Schaltnetzteil mit NE555

Michael, wir bleiben dran!

Ich überlege gerade, wie man die Spikes einfach und gut besänftigt.
Die Nacht hatte ich noch eine Idee, allgemein was zu Störungen durch SNTs zu schreiben.
Je nach Schaltungskonzept gibt es verschiedene Tücken.
Bei der Schaltung mit 555 sind einige von denen schon ausgeschlossen.

Andreas

Störungen H-Feld

Kurze Erläuterung, mit H-Feld ist die magnetische Komponente gemeint.
Eine elektromagnetische Welle, sprich Funk, Radiosignal, besteht aus einem E- und H-Feld.
Übliche Antennen, wie z.B. der Dipol, nehmen beide Komponenten auf, also die elektrische und magnetische.
Behelfsweise geht auch eine Komponente, sehr bekannter Vertreter ist die Ferritantenne für LMK.
Klar, so ein Ferritstab nimmt dann das H-Feld auf und natürlich auch Störfelder von Schaltnetzteilen.

Dazu machte ich eine ganz einfache qualitative Untersuchung, bitte nur als Tendenz werten, nicht quantitativ.
Mit einem Oszilloskoptastkopf bildet man immer eine Leiterschleife, die kurze Krokostrippe Masse.
So kam ich auf die Idee, die Tastkopfspitze mit der Krokoklemme kurzzuschließen.
Wir haben jetzt eine Leiterschleife, die nur noch Magnetfeld aufnehmen kann, sogar hochohmig, hier 1 MΩ.
Was wir auf dem Schirm sehen, ist dann die in die Schleife induzierte Spannung durch ein H-Feld.
Mit der Schleife machte ich mich auf die Suche, was das Schaltnetzteil abstrahlt.

Wir haben hier zwar einen Ringkern, aber auch Ringkerne strahlen etwas in die Umgebung ab.
Für Ferrite wird µ angegeben, ist der "Verstärkungsfaktor" gegenüber Vakuum, bzw. Luft.
Bei unserem Kern mit µ = 4300 bedeutet das, im Ferrit ist 4300 mal mehr Feld gegenüber Luft.
Heißt im Umkehrschluss, etwas Feld wird auch außerhalb des Kerns anzutreffen sein.

Die Leiterschleife legte ich in verschiedenen Variation auf, über oder wie auch immer um die Platine.
Es gab deutliche Minima und Maxima, wie zu erwarten in der Gegend des Ferritkerns.
In den Bildern ist so ein Beispiel für ein geglücktes Maximum, damit man was sieht.
Um zu verifizieren, ob das Feld wirklich vom Trafokern kommt, legte ich einen wesentlich größeren Kern auf.
Klar erkennbar, die Spannung auf dem Oszilloskopschirm wurde deutlich kleiner, der aufgelegte Kern schirmt etwas.
Mit einer Abschirmung kann man deutlich was erreichen, um das Störfeld zu minimieren.
Nicht ohne Grund sind Filter oft in Weißblechgehäusen untergebracht!
Spaßeshalber machte ich einen ähnlichen Versuch mit Kronkorken, einer über und einer unter dem Kern.
Auch da zeigte sich deutlich, daß das Feld durch die Leiterschleife des Tastkopfs kleiner wurde.

Das mit dem Kern ist aber nur die halbe Wahrheit.
Stromdurchflossene Leiter, sprich Leiterbahnen, können teilweise heftig abstrahlen, als kleine Antennen dienen.
Für die Versuche machte ich die Rinkerne steckbar, die Drähte sind teilweise recht lang.
Beim praktischen Aufbau sollten die Trafoanschlussdrähte natürlich möglichst kurz sein, nicht so lang wie hier.
Bald kommt noch was zu Störungen und den Vorteilen dieses Schaltungskonzepts mit dem NE555.

Andreas

Versuche Störungsminimierung am Ausgang

Ausgangslage ist weiterhin der Aufbau für 5 Volt am Ausgang, Last 240 Ω, also gut 100 mW.
Der Widerstand R3 hat 22 Ω und C5 220 nF, wie auch im Schaltplan eingezeichnet.
Lediglich die Anschlussdrähte des Ringkerns 12,5 mm machte ich mehrere cm kürzer.
Man kann also direkt mit Oszillogrammen in Beiträgen zuvor vergleichen.

