Verständnisproblem bei der Funktion eines Aufwärtswandlers

[Cyborg]

Hi !

Bin neu hier und erhoffe mir Hilfe bei meinem Verständisproblem über die genaue Funktion eines Aufwärtswandlers (Step-UP-Boosters).

Aus einer kleinen Eingangsspannung eine höhere Ausgangsspannung zu machen ist ja die Aufgabe eines einfachen Aufwärtswandlers. Ich verstehe eigentlich alles in seiner Funktion bis auf den Punkt, wie aus weniger , mehr gemacht werden kann. Sprich, bis zu dem Punkt wo die Spule über die Freilaufdiode den Kondensator am Ausgang "Aufpumpt".
1.)Wie genau kann ich dieses Aufpumpen verstehen. Geht es da um die einfache Selbstinduktion, die jede Spule als Eigenschaft besitzt, die man sich da zu nutze macht oder wie ? Was genau geschieht bei diesem Takten der Spule ? Was geht da vor ? Wie kann das sein, dass sich das dann am Ausgangskondensator aufaddiert? (Bitte in Zeitlupe erklären )

2.)Gelesen hab ich auch, dass wenn man den Schalttransistor, der die Spule taktet, wenn dieser Aufwärtswandler keine Last hat, sich die Ausgangsspannung soweit hochschaukelt, bis die ersten Bauteile im Aufwärtswandler zerstört werden. Ist das richtig ?

3.)Ist da mein Wissen auf dem richtigen Stand, dass eine schnelle Änderung des Magnetfeldes in einer Spule, also durch takten mit hilfe eines MOS-Fet´s mit Rechteckimpulsansteuerung, welches doch auch in dieser entsteht, eine höhere Selbstinduktionsspannung der Spule zu Folge hat?

Ich kann euch gar nicht sagen, wie dankbar ich für jede Antwort bin.

Gruss
Alex

[SAD]

Hi1

Schau hier

http://de.wikipedia.org/wiki/Aufw%C3%A4rtswandler

[Flegmon]

Das mit dem Aufaddieren funktioniert folgendermaßen:
Zuerst ist der Transistor geschlossen. Dadurch wird die Kapazität geladen. Dann wird der Transistor geöffnet und die Energie wird in der Spule gespeichert. Wird der Transistor nun wieder geschlossen, ändert sich der Strom durch die Spule und somit induziert sie eine Spannung. Du kannst die Spule in diesem Moment als "Spannungsquelle" betrachten. Wenn du einen Kondensator an eine Spannungsquelle hängst, lädt er sich auf. Das gleiche tut er hier auch. Da die induzierte Spannung höher ist, als die Spannung der normalen Spannungsquelle, wird der Kondensator also auf eine höhere Spannung geladen.

Das mit dem Zerstören war am Anfang der Boostkonverterzeit so. Inzwischen wurde die Leerlauffestigkeit "ergänzt". Es gibt im normalfall einen Feedback Eingang am Boostkonverter, der die Spannung am Ausgang "untersucht" und so je nach Bedarf den Transistor steuert. Bei Leerlauf bleibt der Tansistor halt dann länger aus.

[Cyborg]

Hallo Flegmon.

@SAD, die Seite hatte ich schon mehrmals besucht, da fehlt mir aber die genaue beschreibung mit dem "aufaddieren" dazu. Da wird halt nur so beschrieben: Des is halt so, akzeptiere es einfach.
Danke dir aber trotzdem.

@Flegmon
Die Beschreibung meinte ich zu diesem Bild:




Das aufaddieren hab ich also schon richtig erkannt, also dieses Selbstinduzieren einer Spannung. Danke dir ! Auch das mit dem Feedbackeingang, welcher hier in der Schaltung fehlt, hab ich auch verstanden - Super, das mit dem FB eingang dachte ich mir schon so. DAs heisst, ich hab mit meinen Vermutungen gar nicht so falsch gelegen.

Flegmon, du hast geschrieben:

Zuerst ist der Transistor geschlossen. Dadurch wird die Kapazität geladen.

?? Du meintest wohl deine Beschreibung nicht zu diesem "Ersatzschaltbild" oder ?

Könntest du auch hier die genaue Ablauffolge beschreiben ?

Danke dir !!!!

