtigere Problem sehen. Wenn wir nur einen NPN-Transistor verwenden, dann wird der MOSFET-Transistor, wenn OUT1 ständig ausgeschaltet wird, ständig eingeschaltet und erzeugt einen Kurzschluss: Batterie - Induktivität - Mosfet - gnd. Die Verwendung von zwei NPN-Transistoren verhindert dies.
Warnung
Beachten Sie, dass die \(+5\,V\) -Spannungsschiene des STEMlab nur für die Transistorschaltung und nicht für die Lastversorgung verwendet wird. D.h. die elektrische Energie fließt von der Batterie zum LOAD und den LEDs.
28.4. Materialien¶
Rotes Pitaya STEMlab
1x \(1\,k\Omega\) Widerstand
3 x \(470\,\Omega\) Widerstand
1x \(10\,k\Omega\) Widerstand
1x \(100 \ mu H\) Leistungsinduktivität
1x \(47 \ mu F\) Kondensator
2x LED (rot)
1x 1W \(200\,\Omega\) Widerstand
1x Signaldiode (1N4001)
2x Kleinsignal-NPN-Transistor (2N3904)
1x Leistungs-MOS-Transistor (IRLU120N)
1x AA \(1,5\,V\) Batterie oder Labornetzteil
1x lötfreies Steckbrett
28.5. Verfahren¶
Bauen Sie die Schaltung aus Abb. 28.1 auf. Befolgen Sie dabei die obigen Anweisungen und orientieren Sie sich am Schaltzplan.
Abb. 28.2 DC - DC Boost Converter auf dem Steckbrett¶
Stellen Sie die Dämpfung der IN1- und IN2-Scope-Sonden auf x10 ein.
Verbinden Sie die IN1-Scope-Sonde mit dem Punkt 3 und dem IN2-Scope-Sonde mit dem Punkt 5 auf Ihrer Schaltung (Abb. 28.1).
Starten Sie die Applikation Oszilloskop & Signalgenerator - OUT1 muss deaktiviert (ausgeschaltet) sein
Stellen Sie in den Menüeinstellungen IN1 und IN2 die Sondendämpfung auf x10 ein
Wählen Sie im Menü MEASUREMENTS die Option MEAN für IN1 und IN2.
Was sind die Werte der Gleichspannung an Punkt 3 und 5 (Abb. 28.1)?
An dieser Stelle, wenn das Schaltsignal OUT1 deaktiviert ist, ist der DC-DC-Aufwärtswandler nicht funktionsfähig. Der Transistor \(M_1\) wird ausgeschaltet (Leerlauf) und die Batteriespannung wird über die Induktivität \(L_1\) und die Diode \(D_1\) auf die Lastseite übertragen (Punkt 5 in Abb. 28.1). Bei Gleichstromsignalen (kein Schalten) verhält sich die \(L_1\) -Induktivität wie ein Kurzschluss, daher wird die Ausgangsspannung durch die Batteriespannung um die Schwellspannung der \(D_1\) -Diode verringert: \(V_{out} = V_{Batterie} - V_{Diode}\). Dieser Zustand ist in den Messungen auf Abb. 28.3 dargestellt. Wie erwartet, werden die \(LED_1\) und \(LED_2\) nicht leuchten, da die Ausgangsspannung unter der Durchlassspannung der LEDs liegt (\(2 \cdot 1,8\,V\)).
Abb. 28.3 DC - DC - Boost - Konverter ist ausgeschaltet¶
Stellen Sie in den OUT1-Menüeinstellungen die Frequenz auf \(10\,kHz\), die Wellenform auf PWM, die Amplitude auf \(0,5\,V\), den DC-Offset auf \(0,5\,V\) ein, deaktivieren Sie SHOW und wählen Sie Enable.
Wählen Sie im Menü MEASUREMENTS P2P-Messungen für IN1 und IN2
Setzen Sie \(t/div\) -Wert auf \(100\,us/div\) (Sie können \(t/div\) mit horizontalen +/- Reglern einstellen)
An diesem Punkt, an dem das Schaltsignal OUT1 aktiviert ist, ist der DC-DC-Aufwärtswandler funktionsfähig und verhält sich wie oben in der Theorie beschrieben. Die Ausgangsspannung wird auf ca. \(5\,V\) angehoben und die LEDs leuchten. Dieser Zustand ist in Abb. 28.4 dargestellt. Wie wir aus den Messungen ersehen können, tritt bei Batterie und Ausgangsspannung eine Restwelligkeit auf, die durch Batteriespannungswelligkeit und Transistor \(M_1\) -Schaltung verursacht wird. Die Spannungswelligkeit der Batterie ist darauf zurückzuführen, dass die Batterie keine ideale Spannungsquelle ist, und wenn M1 eingeschaltet wird, verursacht der von der Batterie abgegeber Strom einen Spannungsabfall.
