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