LC-Filter Dimensionierung

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26.08.2019, 15:23
sensorsearchsql

LC-Filter Dimensionierung

Hallo zusammen,
meine 5V USB Powerbank erzeugt im Output 200mV Stromwelligkeit bei 500mA - Auslastung mit einer Frequenz von ca. 250kHz. Werte habe ich vom Hersteller, da ich Anfänger bin und noch nicht mit einem Oszi umgehen kann. Jetzt möchte ich ein Gerät betreiben, dass max. 30mV Stromwelligkeit verträgt. Nun baue ich eine kleine Platine und würde gerne Wissen, ob ein zur Stromversorgung parallelgeschalteter Keramikkondensator zur Glättung ausreicht (wieviel uF?) oder ein einfaches bzw. komplexeres LC-Glied nötig ist. Welche Werte wären in diesem Fall für den Induktor und Kondensator zu wählen? Meine Auslastung wird ca. 400mA sein.

Herzlichen Dank!
26.08.2019, 16:48
Moppi

Du kannst auch einen einfachen Tiefpass zur Filterung (Glättung/Siebung) verwenden. Meist hat man Bauteile hierfür in irgendeiner Größenordnung da. Bis auf den Widerstand, der die Leistung von 5V, bei 0.4A wegstecken muss.

Wenn die störende Frequenz am Ausgang 250kHz hat, genügt ein Widerstand mit 10 Ohm (2W) in der Plusleitung und direkt hinter dem Widerstand, zwischen Plus und Minus, ein Kondensator mit 100µF (Elko). Die Grenzfrequenz sollte dann bei ~ 160Hz liegen. Alles was drüber ist würde geglättet und was darunter ist würde am Ausgang ankommen. Mit 100 Ohm als R, sinkt die Grenzfrequenz auf ~ 16Hz. Mit 100 Ohm und 220µF ist die Grenzf. etwa bei 7.23Hz.

Schau mal im Internet nach Siebglied. Dort findest Du auch LC-Glieder.

Wenn Du den Widerstand durch eine Spule ersetzt, bekommst Du bei einem Wert von 100mH, für die Spule und 100µF, für den Kondensator, eine Grenzfrequenz von ~ 50Hz.
26.08.2019, 17:31
Holomino

Nicht ganz richtig, weil bei einem Strom von 400mA an 10R bereits 4V der Gleichspannung abfallen, aber schon ein Ansatz.
Bei einem einfachen RC-Tiefpass sagt man: beim Zehnfachen der Grenzfrequenz sinkt die Amplitude auf 1/10el.
Setzt Du also die Grenzfrequenz auf 25kHz (1/10el Deiner Störfrequenz) fest und reduzierst Du den Widerstand auf ein erträgliches Maß (0,1 Ohm ->0,04V Spannungsabfall über den Widerstand), kannst Du nach der Formel
fg=1/(2*PI*R*C)
umgestellt auf
C=1/(2*PI*R*fg)
einen mäßig großen Kondensator mit 63µF (runde ihn auf 100µF auf, das schadet nix) verwenden.
26.08.2019, 17:38
White_Fox

Einen RC-Tiefpass finde ich immer recht häßlich: Bringt relativ wenig Dämpfung, verbrät dafür Leistung über dem Widerstand und den DC-Spannungsfall über dem Widerstand brauch meistens auch niemand.

Wenn ich mich nicht vertue, dann brauchst du einen Filter, der bei 250kHz:
20*log(30/200) = 16,5dB Dämpfung liefert.

Wenn du, um bei Moppis Vorschlag zu bleiben, ein RC-Glied auslegen willst, sollte dessen Grenzfrequenz irgendwo bei 25kHz liegen. Ein RC-Filter dämpft mit 20dB/Dekade (eine Dekade ist im Dezimalsystem immer ein Bereich mit derselben Stellenanzahl, also 10...<100, 100...<1.000, usw.).