Abb. 28.4 DC - DC - Boost - Konverter ist eingeschaltet¶
Bemerkung
Welligkeitsspannungswerte sind einer der wichtigsten Parameter der DC-DC-Wandlerqualität. Die geringere Ausgangswelligkeit entspricht einem besseren DC-DC-Aufwärtswandler. Der Kondensator \(C_1\) wird daher benötigt, um die an Induktivität \(L_1\) und Diode \(D_1\) auftretende Schaltspannung zu kompensieren und zu glätten. Versuchen Sie, \(C_1\) zu entfernen und beobachten Sie \(V_{out}\).
Um die Schaltspannungen des \(M_1\) -MOS-Transistors zu beobachten, setzen Sie die IN1-Sonde auf den Punkt 2 (Abb. 28.1) und die IN2-Sonde auf den Punkt 4 (Abb. 28.1).
Stellen Sie im IN2-Einstellungsmenü den vertikalen Offset auf \(-4,0\,V\) ein (um das Signal IN2 besser sehen zu können).
Wählen Sie im TRIGGER-Menü NORMAL und stellen Sie den Triggerpegel auf \(3,0\,V\) ein.
Setze \(t/div\) Wert auf \(20\,us/div\) (Sie können \(t/div\) mit horizontalen +/- Reglern einstellen)
Abb. 28.5 M1 Schaltspannungen¶
Auf der Abb. 28.5 sind \(M_1\) Gate- und Drain-Signale dargestellt. Aus Abb. 28.5 können wir ersehen, dass das Gatesignal eine schaltende Rechteckwelle ist, die den Transistor steuert. Das Drain-Signal entspricht den Zuständen „offen/geschlossen“ des Transistors \(M_1\), aber im Zustand „aus“ sind deutliche Schwingungen sichtbar. Dies ist die Auswirkung der Induktivität \(L_1\), da diese jede Stromänderung durch sie hindurch annimmt, die die Drainspannung \(M_1\) beeinflusst.
Bemerkung
Der Ausgangsspannungswert des DC-DC-Aufwärtswandlers wird oft mit dem Tastverhältnis (Duty-Cycle) des Schaltsignals (PWM-Signal) gesteuert.
Um die Auswirkungen des Schaltsignals (OUT1) zu beobachten, setzen Sie die IN1-Sonde auf den Punkt 2 (Abb. 28.1) und die IN2-Sonde auf den Punkt 5 (Abb. 28.1).
Stellen Sie in den Menü Einstellungen IN1 und IN2 den vertikalen Offset auf \(-3,0\,V\) ein.
Setzen Sie \(t/div\) Wert auf \(50\,us/div\) (Sie können \(t/div\) mit horizontalen +/- Reglern einstellen)
In den Einstellungen des Menüs OUT1 das Tastverhältnis von 30% auf 80% ändern und die Ergebnisse beobachten.
Abb. 28.6 Oben: Ausgangsspannung bei 40% Einschaltdauer. Unten: Ausgangsspannung bei 80% Tastverhältnis¶
Warnung
Aus Abb. 28.6 können wir den Einfluss des Tastverhältnisses auf die Ausgangsspannung beobachten. Wenn wir mit der Tastverhältnis auf 0% oder 100% gehen, dann schalten wir den M1-Transistor aus oder schließen diesen kurz. Zur Vermeidung eines Kurzschlüßes und der damit verbundenen Schäden an der Schaltung, sollte die Einschaltdauen (high) begrenzt werden.
28.6. Fragen¶
Ändern Sie den Lastwert auf \(470\,\Omega\) und beobachten Sie die Ergebnisse.
Ändern Sie die OUT1-Frequenz auf \(5 - 20\,kHz\). Messen und zeichnen Sie die Wellenform der verstärkten Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms auf. Erklären Sie, was sich geändert hat und warum?
Wie würde das Hinzufügen eines LC-Filters am Umrichterausgang die Spannungswelligkeit beeinflussen?