Feedback zu 12v/400v Boost-Converter

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skudo
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Feedback zu 12v/400v Boost-Converter

#1 Beitrag von skudo »

Ich habe mich über die letzten paar Tage mit Sperrwandlern, Boost-converter usw. befasst und ich wagte mich heute mal an die erste Schaltung. Mein Ziel ist es mein Elko (3.9mF) mit 400v zu laden und dies möglichst portabel zu gestalten. Die Eingangsspannung beträgt 12v und kann bis zu 20A liefern. Das MOSFET (IRF1404 Rds=0.004) wird mit 5KHz bei 97% Tastgrad angesteuert mit einer 440-460uF Induktivität. Zusätzlich habe ich mit den Opamps ein Überladungsschutz gestaltet. Das erste Opamp hat 5v als Vref und 400V entsprechen mit dem Spannungsteiler ca. 4.996v. Der zweite Opamp invertiert das Signal des ersten Opamps um das Relais anzusteuern.

Da es sich hier um meinen ersten Versuch handelt, einen Boost-converter zu designen, wollte ich noch die Profis nach feedback fragen.
Habt ihr Verbesserungsvorschläge oder seht ihr mögliche Probleme? (auf LTSpice hat alles wunderbar geklappt und es erreichte nach ca. 13sek. die 400v).

Ich füge den Schaltplan einmal als Bild und als EAGLE Datei in den Anhang.
(Ich entschuldige mich schonmal für Rechtschreibfehler, hatte einen strengen Tag :) )
Boost_Converter.png
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Caploader.zip
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VEKTOR
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Re: Feedback zu 12v/400v Boost-Converter

#2 Beitrag von VEKTOR »

Moin

Ich kann nicht viel dazu sagen ob es Sinn macht einen Boost Converter zu nutzen für einen derart großen Spannungsunterschied.
Ein Sperrwandler scheint mir hier besser geeignet, jedoch verstehe ich voll und ganz das diese natürlich aufwendiger sind.

Was ich aber kritisch sehe ist das Relais bzw. das fehlen eines richtigen Ausschalters.
Wenn dein Kondensator voll ist, der NE555 abgeschaltet und das Relais abgefallen ist musst du irgendwie dafür sorgen das der NE555 nicht mehr angehen kann denn wenn die Spannung im Kondensator wieder singt,
durch z.B. Entladewiderstände würde der OP das sofort merken und den NE555 wieder aktivieren, welcher wiederum den MOSFET pullst.
Jetzt ist aber das Relais sehr träge verglichen zum NE555 und würde nicht rechtzeitig schließen so das der Strom durch die Induktivität bei abschalten des MOSFETs nicht über die Diode in den Kondensator kommutieren kann.
Also würde der MOSFET die gesamte Selbstinduktionsspannung abbekommen und vermutlich durchschlagen.

Das ganze ist für was Impulsstrom mäßiges, CoilGun oder so?

mfg VEKTOR
ALLES was ich sage kann auch FALSCH sein, M'Kay ?

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Count-Doku
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Re: Feedback zu 12v/400v Boost-Converter

#3 Beitrag von Count-Doku »

Hi,

ich habe auch schon mal Boost Converter für solche Spannungsdifferenzen designt. Es funktioniert, abhängig davon wie viel Strom du am Ausgang haben willst.
Ich betreibe mit 12V -> 380V ein magisches Auge und das funktioniert ziemlich gut. Vektor hat sicherlich recht, das Relais ist als "Notaus" sicher ungeeignet. Du kannst da doch besser nur den NE555 deaktivieren (was du eh schon machst). Ab da steigt die Spannung ja definitiv nicht weiter. Für die Regelung allgemein könntest du auch den CONTROL Pin des NE555 nutzen, dann kannst du ein weicheres Regelverhalten bekommen, als nur Hochfahren -> Abschalten.

Hier mal mein Schaltplan von damals, je nach MOSFET brauchst du halt einen Gatetreiber.
boost.png
(Achtung, die Spannungsteiler sind dort noch für eine niedrigere Spannung von ca 200V berechnet, ich merkte erst später, dass das nicht reicht).

C4 und R7 haben massiv gegen die Erwärmung des FETs beigetragen.

Wenn es der Boost nicht tut, kannst du auch auf diese Royer Inverter von kleinen CCFL (zum Beispiel für PC Beleuchtung) umsteigen. Die liefern zwar Wechselspannung, aber wenn du die Gleichrichtest (und evtl noch verdoppelst), kannst du damit ziemlich hohe Spannungen erreichen mit wenig Aufwand. So stelle ich z.B. 1200V her für eine Kathodenstrahlröhre. 600V AC aus dem Inverter, mit Verdoppler gleichgerichtet.

Im Anhang unten noch ein weiterer Boost für einen Geigerzähler, ebenfalls ca 400V.
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boost494.png

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skudo
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Re: Feedback zu 12v/400v Boost-Converter

#4 Beitrag von skudo »

Vielen Dank @VEKTOR und @Count-Doku.