Ein LC-Tiefpass dämpft dagegen mit 40dB/Dekade, benötigt genausoviele Bauteile, und hat keinen (ok, geringen) DC-Spannungsfall.
27.08.2019, 06:07
Klebwax

Zitat:

Zitat von sensorsearchsql

meine 5V USB Powerbank erzeugt im Output 200mV Stromwelligkeit bei 500mA - Auslastung mit einer Frequenz von ca. 250kHz. Werte habe ich vom Hersteller, da ich Anfänger bin und noch nicht mit einem Oszi umgehen kann.

Glaub ich nicht. Niemand erzeugt mit Absicht eine Ripplespannung. Die 200mV werden die maximale Ripplespannung sein, die der Hersteller garantiert. Der reale Wert kann nur gemessen werden.

Zitat:

Jetzt möchte ich ein Gerät betreiben, dass max. 30mV Stromwelligkeit verträgt.

Glaub ich auch nicht. kein Gerät geht von 30mV Ripple kaput. Es funktioniert höchsten schlechter. Ob das bei dem realen Ripple deiner Powerbank für deine unbekannte Funktion eine Rolle spielt weiß ich nicht.

MfG Klebwax
27.08.2019, 08:40
PICture

Hallo !

@ sensorsearchsql

Alle meine Vorredner haben Recht und wenn dein Verbraucher die Ripple echt nicht verträgt, dann mußt du im Powerbank auf Szaltnetzteil verzichten. :(
27.08.2019, 09:43
sensorsearchsql

Hallo und Danke für die vielen hilfreichen Infos die ich gut gebrauchen kann!

@Klebwax: Ich hatte alle großen USB-Powerbank-Hersteller angeschrieben: Laut deren Aussage verfügen sie über keine Produkte die ohne Ripple auskommen. Fragen zur Höhe und Frequenz (mein erster Beitrag) wurden direkt an den Produktentwickler einer bestimmten Powerbank gestellt und mir mitgeteilt. Der Ripple muss wohl durch den verbauten Boost-Converter entstehen (3.7V>5V). Messungen folgen, kann ich aber z.Z. nicht ausführen und muss mich darauf berufen. Unter den angeschlossenen Geräten ist ein wissenschaftliches Gerät zur Paritkelmessung. Betrieben mit 4.8 - 5.2 Volt und verträgt es eben laut Datenblatt max. 30mV Ripple. Ich muss hier einfach sicher gehen, dass nichts passiert.

Kann man abschätzen, ob in meinem Fall ev. Rückkopplungen (zur Powerbank) beim Einsatz einer Spule zu beachten wären? Was wäre denn z.B. eine möglichst kleine und kostengünstige 100mH Spule, die per Hand auf die Platine gelötet werden kann?

MFG
27.08.2019, 10:10
Moppi

Spulen haben auch leider wieder einen angegebenen Widerstand.

Es gibt z.B. Spulen mit 1.8mH und einem Widerstand von 14 mOhm. Bei 100mH gehts bis in den mehrstelligen Ohm-Bereich.

Bei 1.8mH und 100µF Kondensator wäre die Grenzfrequenz bei ca. 370Hz. Solang keine Störungen unterhalb der Grenzfrequenz hinzukommen... (?) Bei 1.8mH und 47nF, wäre die Grenzf. bei 17.3kHz, immer noch weit von den 250kHz entfernt, so dass Frequenzen in dem Bereich brauchbar unterdrückt werden sollten.
27.08.2019, 12:14
White_Fox

Zitat:

Zitat von sensorsearchsql

Hallo und Danke für die vielen hilfreichen Infos die ich gut gebrauchen kann!

