Mehr als 8A aus einem LM2575 "Simple Switcher"

Wer kennt nicht das Problem, "mal eben" eine kleine Spannung (z.B. 5V) aus einer grösseren zu generieren. Heutzutage greift man dazu gerne zu Schaltreglern, doch entsprechende IC's mit hohem Ausgangstrom sind nicht einfach aufzutreiben, teuer und auch teilweise nicht einfach zu applizieren.

Warum also nicht den Schalter eines leicht erhältlichen LM2575 (von National Semiconductor) etwas erweitern?






Funktionsweise der Schaltung:

Der LM2575 läuft praktisch nur noch als Regler, ohne Strom zu liefern.
Wenn der Regler den Strom anschaltet, so ergibt sich am Ausgang eine Spannung. Diese wirde durch den Spannungsteiler vor der Basis von T4 noch etwas verkleiner (warum, dazu später).
Mit dieser Basisspannung schaltet nun T4 den Widerstand R13 und damit auch das Gate des P-Fets T3 nach Masse und es kann ein Strom durch den FET fliessen. Soweit so gut. Man kann für T3 eigentlich jeden einigermassen Strompotenten P-FET nehmen, z.B. IRF9540. Man sollte nur auf einen möglichst geringen RDSON achten (je kleiner, desto teurer -;).

Der eigentliche Kniff  erfolgt durch T5 beim Abschalten des Gate's von T3.
Wird T4 durchgeschaltet, so zieht er R13 gen Masse und damit auch das Gate von T3. Die eventuell noch enthaltende Ladung des Gates kann durch D9 abfliessen. In diesem Zustand ist die Basis von T5 kleiner als desen Emiter und T5 ist gesperrt.
Wird T4 nun hochohmig, so wird die Basis von T5  durch R13 auf Versorgungsspannungspotenzial gezogen. Der Emiter von T5 ist aber durch die Gatekapazität noch auf (fast) Masseniveau, daher schaltet T5 durch und verbindet das Gate niederohmig mit der Versorgungsspannung, sprich der FET sperrt sehr schnell (schneller als durch Gatekapazitätsentladung durch R13 alleine).
D9 ist nur notwendig um T3 auch einschalten zu können.


Warum wird denn nun die Basispannung von T4 möglichst klein gehalten? Sicher, mit einem grösseren Strom könnte man den Transistor schneller Durchschalten, aber der wichtige Moment ist der des Abschaltens (siehe auch weiter unten). Treibt man T4 zu weit in die Sättigung, so braucht dieser wesentlich länger um wieder stromlos zu werden!


Wo entstehen bei diesem Regler denn nun die Verluste?
Einmal erzeugt die Diode gewisse Verluste , mit einem Tastverhältniss von 0.5 ergibt sich z.B. Ausgangsstrom*0.5*Diodenspannung. Das macht bei z.B. 8 A und 1 V Diodenspannung etwa 4W.
Also sollte man zusehen hier Dioden mit niedriger Flussspannung zu nehmen.

Zum zweiten erzeugt auch der FET Verluste, und zwar:
1. im eingschalteten Zustand durch den RDSON. Beim IRF9540 ist dieser ca. 0.2Ohm. Bei wiederum 8A und einem Tastv. von 0.5 ergeben sich hier etwa 6.2 W Verlustleistung. Diese kann man nur verringern, wenn man einen FET mit  einem niedriegerem RDSON nimmt.
2. durch den Einschalt und vorallendingen Ausschaltmoment. In dieser Zeit wandert die Gatespannung durch einen Bereich, in dem der FET nicht vollständig durchgesteuert ist. Der Widerstand ist in diesem Moment wesentlich grösser als der RDSON. Das ist beim Einschalten nicht weiter schlimm, da hier nur ein kleiner Strom fliesst (Der Strom durch die Spule steigt linear an!).
Problematischer ist der Ausschaltmoment. Hier fliesst der grösste Strom. Hinzu kommt, dass man die Gatekapazität entladen muss, und dies wie bereits beschrieben möglichst schnell. Mit dem einfachen Widerstand Rx wäre die Schaltung zu langsam und es würden zusätliche Verluste erzeugt. Der Schaltungsteil mit T5 ergibt ein Schnelles Abschalten des FETs und es ergeben sich kaum weitere Verluste.

Was kann man mit der Schaltung erreichen?

