Simulationen mit der Anwendung QUCS von verschiedenen Sperrwandlern
Autor: Dieter Drewanz
Datum (Dokumentenbeginn): 01.05.15
Datum (letzter Stand): 01.05.15
Inhaltsverzeichnis / Table of Contents
1 Sperrwandler in Basisschaltung
1.1 Einfacher Sperrwandler mit LED als Belastung am Ausgang
1.1.1 Beschreibung der Schaltung
1.1.2 Simulationsergebnisse
1.1.3 Quellencode für die Simulation obiger Schaltungen.
1.2 Sperrwandler in Basisschaltung mit einer einfachen Regelung
1.2.1 Beschreibung der Schaltung
1.2.2 Simulationsergebnisse
Ein Sperrwandler in Basisschaltung kann vorteilhaft die hohe Grenzfrequenz des Schalttransistors ausnutzen. Nachteilig hierbei ist nur, dass auf der Drossel zwei separate Wicklungen benötigt werden mit unterschiedlichem Verhältnis. Die Windungszahl im Emitterkreis beträgt ungefähr ein drittel bis ein zehntel der Windungen im Kollektorkreis. Der Widerstand von 2 Ohm vor der Spule soll den ohmschen Spulenwiderstand darstellen.
Damit bei QUCS die Simulationen ohne numerische Fehlermeldungen mit Abbrüchen durchlaufen, hilft es öfters Bauteile hinzuzufügen, so dass die Schaltung mehr dem realen Ersatzschaltbild entsprechen würde. Das Feintuning der veränderbaren Optionen der Transientensimulation verlangt viele Kenntnisse der numerischen Verfahren dahinter. Eigene Schaltugen laufen daher nicht immer sofort ohne Nacharbeiten und auch die Beispiele aus dem Internet laufen auch nicht immer reibungslos.
Das Ergebnis der Simulation bei geeigneter Wahl der Schrittweite ergab kurze Impulse als Schaltwandler und mit eine Pause, bis der umgeladene Kondensator sich wieder entladen hat. Der Kondensator entlädt sich über den geringen Widerstand der Diodenstrecke Basis-Emitter bei der Ladephase der Spule. Die Entladungsphase wird bestimmt über die Zeitkonstante von C1 und R1.
Bei QUCS angenehm ist, dass wenn die Konfiguration als Text im Zwischenspeicher sich befindet und eingefügt werden soll, erkannt wird dass es sich um QUCS-Code handelt. Somit kann auf diese Art und Weise der Code der Schaltung im Dokument eingebunden werden, z.B. als Text mit sehr kleiner Zeichengröße um Platz zu sparen.
Es handelt sich hier um den Code mit der 1V Spannungsversorgung. Für 2V genügt es einfach den Wert im Schaltbild entsprechend bei der Spannungsquelle zu ändern.
<Qucs Schematic 0.0.15>
<Components>
<_BJT Q2N2222A_1 1 360 210 8 -26 0 0 "npn" 0 "8.11e-14" 0 "1" 0 "1" 0 "0.5" 0 "0.225" 0 "113" 0 "24" 0 "1.06e-11" 0 "2" 0 "0" 0 "2" 0 "205" 0 "4" 0 "0" 0 "0" 0 "0.137" 0 "0.343" 0 "1.37" 0 "2.95e-11" 0 "0.75" 0 "0.33" 0 "1.52e-11" 0 "0.75" 0 "0.33" 0 "1" 0 "0" 0 "0.75" 0 "0" 0 "0.5" 0 "3.97e-10" 0 "0" 0 "0" 0 "0" 0 "8.5e-08" 0 "26.85" 0 "0" 0 "1" 0 "1" 0 "0" 0 "1" 0 "1" 0 "0" 0 "1.5" 0 "3" 0 "1.11" 0 "26.85" 0 "1" 0>
<Vdc V1 1 70 150 18 -26 0 1 "2 V" 1>
<GND * 1 70 180 0 0 0 0>
<GND * 1 170 320 0 0 0 0>
<GND * 1 470 120 0 0 0 0>
<R R2 1 310 120 -26 15 0 0 "2 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "european" 0>