[Flegmon]

Also.
Zu beginn ist der Tranistor geschlossen( im Sinn von nicht leitend).
Dann fließt der Strom durch die Spule auf den Kondensator.(Mann muss natürlich kurz waren, da anfangs wegen der Spule der Strom verzögert wird(lenz'sche Regel). Wenn man nun den Transistor öffnet(leitend macht), fließt der Strom durch die Spule richtung Masse.
Wenn man nun den Transistor wieder schließt, gibt er natürlich eine Stromänderung, und die Spule induziert eine Spannung( die induzierte Spannung ist positiv, da die Spule den Stromfluss ja aufrecht erhalten will). Somit lädt die Spule den Kondensator und zwar auf eine höhere Spannung, wie die Spannungsquelle liefert.
Du kannst es dir auch so vorstellen. Wenn der Transistor geöffnet ist, speichert die Spule die Energie, wenn der geschlossen wird, gibt die Spule die Energie dann an den Kondensator ab.

Hoffe es ist verständlich, wenn nicht einfach nochmal nachfragen.

Gruß Flegmon

[Cyborg]

Hi Flegmon !

Danke für deine Tolle Unterstützung! Ein paar Dinge sind mir aber immernoch nicht ganz klar und zwar:
Warum "will" die Spule den Stromfluss aufrechterhalten?
Wie kommt dieses weitere Aufaddieren zustande, also dass die Spannung immer grösser und grösser wird (es sei den , man würde den Transistor wieder langsamer takten , also gegensteuern). Warum ist das so? Der Kondensator ist ja dann positiver gegenüber der Eingangsspannung geladen, dass heisst , die Freilaufdiode sperrt dann hier den Rückfluss des Kondensators zur Spule. Wird bei jedem "Ein" und "Ausschalten" des Transistors beiderseits eine Induktionsspannung erzeugt (also Taktflanke von 0 auf 1 und Taktflanke von 1 auf 0 weil doch beides schnelle Änderungen des Stromflusses also Magnetfeldes in der Spule sind oder??)

Oh MAnn ich hoffe ich nerve nicht. Danke trotzdem für jede Antwort. Espacially dir Flegmon !!

[Flegmon]

Ich möchte nicht wissen wie vielen Leuten ich schon mit meinen ständigen Fragen auf den Sack gegangen bin
Aber was haben wir aus der Sesamstraße gelernt: "Wer nicht fragt, bleibt dumm". Also frag ruhig.
1) Warum will die Spule den Stromfluss aufrecht erhalten.
Die Lenz'sche Regel sagt: "Die Folge bekämpft die Ursache".
Anderst ausgedrückt: Die Spule möchte immer den aktuellen Zustand bebehalten, und wehrt sich gegen Änderungen.
Wenn man eine Spule an eine Spannungsquelle anschliest, und in die Leitung einen Schalter einbaut passiert folgendes:
(Schalter geschlossen, Spannungsquelle wird eingeschaltet)
Die Spule wirkt der Spannung der Spannungsquelle entgegen und induziert eine negative Spannung, die der Spannungsquelle entgegenwirkt. So fließt zu anfang kein Strom. Mit der Zeit "gewinnt die Spannungsquelle immer mehr die Oberhand". Die Spannung und der Strom steigen langsam an, bis irgendwan der maximal mögliche Strom durch die Spule fließt( nachzulesen in jedem oberstufen Physikbuch)
Öffnet man nun den Schalter, gibt es eine schnelle änderung des Stroms, da dieser ja auf 0 abfällt. Die Spule möchte den Zustand des Stromflusses jedoch beibehalten und induziert deshalb eine hohe Spannung( sie würde sozusagen gerne die Luft im geöffneten Schalter ioniesieren, damit der Strom weiterfließen kann. Das schafft sie natürlich nicht, da sie viel zu wenig Energie dafür hat.)

Das gleiche passiert auch im Boostkonverter. Dir Spule möchte bei Schließen des Transistors gerne "das dielektrikum des Kondensators ionisieren" um somit den Stromfluss aufrecht zu erhalten.

Das mit dem addieren funktioniert folgendermasen. Die Spannungsquelle hat z.B. nur 5V aber die induzierte Spannung der Spule hat z.B. 50V( diese Werte sind komplett aus der Luft gegriffen, stimmen vermutlich nicht mal ansatzweiße).
Wenn die Spule eine Spannung induziert, dann lädt die den Kondensator. Da sie aber nicht genug Energie gespeichert hat, kann sie den Kondensator nicht auf einmal komplett laden. Nehmen wir mal an, sie hat genug Energie um die Spannung am Kondensator(wenn unbelastet) jedesmal um ein Volt zu erhöhen. Dann wird bei jedem mal takten also 1V draufaddiert. Normalerweiße ist der Kondensator ja belastet, so das er entladen wird. Dann füllt die Spule ihn also nur nach.

