Schaltnetzteil mit NE555 - für höhere Leistung, stabilisiert

Im Rahmen der Messung an stabilisierten Linear-Netzteilen habe ich nun auch meinen auf Basis des NE555 aufgebauten isolierten DC-DC Schaltwandler, den ich hier vorgestellt habe, auf dessen Störspannungspegel im Bereich 20 Hz bis 20 kHz und bis 90 kHz untersucht.

Die Störspannungen sind zu klein, µV-Bereich, um das noch mit einem Oszilloskop machen zu können. Im Bereich bis 90 kHz kann das aber ein guter Audio-Analysator. Ich habe dafür einen QuantAsylum QA403 eingesetzt.

Aufgrund der DC-Ausgangsspannung von 13,6 V wurde bei den Messungen der interne 24-dB Abschwächer im Audioanalysator verwendet. Der Abschwächer wirkt wie ein vorgeschalteter Widerstand, der seinerseits den Rauschpegel erhöht. Der wahre Rauschpegel kann deshalb noch niedriger sein als der hier angegebene.

Gemessen wurde der positive Ausgang mit 47,5 Ohm Last bei 13,6 V DC Ausgangsspannung. Die Frage war also, welche Störfrequenzen sind der DC-Ausgangsspannung überlagert und mit welcher Amplitude, bzw. Effektivspannung (Vrms).
Anders gefragt: Wie gut, sauber, ist die Ausgangsspannung?

Weiter vorne in diesem Beitrag hatte ich vorgestellt, welchen Filteraufwand ich betrieben hatte und war dann schlußendlich zufrieden, dass ich am Oszilloskop auf Spikes,Rauschen von unter ca. 2 mV (spitze-spitze) kommen konnte. Nur sagt das nichts über die Audiobereich (bzw. bis ca. 100 kHz) dazu beitragenden Frequenzen. Die Antwort darauf liefert jetzt diese Messung.

Der NE555 DC-DC Schaltwandler wurde mit einem stabilisierten 12 V DC Stecker-Schaltnetzteil guter Qualität versorgt und lieferte an jeweils 47,5 Ohm Last pro positivem und negativem Ausgang jeweils + 13,6 V / - 13,6 V DC symmetrisch. Ich habe den positiven Zweig (+13,6 V /47,5 Ohm Lastwiderstand, 3,9 W Ausgangsleistung) untersucht. Ein sehr ähnliches Ergebnis wäre für den negativen Zweig zu erwarten, da sich beide Zweige nur durch die komplementären LM317 / LM337 Spannungsregler unterscheiden.

Zunächst die Messung der gesamten Messkette, aber mit ausgeschaltetem DC-DC Schaltwandler.
Man sieht a) den Rauschpegel und b) die Störungen, die bereits ohne den Schaltwandler bei der Messung vorhanden sind. Die Leitungen zum Analysator fangen sich etwas Störung (meist 50 Hz) von der Messplatzumgebung ein. Ausserdem ist bei meinem Messplatz immer (egal welche Schaltung ich vermesse) ein kleines Störsignal bei 25,5 kHz vorhanden, das vermutlich von meinem Desktop-PC oder irgendeinem anderen Gerät am Messplatz herrührt (Telefon, Lampen...ich hatte bisher nicht die Muße, dem nachzugehen). Diese Störfrequenz ist also als nicht einzubeziehendes Artefakt zu betrachten.


So sieht es ohne den Schaltwandler (ausgeschaltet) aus, sog. "Referenzmessung" für bis 20 kHz:



Bei 50 Hz sieht man eine (eingestreute) Störung bei -100 dBV, das entspricht 10 µV(rms).
Bei 250 Hz eine weitere, kleiner, bei -117 dBV, das sind 1,4 µV(rms).
Die winzige 450 Hz Störung bei bei -128 dBV, also < 0,5 µV(rms) darf man schon vernachlässigen.
Insgesamt also ohne den DC-DC Schaltwandler eine gute Grundlage für eine Messung der Störungen, die voraussichtlich nach dem Einschalten zu erwarten sind.


Mit eingeschaltetem Schaltwandler:



50 Hz: -96,8 dBV = 14,5 µV(rms)
100 Hz: -111,5 dBV = 2,7 µV(rms)
150 Hz: -119,7 dBV = 1,0 µV(rms)
250 Hz: -118,2 dBV = 1,2 µV(rms)

Die bereits bei der Referenzmessung vorhandenen Störungen bei 50 Hz und 250, sind davon in Abzug zu bringen. Sie dürfen nicht einfach "linear" abgezogen werden, sondern sind "geometrisch" zu subtrahieren. Das bedeutet, dass die Effektiv-(rms-) Spannung zunächst zu quadrieren ist, dann ist die Differenz der Quadrate zu bilden und aus der Differenz wird die Wurzel gezogen.

50 Hz: Wurzel [(14,5 µV)^2 - (10 µV)^2] = 10,5 µV
Bei 250 Hz sind die gemessenen Effektivspannungen Referenz und aktiver Messung nahezu gleich, die Störamplitude bei 250 Hz kann ich deshalb in Näherung ignorieren.

Der DC-DC Schaltwandler produziert also (bis 20 kHz) diese Störfrequenzen und Effektiv-Störspannungen (nur Brummanteile, ohne Breitbandrauschen):


Aus der in der Tabelle vorgenommenen Addition der Quadrate der einzelnen Effektivspannungen und anschliessender Wurzel aus dieser Summe folgt die gesamte Effektiv-(rms)-Brummspannung zu 11 µV(rms).
Darin ist aber das Breitbandrauschen (Rauschteppich) noch nicht enthalten, das den Löwenanteil der gesamten Störspannung ausmacht.