<VProbe Pr1 1 290 260 -16 28 0 3>
<GND * 1 270 270 0 0 0 0>
<IProbe Pr2 1 630 200 -26 16 0 0>
<MUT Tr1 1 440 150 -29 38 0 0 "1 mH" 0 "0.2 mH" 0 "0.9" 0>
<IProbe Pr3 1 370 120 -26 16 0 0>
<R R1 1 170 150 15 -26 0 1 "10 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "european" 0>
<C C1 1 170 290 17 -26 0 1 "20 nF" 1 "0 V" 0 "neutral" 0>
<Lib D2 1 660 230 -33 5 0 3 "LEDs" 0 "blue" 0>
<Lib D3 1 660 290 -33 5 0 3 "LEDs" 0 "blue" 0>
<GND * 1 660 320 0 0 0 0>
<Diode D1 1 540 200 -26 15 1 2 "1e-15 A" 1 "1" 1 "10 fF" 1 "0.5" 0 "0.7 V" 0 "0.5" 0 "0.0 fF" 0 "0.0" 0 "2.0" 0 "0.0 Ohm" 0 "0.0 ps" 0 "0" 0 "0.0" 0 "1.0" 0 "1.0" 0 "0" 0 "1 mA" 0 "26.85" 0 "3.0" 0 "1.11" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "1.0" 0 "normal" 0>
<C C2 1 720 230 17 -26 0 1 "470 nF" 1 "" 0 "neutral" 0>
<GND * 1 720 260 0 0 0 0>
<.TR TR1 1 330 340 0 51 0 0 "lin" 1 "0" 1 "1 ms" 1 "800" 0 "Euler" 0 "2" 0 "1 ns" 0 "1e-16" 0 "150" 0 "0.001" 0 "1 pA" 0 "1 uV" 0 "26.85" 0 "1e-3" 0 "1e-6" 0 "1" 0 "CroutLU" 0 "no" 0 "yes" 0 "0" 0>
</Components>
<Wires>
<70 120 170 120 "" 0 0 0 "">
<360 180 410 180 "" 0 0 0 "">
<410 180 410 200 "" 0 0 0 "">
<410 200 410 210 "" 0 0 0 "">
<470 180 470 240 "" 0 0 0 "">
<360 240 470 240 "" 0 0 0 "">
<170 210 170 260 "" 0 0 0 "">
<170 210 270 210 "" 0 0 0 "">
<270 210 330 210 "" 0 0 0 "">
<270 210 270 250 "" 0 0 0 "">
<400 120 410 120 "" 0 0 0 "">
<170 180 170 210 "" 0 0 0 "">
<170 120 280 120 "" 0 0 0 "">
<410 200 510 200 "" 0 0 0 "">
<570 200 600 200 "" 0 0 0 "">
<660 200 720 200 "" 0 0 0 "">
</Wires>
<Diagrams>
</Diagrams>
<Paintings>
</Paintings>
Anbei der Quellencode für die Diagramme:
<Qucs Schematic 0.0.15>
<Components>
</Components>
<Wires>
</Wires>
<Diagrams>
<Rect 140 348 421 288 3 #c0c0c0 1 00 1 0 0.0001 0.001 1 -0.632119 0.2 0.0628018 1 -0.00365985 0.01 0.0264099 315 0 225 "" "" "">
<"Pr1.Vt" #ff00ff 0 3 0 0 0>
<"Pr2.It" #00ff00 0 3 0 0 1>
<"Pr3.It" #00ffff 0 3 0 0 1>
</Rect>
</Diagrams>
<Paintings>
</Paintings>
Ein Sperrwandler in Basisschaltung kann vorteilhaft die hohe Grenzfrequenz des Schalttransistors ausnutzen. Nachteilig hierbei ist nur, dass auf der Drossel zwei separate Wicklungen benötigt werden mit unterschiedlichem Verhältnis. Die Windungszahl im Emitterkreis beträgt ungefähr ein drittel bis ein zehntel der Windungen im Kollektorkreis.
Bei einer Versorgungsspannung von 2V ergibt sich folgender Ausgangskurvenverlauf:
Das Ergebnis der Simulation bei geeigneter Wahl der Schrittweite ergab kurze Impulse als Schaltwandler und mit eine Pause, bis der umgeladene Kondensator sich wieder entladen hat. Der Kondensator entlädt sich über den geringen Widerstand der Diodenstrecke Basis-Emitter bei der Ladephase der Spule. Die sonst lange Entladungsphase, die bestimmt würde über die Zeitkonstante von C1 und R1, wird über D4 und R5 verkürzt. Die Regelschaltung mittels T2 bewirkt mit zunehmender Ausgangsspannung eine Verlängerung der Entladungsphase und bremst somit den weiteren Spannungsanstieg.