Es gibt bei jedem umschalten des Transistors eine induzierte Spannung. Es ist genau so wie mit dem Beispiel mit dem Schalter.
Hat sich die Spule auf den Kondensator entladen, fließt durch sie kein Strom mehr. Diesen zustand möchte sie also beibehalten. Wird der Transistor nun geöffnet, möchte die Spannungsqulle einen Strom durch sie schicken, dem sie entgegenwirkt(induziert eine nagative Spannung). Deshalb fließt anfangs kein Strom, dann "gewinnt die Spannungsquelle die oberhand" und die induzierte Spannung lässt nach. Nun ist also der Stromdurchflossene Zustand, der Zustand den sie beibehalten will. Schließt man nun den Transistor , unduziert sie die positive Spannung, die dann den Kondensator lädt.


Die erklärung ist physikalisch sicher nicht 100% korrekt. Es ging mehr darum das ganze verständlich auszudrücken. Also am besten nicht dem Physiklehrer/Prof zeigen

[Cyborg]

hi flegmon !

jetzt hab ich s geschnallt - die max. induzierbare spannung einer spule steht also von vorn herein fest, nur erreicht sie erst nach mehrmahligem takten, bis der elko voll ist ihren max. wert. richtig ?

klar ist auch: da die spule, wenn sie eine spannung induziert, die natürlich höher ist als die eingangsspannung, die spule dann als spannungsquelle fungiert.

die spule als mech. körper besitzt durch ihre windungen diese eigenschaft , sich derart gegen andere energiequellen so zu verhalten, wie du schon beschrieben hast.

vielen dank für deine äusserst ausführliche beschreibung, die mir das volle verständnis zu meinem problem gebracht hat.

[Flegmon]

Jo, ist richtig.

[Cyborg]

Und hier noch zur Bestätigung:



Selbstinduktion

Der Begriff der Selbstinduktion kommt im Zusammenhang mit Spulen und Relais vor. Wird der durch eine Spule fließende Strom abgeschaltet, baut sich das Magnetfeld im Eisenkern ab. Wenn diese Energie in Form eines Stroms nicht abfließen kann, dann entsteht kurzzeitig eine viel höhere Spannung als vorher an der Spule angelegt war. Diese Spannung wird Selbstinduktionsspannung genannt. Der Effekt der kurzzeitigen Spannungserhöhung durch die Stromkreisunterbrechung nennt man Selbstinduktion. Die Selbstinduktionsspannung wirkt immer der Änderung des elektrischen Stroms entgegen.
Die Selbstinduktionsspannung hat verherende Folgen für die anderen Bauteile im Stromkreis der Spule. Zum Beispiel Transistoren, die Relais schalten werden durch die Selbstinduktionsspannung zerstört. Um den Transistor zu schützen, wird eine Diode parallel zur Relaisspule in Sperrrichtung geschaltet.. Die Diode wird als Freilaufdiode (Schalten induktiver Lasten) bezeichnet.
Die Selbstinduktionsspannung ist umso größer, je größer die Induktivität ist, je größer die Stromänderung ist und je kleiner die Zeit ist, in der sich der Strom ändert.
Die Induktivität der Spule wird unter anderem durch deren Windungsanzahl beeinflusst. Bei Spulen mit großer Windungszahl und hohen Stromdurchfluss, der in kurzer Zeit abgeschaltet (reduziert) wird, wird eine sehr große Spannung induziert. Diese macht sich durch einen Lichtbogen an Schaltkontakten und Durchschlagen der Spulenisolierung bemerkbar. In der Regel geht dabei die Spule oder auch ein verwendetes Relais kaputt. Halbleiterbauelemente, die sich im gleichen Stromkreis befinden, können dabei auch in Mitleidenschaft gezogen werden.
Spannungs- und Stromänderungen in Wechselstromkreisen führen nicht zur Zerstörung von Bauteilen. Die Spannungsänderung erfolgt dort so langsam und gleichmäßig, dass die Selbstinduktionsspannung kleiner ausfällt, aber den Spannungsverlauf an der Spule beeinflusst.