Erster Anlauf war die kleine Zusatzplatine, das LC-Glied 330 µH und 47 µF auf Punktraster.
Zuvor erwähnte ich, daß das Ferrit der Induktivität 330 µH vermutlich nicht für hohe Frequenzen taugt.
Ich schlug 3,3 µH als Beispiel für eine zusätzliche Spule in Serie vor, Blindwiederstand 460 Ω bei 22 MHz.
Hatte ich nicht, jedoch 1 µH, laut Datenblatt für Frequenzen weit über 100 MHz geeignet.
Bei fertigen Induktivitäten muss man aufpassen, seriöse Hersteller geben die Serienresonanz SRF an.

Der Erfolg war sehr mäßig, am Spike änderte sich fast nichts.
Eine leichte Verbesserung war erkennbar, als ich einen Keramikkondensator 10 nF parallel 47 µF einlötete.
Den Kondensator 10 nF ließ ich, schloss für weitere Versuche die Induktivität 1 µH kurz.

Man soll ja das Übel möglichst an der Wurzel packen!
Zuvor zeigte ich den Spike mit einer Frequenz um die 22 MHz, vermutlich durch die Gleichrichtung verursacht.
Die Schottkys BAT48 sind recht schnell, niedrige Sperrschichtkapazität, für MHz geeignet.
So war es naheliegend, die eher weicher schalten zu lassen, z.B. mit einer Induktivität in Serie.
Ich nahm jeweils 1 µH zwischen Dioden und den Trafoanschlüssen Sekundärseite.
1 µH statt 3,3 µH ist ein brauchbarer Wert, Blindwiderstand 0,4 Ω für 64 kHz und 140 Ω für 22 MHz.
Auch die Maßnahme war von der Wirkung eher mäßig, kaum Änderung beim Oszillogramm zu erkennen.
Was wirklich was brachte, war auch hier ein Keramikkondensator 10 nF parallel zum Siebkondensator 47 µH.
Den Erfolg sieht man im Oszillogramm, Spike zwar noch vorhanden, jedoch deutlich kleiner.
Zum Vergleich Spike zuvor: saba-forum.dl2jas.com/index.ph…ment/10578-clc-spike-jpg/

Jetzt kommt der Knaller!
Eigentlich ging ich davon aus, daß vom Spike (fast) nichts mehr zu sehen sein sollte.
Zuvor zeigte ich das mit der Leiterschleife, die sich natürlich auch bei der Messung was einfangen kann.
So schloss ich am Prüfling den Tastkopfeingang mit der Massestrippe kurz, ließ die Leiterschleife wie zuvor liegen.
Am Spike änderte sich praktisch nichts, ich verzichtete auf ein Photo.

Woher der Spike kommt, weiß ich noch nicht.
Naheliegend ist ein Fehler irgendwo in der Masseführung.
Nicht ohne Grund setzte ich das LC-Filter mit verdrillter Leitung ab, um solche Massefehler zu vermeiden.
Auch könnte man sich bei der Messanordnung über den Schutzleiter was einfangen, beliebter Fehler.
Bei Oszilloskopen ist in aller Regel GND mit dem Schutzleiter verbunden, ich habe einen Trenntrafo vor dem Oszi.
Nacheinander versuchte ich es mit zwei Labornetzteilen, eins am Schutzleiter, eins ohne Schutzleiter.
Zuletzt nahm ich meine kleine Notstromversorgung Autobatterie 12 Volt, bei allen drei Varianten Spike vorhanden.

Andreas

Minimierung äußeres H-Feld, magnetisches Streufeld

Reinhard schrieb es schon, bei Schaltnetzteilen bekommt man Störungen nie ganz weg, jedoch kleiner.
Etwas zuvor zeigte ich den einfachen Versuch mit dem losen Kern auf dem bewickelten Trafokern.
Die Idee optimierte ich, sogar einfach und preisgünstig bis zur Praxistauglichkeit, siehe erstes Bild.
Damals bestellte ich ein paar mehr Kerne, auch für andere Zwecke, nicht nur für das einfache SNT mit 555.
Auch beim geschlossenen Ringkern hat man außen etwas Feld, wie ich zuvor erläuterte.
Je besser man außen das Feld in den Griff bekommt, desto geringer die zu erwartenden Störungen.
Nahezu perfekt wäre es, wenn man den bewickelten Ringkern zur Schirmung in einen Schalenkern aus Ferrit packt.