Bei einer Versorgungsspannung von 1V ergibt sich folgender Ausgangskurvenverlauf:
Für die Simulation liegt der Versorgungsspannung zu nahe an der Durchlassspannung der Basis-Emitter-Strecke. Die Simulation brauchte sehr lange (1,5 h). In der Realität läuft die Schaltung bei der niedrigen Spannungen von 1V auch noch recht passabel. Fehlendes echtes Rauschen und die nur angenäherte reale Kennlinie führen zu dieser Abweichung. Das gezappele der Impulse entsteht vorwiegend durch numerische Fehler.
Somit ist es immer notwendig die Ergebnisse auch mit Erfahrungen zu interpretieren um nicht zu weit von der Realität zu liegen.
Sperrwandler in Basisschaltung mit einer einfachen Regelung
Bei QUCS angenehm ist, dass wenn die Konfiguration als Text im Zwischenspeicher sich befindet und eingefügt werden soll, erkannt wird dass es sich um QUCS-Code handelt. Somit kann auf diese Art und Weise der Code der Schaltung im Dokument eingebunden werden, z.B. als Text mit sehr kleiner Zeichengröße um Platz zu sparen.
Es handelt sich hier um den Code mit der 1V Spannungsversorgung. Für 2V genügt es einfach den Wert im Schaltbild entsprechend bei der Spannungsquelle zu ändern.
<Qucs Schematic 0.0.15>
<Components>
<_BJT Q2N2222A_1 1 340 180 8 -26 0 0 "npn" 0 "8.11e-14" 0 "1" 0 "1" 0 "0.5" 0 "0.225" 0 "113" 0 "24" 0 "1.06e-11" 0 "2" 0 "0" 0 "2" 0 "205" 0 "4" 0 "0" 0 "0" 0 "0.137" 0 "0.343" 0 "1.37" 0 "2.95e-11" 0 "0.75" 0 "0.33" 0 "1.52e-11" 0 "0.75" 0 "0.33" 0 "1" 0 "0" 0 "0.75" 0 "0" 0 "0.5" 0 "3.97e-10" 0 "0" 0 "0" 0 "0" 0 "8.5e-08" 0 "26.85" 0 "0" 0 "1" 0 "1" 0 "0" 0 "1" 0 "1" 0 "0" 0 "1.5" 0 "3" 0 "1.11" 0 "26.85" 0 "1" 0>
<GND * 1 450 90 0 0 0 0>
<MUT Tr1 1 420 120 -29 38 0 0 "1 mH" 0 "0.2 mH" 0 "0.9" 0>
<IProbe Pr3 1 350 90 -26 16 0 0>
<_MOSFET T2 1 150 120 8 -26 1 0 "pfet" 0 "2.0 V" 1 "2e-5" 1 "0.0" 0 "0.6 V" 0 "0.0" 1 "0.0 Ohm" 0 "0.0 Ohm" 0 "0.0 Ohm" 0 "1e-14 A" 0 "1.0" 0 "20 um" 0 "2 um" 0 "0.0" 0 "0.1 um" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "0.0 F" 0 "0.0 F" 0 "0.8 V" 0 "0.5" 0 "0.5" 0 "0.0" 0 "0.33" 0 "0.0 ps" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "1" 0 "600.0" 0 "0.0" 0 "1" 0 "1" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "0.0 m" 0 "0.0 m" 0 "0.0" 0 "1.0" 0 "1.0" 0 "26.85" 0 "26.85" 0>
<GND * 1 50 230 0 0 0 0>
<GND * 1 150 330 0 0 0 0>
<C C1 1 150 300 17 -26 0 1 "20 nF" 1 "0 V" 0 "neutral" 0>
<R R4 1 150 210 15 -26 0 1 "10 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "european" 0>
<R R2 1 220 240 -26 15 0 0 "0.1 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "european" 0>
<Diode D3 1 520 180 -26 15 1 2 "1e-15 A" 1 "1" 1 "10 fF" 1 "0.5" 0 "0.7 V" 0 "0.5" 0 "0.0 fF" 0 "0.0" 0 "2.0" 0 "0.0 Ohm" 0 "0.0 ps" 0 "0" 0 "0.0" 0 "1.0" 0 "1.0" 0 "0" 0 "1 mA" 0 "26.85" 0 "3.0" 0 "1.11" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "1.0" 0 "normal" 0>