@Klebwax: Ich hatte alle großen USB-Powerbank-Hersteller angeschrieben: Laut deren Aussage verfügen sie über keine Produkte die ohne Ripple auskommen. Fragen zur Höhe und Frequenz (mein erster Beitrag) wurden direkt an den Produktentwickler einer bestimmten Powerbank gestellt und mir mitgeteilt. Der Ripple muss wohl durch den verbauten Boost-Converter entstehen (3.7V>5V). Messungen folgen, kann ich aber z.Z. nicht ausführen und muss mich darauf berufen. Unter den angeschlossenen Geräten ist ein wissenschaftliches Gerät zur Paritkelmessung. Betrieben mit 4.8 - 5.2 Volt und verträgt es eben laut Datenblatt max. 30mV Ripple. Ich muss hier einfach sicher gehen, dass nichts passiert.

Kann man abschätzen, ob in meinem Fall ev. Rückkopplungen (zur Powerbank) beim Einsatz einer Spule zu beachten wären? Was wäre denn z.B. eine möglichst kleine und kostengünstige 100mH Spule, die per Hand auf die Platine gelötet werden kann?

MFG

Ich wüßte nicht, wo es da Rückkopplungen geben sollte. Such dir irgendeinen Distri (z.B. Digikey, Farnell, Mouser, ...), irgendwo unter den passiven Bauelementen findest du Drosseln (pass auf, daß du nicht versehentlich an Gleichtaktunterdrückungsdrosseln gerätst, die machen was anderes als was du willst), dort suchst (die Seiten der Distris haben eine klasse Filterfunktion) du dir eine, deren Sättigungsstrom UND Nennstrom über deinem Betriebsstrom liegen. Danach guckst du dir noch die Eigenresonanzfrequenz an, diese sollte wenigstens etwa 2,5MHz betragen. Je höher, desto besser für dich.

Ach ja, noch etwas: Der Kondensator, den du für die Filterung auslegst, kommt natürlich zwischen Spannungsversorgung und der Filterdrossel. Ich würde dir allerdings auch raten, einen gleichen Kondensator auf die andere Seite der Drossel zu packe, also zwischen Filterdrossel und Last. Dann passiert nämlich nix, wenn aus irgendeinem Grund der Stromfluß plötzlich unterbrochen wird und die Drossel den, gerne auch unter Spannungsspitzen von mehreren kV, weitertreibt.
27.08.2019, 15:49
Klebwax

Zitat:

Zitat von sensorsearchsql

@Klebwax: Ich hatte alle großen USB-Powerbank-Hersteller angeschrieben: Laut deren Aussage verfügen sie über keine Produkte die ohne Ripple auskommen.

Du schreibst offensichtlich an einer wissenschaftlichen Arbeit. Da solltest du an deinen Formulierungen noch arbeiten. "auskommen" klingt, als ob eine Powerbank ein Ripple braucht. Die Aussage muß aber lauten: Sie können eine Ripplespannung nicht vermeiden. Und ja, es liegt daran, daß ein Aufwärtswandler immer ein Schaltwandler sein muß.

Zitat:

Unter den angeschlossenen Geräten ist ein wissenschaftliches Gerät zur Paritkelmessung. Betrieben mit 4.8 - 5.2 Volt und verträgt es eben laut Datenblatt max. 30mV Ripple. Ich muss hier einfach sicher gehen, dass nichts passiert.

Auch hier die Formulierung: Es verträgt sogar +-200mV. Bei 200mV Ripple wird ihm nichts passieren. Es wird nur keine brauchbaren Ergebnisse liefern.

Wenn an deinen 5V mehrere Verbraucher hängen erzeugen die natürlich auch Störungen auf deiner 5V Versorgung (die du mit dem Filter an der Powerbank nicht weg bekommst). Wenn eines deiner Geräte eine bessere Versorgung braucht, gönn ihm eine eigene. 2S Lithium sind 6 - 8V. Dahinter einen 5V LowDrop (sonst sind die 6V zu wenig) Linearregler. An diese Versorgung wird nur dein empfindliches Gerät angeschlossen. Oder generell eine Versorgung mit 2S Lithium. Ein billiges Schaltreglermodul für die unkritischen Verbraucher und einen Linearregler für dein empfindliches Teil.

MfG Klebwax