Ich habe bereits mit dem Sperrwandler experimentiert, jedoch ist der für meine Verhältnisse noch etwas zu kompliziert, um es korrekt zu dimensionieren (darum halt Boost-Converter).
Die Sache mit dem Relais ist mir ehrlich gesagt gar nicht in den Sinn gekommen und da hat VEKTOR auch recht. Das muss definitiv noch was geändert werden. Und ja, diese Schaltung wird in meiner neuen Coilgun gebraucht (da ich nun endlich mal ein Oszi habe, lassen sich solche Converter und Trafos viel leichter bauen und ich fand es noch ein interessantes Projekt, die Coilgun portabler zu gestallten).

Danke noch an Count-Doku für die Schaltpläne, ich werde mir die noch ein wenig genauer anschauen und auch dein Vorschlag mit dem NE555 hört sich noch gut an.
Jedoch verstehe ich den Nutzen von C4,C5 und R7 nicht ganz...
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Count-Doku
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Re: Feedback zu 12v/400v Boost-Converter

#5 Beitrag von Count-Doku »

C5 ist einfach nur ein Pufferelko direkt an der Eingangsspannung. Je nachdem wie lang deine Leitungen vom Netzteil bis zur Spule sind, macht der Sinn.

C4 und R7 bilden einen Snubber. Dieser hilft, sehr hochfrequente Anteile vom Schalten abzuleiten. Dies entlastet T1 etwas. Natürlich sind in dieser Bauform die Selbstinduktionsspitzen beim Abschalten explizit gewünscht, aber trotzdem brachte der Snubber bei mir etwas hinsichtlich der Erwärmung, ohne die Leistung zu verschlechtern. Wichtig ist das der R groß und der C klein gewählt wird.

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skudo
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Re: Feedback zu 12v/400v Boost-Converter

#6 Beitrag von skudo »

Achso, alles klar!
Vielen Dank für die rasche Antwort :)
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skudo
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Re: Feedback zu 12v/400v Boost-Converter

#7 Beitrag von skudo »

Nun ich hatte jetzt endlich wieder Zeit weiter an diesem Projekt zu arbeiten. Ich habe mir einen Prototypen gebaut (turn-off schaltung korrigiert). Momentan zieht es leider nur 3A max. woran dies liegt ist mir noch ein Rätsel, da bei LTSpice in den ersten 10Sek etwas 15-8A flossen. Wie dem auch sei lädt der Elko relativ schnell auf und der MOSFET wird nicht sonderlich heiss(momentan noch ein IRFP460 da der IRF1404 noch nicht angekommen ist. Leider einen etwas hohen RDS(on) aber habe grad nichts besseres rumliegen). Ich habe mal mit dem Oszi den Ausgang (bzw. am Elko) gemessen und musste feststellen, dass es viele sehr hohe und teils auch negative Spannungsspitzen (sieht aus wie ein LC Schwingkreis) gibt und negative Spannungsspitzen sind ja nicht sonderlich gesund für nen Elko. Meine Vermutung war, dass es evtl. an der Diode liegen könnte, jedoch geschah das selbe bei allen Dioden die ich getestet habe. Momentan hab ich den P1000M (1KV 10A) daran und es sieht nicht sehr schön aus.

Ich habe auch den von Count-Doku vorgeschlagenen Snubber benutzt.

Hat jemand eine Idee woran das liegen könnte? (Btw. es ist eine 10X Probe, heisst die hier angezeigten Spannungspspitzen sind in wirklichkeit 10mal grösser :/ )

Mir ist soeben noch aufgefallen, dass am Gate des MOSFETS auch solche oszillationen (mit negativen Spannungsspitzen) vorhanden sind.

Messungen am Elko:
2.jpg
2.jpg (48.62 KiB) 215 mal betrachtet
1.jpg
1.jpg (41.59 KiB) 215 mal betrachtet
Zuletzt geändert von skudo am Do 25. Jun 2020, 16:59, insgesamt 3-mal geändert.
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Re: Feedback zu 12v/400v Boost-Converter

#8 Beitrag von Count-Doku »

Kannst du mal dazu sagen, auf welchem Oszi Bild man was sieht?

Falls das obere dein Gatesignal und das untere am Kondensator ist: Deine Einschaltzeiten sind viel zu klein.

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skudo
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Re: Feedback zu 12v/400v Boost-Converter

#9 Beitrag von skudo »

Nun hier ist das Gatesignal

Es handelt sich bei den oberen Bildern nur um die Messung am Elko. Das untere ist einfach mehr hineingezoomt
3.jpg
3.jpg (37.23 KiB) 198 mal betrachtet
Es sind 2.6KHz bei 97% Tastgrad. Auf diversen Webseiten wird die Formel D = 1- (Vin*n)/Vout gegeben. Bei 12v Vin und 400v Vout mit 80% effizienz gibt das 97.6% Tastgrad
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Re: Feedback zu 12v/400v Boost-Converter

#10 Beitrag von Count-Doku »

Ok, das Gatesignal sieht schonmal ok aus. Was hast du als Last und kannst du mal eine Diode in Richtung UF4007 verwenden? Als Last vielleicht einfach eine Glimmlampe + 100k Widerstand?