<IProbe Pr2 1 610 180 -26 16 0 0>
<GND * 1 710 330 0 0 0 0>
<C C2 1 670 210 17 -26 0 1 "200 nF" 1 "" 0 "neutral" 0>
<GND * 1 670 240 0 0 0 0>
<VProbe Pr4 1 730 270 -16 28 0 3>
<R R3 1 560 50 -26 15 0 0 "100 kOhm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "european" 0>
<R R1 1 290 90 -26 15 0 0 "1 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "european" 0>
<VProbe Pr1 1 90 290 -31 28 1 3>
<GND * 1 110 330 0 0 0 0>
<Diode D4 1 280 240 -26 15 0 0 "1e-15 A" 1 "1" 1 "10 fF" 1 "0.5" 0 "0.7 V" 0 "0.5" 0 "0.0 fF" 0 "0.0" 0 "2.0" 0 "0.0 Ohm" 0 "0.0 ps" 0 "0" 0 "0.0" 0 "1.0" 0 "1.0" 0 "0" 0 "1 mA" 0 "26.85" 0 "3.0" 0 "1.11" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "1.0" 0 "normal" 0>
<R R5 1 340 240 -26 15 0 0 "5000 Ohm" 1 "26.85" 0 "0.0" 0 "0.0" 0 "26.85" 0 "european" 0>
<Vdc V1 1 50 170 18 -26 0 1 "1 V" 1>
<.TR TR1 1 360 320 0 51 0 0 "lin" 1 "0" 1 "4 ms" 1 "3200" 0 "Euler" 0 "2" 0 "1 ns" 0 "1e-16" 0 "150" 0 "0.001" 0 "1 pA" 0 "1 uV" 0 "26.85" 0 "1e-3" 0 "1e-6" 0 "1" 0 "CroutLU" 0 "no" 0 "yes" 0 "0" 0>
</Components>
<Wires>
<340 150 390 150 "" 0 0 0 "">
<450 150 450 210 "" 0 0 0 "">
<340 210 370 210 "" 0 0 0 "">
<380 90 390 90 "" 0 0 0 "">
<150 90 260 90 "" 0 0 0 "">
<50 200 50 230 "" 0 0 0 "">
<50 90 150 90 "" 0 0 0 "">
<50 90 50 140 "" 0 0 0 "">
<310 180 310 200 "" 0 0 0 "">
<250 200 310 200 "" 0 0 0 "">
<250 200 250 240 "" 0 0 0 "">
<150 240 150 260 "" 0 0 0 "">
<150 150 150 180 "" 0 0 0 "">
<150 240 190 240 "" 0 0 0 "">
<390 150 390 180 "" 0 0 0 "">
<390 180 490 180 "" 0 0 0 "">
<550 180 580 180 "" 0 0 0 "">
<640 180 640 190 "" 0 0 0 "">
<640 180 670 180 "" 0 0 0 "">
<660 240 670 240 "" 0 0 0 "">
<710 280 710 330 "" 0 0 0 "">
<670 180 710 180 "" 0 0 0 "">
<710 180 710 260 "" 0 0 0 "">
<670 50 670 180 "" 0 0 0 "">
<590 50 670 50 "" 0 0 0 "">
<120 50 120 120 "" 0 0 0 "">
<120 50 530 50 "" 0 0 0 "">
<150 260 150 270 "" 0 0 0 "">
<110 270 150 270 "" 0 0 0 "">
<110 270 110 280 "" 0 0 0 "">
<110 300 110 330 "" 0 0 0 "">
<370 210 450 210 "" 0 0 0 "">
<370 210 370 240 "" 0 0 0 "">
</Wires>
<Diagrams>
</Diagrams>
<Paintings>
<Text 190 -50 14 #000000 0 "Sperrwandler in Basisschaltung mit grober Regelung">
</Paintings>
Anbei der Quellencode für die Diagramme:
<Qucs Schematic 0.0.15>
<Components>
</Components>
<Wires>
</Wires>
<Diagrams>
<Rect 80 240 433 320 3 #c0c0c0 1 00 1 0 0.0005 0.004 1 -0.6 0.2 0.620684 1 -0.00294839 0.005 0.0315345 315 0 225 "" "" "">
<"Pr1.Vt" #0000ff 0 3 0 0 0>
<"Pr2.It" #ff0000 0 3 0 0 1>
<"Pr3.It" #ff00ff 0 3 0 2 1>
<"Pr4.Vt" #00ff00 0 3 0 0 0>
</Rect>
</Diagrams>
<Paintings>
</Paintings>