Bildquelle Wikipedia: commons.wikimedia.org/wiki/File:POT_CORE.jpg

Es geht auch einfacher und wesentlich kostengünstiger mit schon sehr guter Wirkung, Kern in Kern.
Man stecke den bewickelten Kern möglichst mittig in einen deutlich größeren Kern mit passendem Innendurchmesser.
Im Beispiel passt der bewickelte Kern 12,5 mm (B64290-L44-X830) sanft saugend in einen Kern 25 mm (B64290-L618-X830).
Wie man in den Oszillogrammen sieht, vorher und nachher, ist diese einfache Methode schon sehr effektiv.
Für beide Oszillogramme, wie auch schon zuvor, gilt 20 mV pro Kästchen, mit Leiterschleife wieder Maximum gesucht.
Man betrachte nicht nur die Amplitudenhöhe, sondern auch die Breite der Spikes, Energieinhalt.
Da nach außen auch merklich HF gelangt, wäre eigentlich ein HF-Kern Nickel-Zink sinnvoller, schwerer erhältlich.
Ich machte kurz den Versuch zusätzlich mit einem Kurzwellenkern Nickel-Zink, kaum Unterschiede bei den Oszillogrammen.
Der ist etwas besser für viele MHz, jedoch ungünstiger, µ etwa 1/5 von N30, für Lang- und Mittelwelle.

Auch stromdurchflossene Leiter, Leiterbahnen, strahlen ab, da nutzt natürlich der Trick mit dem Kern außen nichts.
Deswegen solche Leiter möglichst kurz halten, im vorgeschlagenen Platinenlayout ist Optimierungspotential.
Sinnvoll ist es, später die ganze Schaltung in ein Weißblechgehäuse zu packen, da darf man aber keine Wunder erwarten.
Im letzten Bild sieht man Durchführungskondensatoren, hat leider nicht jeder Elektronikanbieter.
Die lötet man direkt in das Weißblechgehäuse mit Massepotential ein, Durchführungen für Gleichspannungen.
Es handelt sich um eine Art Rohrkondensator, hier 3,9 nF, außen GND und innen als durchgängiger Draht der Gegenpol.

Andreas

Zweiter Teil Störungsbetrachtungen

Besonders Michael berichtete hier häufiger von Schaltnetzteilen, die ihm teilweise recht übel mitspielten.
Viele sind auf billig getrimmt und man darf nicht vergessen, daß CE auch die Abkürzung für China Export ist.
Es gibt viele Konzepte bei Schaltnetzteilen, die ihre Vor- und gerade auch Nachteile haben.

Echte Ringkerne wie hier kommen bei Schaltnetzteilen eher selten zur Anwendung.
Meist sind es Trafos, die auch ähnlich wie Netztrafos aussehen, nur halt wesentlich kleiner.
Oft haben die mit Absicht einen Luftspalt, man bekommt so den maximalen Strom (Sättigungsgrenze) nach oben.
Je nach Aufbau können solche Trafos natürlich auch erheblich Feld in die Umgebung emittieren.

Manche Schaltnetzteile schaffen es, eine nahezu lückenlosen Störteppich zu erzeugen.
Ein Vertreter bei den Reglern, mit denen das möglich ist, jedoch nicht sein muss, ist der MC34063.
Der Schaltkreis hat keine feste Schaltfrequenz, sie ändert sich in Grenzen lastabhängig.
Schaltnetzteile erzeugen immer Oberwellen, geht nicht anders, da ja geschaltet wird.
Die resultierenden Oberwellen ändern sich natürlich mit der Taktfrequenz.
Die Taktfrequenz ist abhängig von der Last und auch von der Eingangsspannung des Schaltnetzteils.
Wird eingangsseitig die Netzspannung gleichgerichtet, ändert sich die Ladespannung des Elkos mit Netzfrequenz.
Das gibt dann ganz schnell den HF-Teppich, also nicht mehr einzelne störende Frequenzen.
Im Oszillogramm sieht man so ein Beispiel, die Schaltfrequenz wandert, sogar recht schnell.

Schaltnetzteile, die einen Regler mit fester Taktfrequenz haben, sind da vom Konzept her vorteilhafter.
Bei denen wird Puls/Pause geregelt, ihre Periodendauer und damit die Frequenz, bleibt konstant.
Da ist es durchaus möglich, daß man beim Rundfunkempfang störungsfreie Bereiche findet.