Die Gesamte Störspannung wird von der Mess-Software zu 80,6 µV(rms) im Frequenzbereich 20 Hz bis 20 kHz ausgegeben. Darin enthalten ist die oben bestimmte Brummspannung von 11 µV(rms), also 50 Hz und 100 Hz und deren Harmonische (Oberwellen) sowie das Breitbandrauschen.

Um die Rauschspannung des Breitbandrauschens im Frequenzbereich bis 20 kHz zu erhalten, darf hier auch wieder nicht die Brummspannung von der Gesamtstörspannung desselben Frequenzbands linear subtrahiert werden, sondern es muss wieder geometrisch (quadratisch) erfolgen:

Rauschspannung (effektiv) 20-20'000 Hz = Wurzel [(80,6 µV)^2 - (11 µV)^2] = 79,8 µV

Fast die gesamte Störspannung von 80,6 µV(rms) stammt von Breitbandrauschen (79,8 µV(rms)), nur 11 µV(rms) kommt vom "Brumm".
Beides sind überraschen gute Werte, ja sehr gute Werte, die auch von sehr guten stabilisierten linearen Netzteilen häufig nicht erreicht werden.

Aber ich habe gemogelt!
Was ist denn mit der Schaltfrequenz, es ist doch ein Schaltwandler? Berechtigter Einwand!

Dieser DC-DC-Wandler arbeitet mit 68 kHz Schaltfrequenz. Da ich aber nur eine Messbandbreite bis 20 kHz verwendet habe, wird diese Schaltfrequenz, wie auch alles sonst oberhalb von 20 kHz, nicht mehr erfasst.
Wenn ich die Messbandbreite bis auf 90 kHz erhöhe, sehe ich auch die 68 kHz Schaltstörung auf der Gleichspannung. Wie anfangs schon gesagt, der 25,5 kHz Peak (Marker 1) ist ein Messplatz-Artefakt, den ignorieren!



Die Schaltfrequenz bei 68 kHz schlägt auf die Ausgangs-DC mit einer Effektivspannung von -88,5 dBV durch, das sind 37,6 µV(rms).
Für Schaltwandler, Schaltnetzteile ist dieser Wert hervorragend. Die Mühe mit der Filterung hat sich gelohnt! Einen kommerziellen Schaltwandler mit gleicher oder besserer Störunterdrückung wird man nicht leicht finden.

Für die Bandbreite 20 Hz - 90 kHz ist natürlich die Gesamt-Störspannung, Effektivwert 172 µV(rms), viel grösser als für nur 20 kHz Bandbreite.


Es entfallen für die 20 Hz-90 kHz Bandbreite:

167-168 µV(rms) auf Breitbandrauschen,
11 µV(rms) auf Brumm und
38 µV(rms) auf die Schaltfrequenz

So ein Schaltwandler produziert auch noch Störfrequenzen jenseits der 100 kHz, u.U. sogar bis in den MHz-Bereich, die ich mit meiner Messung nicht mehr erfasse. Das Prinzip der Auswertung wäre aber übertragbar. Ist eine Frage der Bandbreite des Messgeräts.

Man kann daran sehen, dass man tunlichst die Bandbreite nur auf das Notwendige begrenzt (Tiefpass), wenn man Wert auf wenig Rauschen legt.
Im Audiobereich begrenzt die abfallende Hörempfindlichkeit sowie der begrenzte Wiedergabefrequenzgang von Lautsprechern, Kopfhörern automatisch, Rauschen und Störfrequenzen >20 kHz sind unhörbar, solange keine nennenswerte Misch-(Intermodulationsprodukte) davon wieder in den Hörbereich fallen.

Die Fensterfunktion bei der FFT-Messung (verwendet: Hann mit FFT=512K) habe ich in den Betrachtungen nicht einbezogen. Wenn man es ganz genau machen will, müsste man das auch noch. Am gezeigten Ergebnis wird sich dadurch m.E. aber nichts grundlegend ändern.

Gruß
Reinhard

Hallo Michael,

Du hörst - ich messe!

Dieser DC-DC Wandler ist ja nicht fürs Musikhören konzipiert, sondern um eine flexible, variable symmetrische und stabilisierte Labor-Spannungsquelle für diverse Prüf- und Messaufgaben zu haben, die in diesem Fall auch noch massegetrennt (isoliert) ist.

Einsatz für "Hörbetrieb" mit Phonoverstärkern, nein das war nicht das Ziel. Aber z.B. bei Klirrfaktormessungen und Rauschteppichmessungen des auf dem Steckbrett nachgebauten Phonoverstärkers der "Flink Vorstufe" zur Transistorselektion hat sich dieser Wandler schon sehr gut bewährt. Das geht in völliger Stille, ich höre ja sowieso immer schlechter.

Die Idee dabei:
Man steckt einfach ein nullachtfünfzehn Steckdosenadapter (für 12, 15 oder 18 V DC) dran und hat dann zwischen +/- 1,25 V bis +/- 20 V DC (oder bis 40 V unsymmetrisch), stabilisiert und variabel einstellbar aus dieser kleinen, leichten "Zigarrenschachtel".

Symmetrisch +/- und variabel ist ja sonst nur mit grösseren und schweren Labor-Doppelnetzteilen zu machen, oder man muss sich zwei Einzel-Labornetzteile zusammenschalten. Aber beides ist umständlicher und unhandlicher, wenn man nicht einen großen Arbeitsplatz hat, auf dem alles fix und fertig steht, sondern jedes Gerät erst immer herholen und aufbauen muss.

Gruß
Reinhard