Ich habe die Schaltung nur bis zu ca. 8A getestet. Mit anderen Fets ist sicherlich mehr drin. Es sollte aber nicht unerwähnt bleiben, dass ab einem bestimmten Punkt die Diodenverluste stark ansteigen. Hier ist es dann empfehlenswert einen Synchrongleichrichter zu benutzen, doch das ist eine andere Schaltung......

Ein Nachteil soll natürlich nicht verschwiegen werde: Die Schaltung ist nicht kurzschlussfest ! Der Eingang oder Ausgang sollten mit einer Sicherung geschützt werden !
Wen ein Leser einen passablen Vorschlag zur verlustarmen Strombegrenzung hat, so sollte er mir diese doch zumailen.

Dem geneigten Leser sei unbedingt das Datenblatt der SimpleSwicther Familie (speziell LM2575) sowie die passenden Application Notes ans Herz gelegt!

Noch ein paar Worte zu den verwendeten Teilen:

Der LM2575 (von NS) kann auch durch den LM2576 ersetzt werden. Es eignen sich sowohl Fixe Versionen (3.3V,5V,12V etc) oder die Variable (zu erkennen an der -Adj Kennzeichnung). Die Gehäusebauform spielt eigentlich keine Rolle, das TO220 Gehäuse lässt sich jedoch am einfachsten montieren, löten und ist in der stehenden Variante am platzsparensten.
Wird die variable Version genutzt, so ist noch ein Spannungsteiler zur Generierung der Augangsspannung notwendig !

Die Diode ist (fast) beliebig. Es kann hier jede schnelle, für den Strom geeignete Diode genommen werden. Eine 1N4007 o.ä. tuts nicht !!! Empfehlenswert ist eine BYW29 im TO220 Gehäuse (bis ca. 8A).

Die Spule sollte in etwa eine Induktivität von 100µH haben. Viel wichtiger ist jedoch, dass der Kern nicht in die Sättigung geht und der Widerstand des Drahtes nicht zu hoch ist.

Als Ausgangskondensator kommen eigentlich nur Typen speziell für Schaltnetzteile in Frage (z.B. Oscon). Es sollten es aber auch Elkos aus dem Sekundärkreis eines alten PC-Netzteils tun (auf Spannungsfestigkeit achten !!!!!). Vorsicht ! In allen Schaltnetzteilen, die am 220V Netz betrieben werden, haben die Primärelkos teilweise nach Stunden noch lebensgefährlich hohe Spannungen gespeichert !

Diese Schaltung ist eigentlich nicht für Anfänger geeignet. Desweiteren sollte ein Oszilloskop zur Hand sein !

Aufgrund der bereits genannten Verluste in den Bauteilen, müssen die Leistungteile auf einem Kühlkörper montiert werden !!!!
Besonders der FET und die Diode! Bei einem Ausgangsstrom von 8A, einer Ausgangsspannung von  5V und einem Wirkungsgrad von 0.75 setzen die beiden Bauteile bis zu 15W Verlustleistung um! Ein 5 K/W Kühlkörper bedeutet eine Erwärmung gegenüber der Umgebungstemperatur um 75 ° !!! Ein Kühlkörper von 3 K/W oder weniger ist bei dieser Verlustleistung dringend angeraten !





Mini FAQ:

Frage:
 Die Schaltung kann man auch mit einem SG3525 aufbauen, oder?
Antwort:
Sicher, aber diese Schaltung bräuchte erstens mehr Platz und wenn man den LM25xx auf dem selben Kühlkörper wie den FET montiert hat man noch eine (gewisse) Temperaturüberwachung.
Desweiteren ist im LM25xx bereits alles an weiteren passiven Komponenten integriert. Diese müsste man beim SG3525 (oder anderen)  noch zusätzlich berechnen und irgendwo unterbringen...

Frage:
Kann man auch einen N-FET nehmen? Die haben einen kleineren RDSON!
Antwort:
NEIN! Um einen N-FET durchzusteuern bräuchte man eine GateSpannung, welche um einige Volt grösser als die Source Spannung ist ! Aber woher nehmen?

Frage:
Warum wird hier der 2576-5 verwendet?
Antwort:
Weil dieser gerade in grösserer Stückzahl "rumlag". Wie bereits beschrieben ist eine LM2575 genauso gut. Der 2575 dürfte billiger sein. Die beiden Regler nterscheiden sich eigentlich nur durch den möglichen Ausgangsstrom (3A/2576 , 1A/2575).