Welche Vorteile hat die vorgestellte Schaltung mit dem NE555?
Einmal natürlich der Ringkern, fast geschlossenes Magnetfeld, von dem ungesättigt wenig nach außen gelangt.
Bei der Schaltung wird eine feste Taktfrequenz verwendet, es können nur punktuell Oberwellen entstehen.
Auch gibt es keine Regelung für Puls/Pause, gäbe eine Art Modulation bei den Oberwellen.
Mit dem 555 wird vergleichsweise weich geschaltet, was eine Minimierung der potentiellen Oberwellen bedeutet.
Absichtlich wurde keine unnötig hohe Taktfrequenz gewählt, nicht nur wegen der verwendbaren Kernmaterialien.
Die Taktfrequenz lässt sich bei Bedarf problemlos verringern, also potentielles Oberwellenspektrum nach unten schieben.
Einige Kniffe wurden gezeigt, wie man möglichst gut Oberwellen in den Griff bekommt, selbst Einfluss darauf hat.
Hauptsächlicher Nachteil gegenüber den vielen Vorteilen ist der eher mäßige Wirkungsgrad, obere Grenze bei etwa 50 %.

Andreas

Zwei Rekorde gebrochen!

Ich entlockte dem Schaltnetzteil mehr als 500 mW Ausgangsleistung und erzielte einen Wirkungsgrad über 50 %.
Zum Einsatz kam dieser eher unnötig große Kern, aktuell ein Sonderangebot bei Pollin für 31 Cent:
pollin.de/p/wuerth-gleichtakt-drossel-2-2-mh-250634
Eigentlich ist es eine Gleichtaktdrossel, kann man aber prima für unsere Zwecke umfunktionieren.
Den bewickelten Kern kann man einfach von der Kunststoffhalterung lösen, lediglich mit einem Schnapper befestigt.
Auch lässt sich der Kupferdraht gut abwickeln, nur leicht mit etwas Lack verklebt.
Original ist er mit zweimal 18 Wdg = zweimal 2,2 mH bewickelt.
Wickelt man 9 Windungen ab, kommt man auf etwa 600 µH primär und hat ein Übersetzungsverhältnis 1:2.
Im Versuch bei den folgenden Messungen hat der Serienwiderstand R3 1 Ω und der Lastwiderstand am Ausgang 470 Ω.
In der letzten Zeile U+ = 18 Volt ist grenzwertig, nur als Test zu verstehen, eher nicht praxistauglich.



Wen es interessiert, wir recherchierten, Würth kaufte die Kerne ein, ist SIFERRIT von TDK/Epcos.
Das Material ist Mangan-Zink, nennt sich T37 mit µ = 6500 und taugt bis weit über 100 kHz.
Der Kern nennt sich B64290L0719 mit Maßen Außendurchmesser 22,1 mm, innen 13,7 mm und Höhe 7,9 mm.
Die Wirkfläche Ae beträgt 32,6 mm² und die mittlere Weglänge le 54,2 mm, sowie AL = 7700 nH/N².
Berechnet man den maximal zulässigen Strom, sollte man bei der Flussdichte B nicht über 300 mT gehen.
Wickelt man den Kern ab, kann man ihn als Abschirmung für Kerne bis gut 10 mm nehmen, wie ich zuvor zeigte.

Andreas

Ringkern mit wenig Windungen

Pollin hat aktuell noch ein interessantes Sonderangebot, wieder eine Gleichtaktdrossel von Würth:
pollin.de/p/wuerth-gleichtakt-drossel-0-35-mh-250635
Nein kann man da nicht sagen, kostet 23 Cent und taugt hier für das Schaltnetzteil mit NE555.
Kleiner Dämpfer, laut Beschreibung taugt die Drossel bis 8,5 A, gilt nur für Gleichtaktbetrieb.

Auch in dem Fall entschlüsselten wir erfolgreich, welchen Ringkern Würth offensichtlich nahm.
Es ist der Ferritkern TN14/9/9 vom Hersteller Ferroxcube, das Ferritmaterial nennt sich 3E12.
Außendurchmesser 14 mm, innen gut 8 mm, Höhe 9 mm, Wirkfläche Ae = 22,1 mm² und Länge le = 35 mm.
Beim µ ist 12000 angegeben, AL ca. 10000 nH/N² und bei der Flussdichte kann man bis etwa 350 mT gehen.
Für Schaltnetzteile unter 100 kHz taugt es und hat auch noch bis 20 kHz Audio brauchbare Güte.