Zeig sonst evtl auch nochmal den Schaltplan, den du jetzt nutzt.
Ich befürchte, dass dein Ausgangssignal den Schwellwert sehr schnell erreicht, und dann dein NE555 zurückgesetzt wird. Weil du keine analoge Regelung hast, sondern nur ein hartes Schalten.


So sieht das Gatesignal (gelb und der Ausgang bei mir aus), 200V mit einer Glimmlampe als Last.
Dateianhänge
RIGOL Print Screen25.06.2020 18_03_03,197.png
RIGOL Print Screen25.06.2020 18_03_03,197.png (23.21 KiB) 189 mal betrachtet

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Re: Feedback zu 12v/400v Boost-Converter

#11 Beitrag von skudo »

Hm alles klar, Vielen Dank.

Als Last habe ich einen 3.9mF Elko (der Converter dient als Ladeschaltung für den). Im Prototypen habe ich die Regelung nicht eingebaut, da ich die noch zuerst als alleinstehendes Modul testen möchte. Also wird demnach auch nichts zurückgesetzt. Den UF4007 (EDIT: Mein Hirn hat mal wieder nen Aussetzer gehabt. Es war der 4004 und nicht 4007) habe ich sogar auch getestet. Nur ist der mir beim 4ten Ladevorgang mit ca. 320v explodiert :/
Ich zeichne kurz nen neuen Schaltplan werde ihn dann in diesen Post editen.
4.png
Zuletzt geändert von skudo am Do 25. Jun 2020, 17:38, insgesamt 1-mal geändert.
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Re: Feedback zu 12v/400v Boost-Converter

#12 Beitrag von Count-Doku »

Übrigens, für die Signale wie oben bei habe ich übrigens folgende Daten gemessen:

Code: Alles auswählen

12,3 V DC in  
0,121 A DC in
 = 1,49 W DC in

200 V DC out
0,003 A DC out
 = 0,600 W DC out

=> 40% Effizienz
Du könntest am NE555 ein Poti verwenden, um die Einschaltzeit langsam zu erhöhen. Dabei mitm Oszi die Signale im Auge behalten und schauen ob und wann die Ausgangsspannung hoch geht. Oder eine Regelung einbauen.

(Das die UF4004 hops geht, ist klar)

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Re: Feedback zu 12v/400v Boost-Converter

#13 Beitrag von skudo »

So ich habe oben die neue Schaltung eingefügt.
Uff nur 40% Effizienz, das ist natürlich nicht gerade optimal...
Wie du im Schaltplan siehst habe ich die Potis schon eingefügt. Zwar lässt sich der Tastgrad nur so zwischen 80-99% einstellen dafür kann man die Frequenz recht gut einstellen. Bei tieferen Frequenzen mit höherem Tastgrad zog die Schaltung viel mehr Strom und folglich war der Elko auch viel schneller geladen. Doch auf lange dauer scheint mir das nicht gesund mit den Spitzen ^^

EDIT: hab nen UF4007 gefunden, werde mal von neuem messen
EDIT2: Habs getestet. Die Spannungsspitzen waren immernoch vorhanden, jedoch war die Effizienz um EINIGES höher. Es zog immernoch so um die 2.3A und innerhalb 7-10sek hat es >220V erreicht, was vorher etwa 20-30sek gebraucht hatte. Der MOSFET macht momentan so komische pfeifgeräusche, irgendwie tut der mir leid :)

EDIT3: Die Effizienz scheint etwas über 50% zu sein bei mir, es geht langsam in eine gute Richtung ^^
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Thunderbolt
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Re: Feedback zu 12v/400v Boost-Converter

#14 Beitrag von Thunderbolt »

Bist du sicher, dass die spannungssspitezen wirklich da sind und nicht von irgendwelchen einsteuungen kommen?
trenn mal tastkopf von der schaltung, klemm die masseklemme direkt an den tastkopf (tastkopfspitze auf GND) und halte das ganze da hin, wo du gemessen hast.
wenn die spitzen immernoch da sind, könnten es einsteuunngen in die masseleitung sein

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Re: Feedback zu 12v/400v Boost-Converter

#15 Beitrag von Count-Doku »

Um die negativen Spitzen abzuleiten könntest du eine Diode antiparallel zum Elko schalten.

Ansonsten empfehle ich am NE555:
- den Kondensator zwischen CNTRL und GND vielleicht mal auf 100nF zu erhöhen (ändert vermutlich nichts)
- mit 2 Potis und einer Diode, kannst du beim NE555 On und Offtime separat einstellen:
Bild
(erlaubt dann auch flexibel Duty Cycle von 0-100% ; Achtung mit der Frequenz dabei).
- teste vllt die Schaltung erstmal mit einem kleineren Kondensator und Last
- über einen Transistor und ein paar Widerlinge kannst du auch dem NE555 eine einfache Rückkopplung spendieren, siehe meine Schaltung weiter oben, im Prinzip CNTRL Richtung GND ziehen wenn du die Zielspannung erreichst

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