Im Gegensatz zur Drossel zuvor kann man diese leider nicht einfach zerlegen, satt geklebt.
Gelungen ist es mir, allerdings musste ich für den Steg in der Mitte einen Dentalfräser nehmen.
Der schwarze Kleber ist wirklich hart und fest, etwas rote Beschichtung am Kern platzte ab.
Für unsere und andere Zwecke reicht es, lediglich die vorhandenen Windungen zu entfernen.
Es ist durchaus von Vorteil, wenn der Kern noch an dem schwarzen Kunststoffsockel klebt.
Seine Anschlussbeinchen haben fast das gleiche Rastermaß wie T1 im Layout Punktrasterplatine.

Im Bild schön zu sehen, ich wickelte neu mit dünnerem Draht, primär 7,5 und sekundär 9,5 Windungen.
Man erhält dann primär knapp 600 µH und das Übersetzungsverhältnis taugt gut für 5 V am Ausgang.
R3, der Serienwiderstand zur Induktivität, wurde wieder zu 22 Ω für weiches Schaltverhalten gewählt.
Die Betriebsspannung am NE555 beträgt 12 Volt und die Stromaufnahme beträgt 36 mA.
Mit 22 Ω verschenkt man Wirkungsgrad, erreicht aber weicheres Schalten, weniger HF-Störungen.
Das Ziel ist voll erreicht, 5,1 V am Ausgang an 180 Ω, 28 mA und 144 mW, passt für Messmodule LED.
Für viel Ausgangsleistung taugt dieser Kern nicht, Grenze hier etwa 200 mW OUT ohne Sättigung.
Die Vorteile, man muss wenig wickeln, kostet wenig und die Anschlussbeinchen taugen für Punktraster.

Andreas

Symmetrische Ausgangsspannung

Anfangs erwähnte ich es, manchmal ist eine symmetrische Ausgangsspannung wünschenswert.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn man Operationsverstärker versorgen will.
Nehmen wir den altbekannten µA741, kleiner Stromfresser, der benötigt etwa 2 mA Ruhestrom.
Modernere Typen FET benötigen meist wesentlich weniger, sofern der Ausgang nicht belastet wird.
Alsbald nahmen wir in unserer Dreiergruppe auch die symmetrische Version in Angriff.
Unsere Ideen und Ansprüche an das Ergebnis waren unterschiedlich, vor allem beim Schaltungsaufwand.
Reinhard dürstete es nach Leistung und sauber einstellbarer Ausgangsspannung, hier:
Schaltnetzteil mit NE555 - für höhere Leistung, stabilisiert
Bei mir sollte die Schaltung weiterhin möglichst simpel bleiben, lediglich für ein paar OPVs reichen.

Es ist fast die gleiche Schaltung wie zuvor, gerade mal ein Elko mehr.
Der Übertrager T1 wird hier anders gewickelt, er hat jetzt sekundärseitig eine Mittelanzapfung.
Auch beim Platinenlayout hat sich sehr wenig geändert, der zusätzliche Elko und GND in der Mitte.
Wer schon die erste Version aufgebaut hat, kann die Schaltung recht einfach auf symmetrisch ändern.

Mit langen Messreihen will ich die Leser nicht unnötig belästigen.
Im Steckboard ist die Schaltung ausgiebig getestet, auch mit verschiedenen Übertragungsverhältnissen.
Das Verhältnis 1:1:1 im Schaltbild ist als Vorschlag zu verstehen.
Wird der NE555 mit 12 Volt versorgt, erhält man sekundär ungefähr +/- 5 Volt symmetrisch.
Wer mehr Spannung möchte, erhöht einfach sekundär entsprechend die Windungszahl.
Da aufpassen, nicht übertreiben, damit es keine Probleme bei der Ausgangsleistung gibt.
Was an maximal möglicher Ausgangsleistung je nach Kernen geht, entnimmt man den Tabellen zuvor.

Es sei noch mal darauf hingewiesen, daß man auch zwei identische Kerne übereinander nehmen kann.
So bekommt man dann doppelte Leistung und auch doppeltes AL, bedeutet weniger Windungen.
Man sollte deutlich unter 500 mW bleiben, weil sonst der NE555 in den Grenzbereich kommt.

Andreas