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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannungsversorgung 5V + 3.3V ohne Trafo


Autor: Philip Rings (Firma: Fraunhofer FOKUS) (prings)
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Hallo,

für eine Schaltung habe ich eine Spannungsversorgung aufgebaut, die 
keinen Trafo verwendet, sondern die Netzspannung direkt mithilfe einer 
Zenerdiode und nachgeschalteten Festspannungsreglern hintereinander auf 
5V und auf 3,3V regelt.
Das Bezugspotential der Gesamtschaltung sieht einen der beiden Leiter (N 
oder L) als Bezugspotential vor, daher kann ich leider keinen Trafo 
verwenden. Platz für einen Trafo wäre auch im passenden Gehäuse nicht.

Nun zum Problem:
Solange ich den Ausgang des 3,3V Reglers nicht belaste, sind die 
Spannungen stabil. Hänge ich meinen Mikrocontroller (ATMEGA1281+RF230) 
daran, brechen sämtliche Spannungen ein.

Woran kann der Einbruch der Spannungen liegen? (Evtl. zu wenig Strom am 
Eingang?)
Was habe ich bei der dimensionierung der Bauteile übersehen?
Wie kann ich die Schaltung nun so dimensionieren, dass ich sowohl 5V, 
als auch 3,3V verwenden kann?

Die Schaltung der Spannungsversorgung befindet sich im Anhang.
Als Last verwende ich bei 5V einen ADE7753 Energiemess-IC und bei 3,3V 
ein Atmel AVR ATMEGA1281+AT86RF230.

Vielen Dank schonmal für die Hilfe!

Gruß
Prings

Autor: A. K. (prx)
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Einen Anhang der nicht anhängt ist kein Anhang.

Autor: Philip Rings (Firma: Fraunhofer FOKUS) (prings)
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Stimmt. Der Anhang ist durch die Nachrichtenvorschau flöten gegangen. 
Danke für den Hinweis.

Autor: A. K. (prx)
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Die LM340 sind äquivalent zu den 78xx, LM340-24 klingt also verdächtig 
nach 7824. Und wäre dann weder ein 3,3V Regler, noch ein hier nötiger 
LDO.

Autor: Hubert G. (hubertg)
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Wieviel Strom brauchen die  beiden ICs?

Autor: Philip Rings (Firma: Fraunhofer FOKUS) (prings)
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Am 3,3V Ausgang: Die beiden ATMEL ICs brauchen:
ATmega1281: max 10mA
AT86RF230: max 20mA

Fertiges Modul: ICradio Module 2.4G
http://www.ic-board.de/product_info.php?info=p4_IC...

Am 5V Ausgang:
ADE7753: max 7mA

Autor: Alex (Gast)
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Hi,
Ist das System völlig gekapselt?
Oder gibt es irgendwelche Schnittstellen nach außen?

Falls ja, Finger davon. Es fehlt die galvanische Trennung.
Selbst wenn ein Display vorhanden ist würde ich abraten.

Alex

Autor: Philip Rings (Firma: Fraunhofer FOKUS) (prings)
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Die Festspannungsregler sind definitiv für die benötigten 
Ausgangsspannungen vorgesehen.
Der 5V Regler ist ein 78M05,
der 3.3V Regler ist inzwischen ersetzt durch einen TS2940

Ich denke auch, dass das Problem entweder bei dem Zusammenspiel der 
beiden Regler liegt, oder dass schon vorne die Werte für die 
Kondensatoren/ den Widerstand falsch sind.

Ich habe leider keine weiteren Informationen zum Design einer solchen 
Schaltung gefunden. Über Hinweise zur Kalkulation der benötigten 
Bauteile bin ich sehr dankbar!

Autor: Jens PICler (picler)
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Wie oben schon geschrieben: Flossen weg von dem Netzteil, und das meine 
ich wörtlich.

Wenn ich richtig gerechnet habe, liegt die Stromaufnahme bei ca. 50mA. 
Damit ist es auf jedenfall zu viel für ein C-Netzteil. Das Teil ist 
nicht galavanisch entkoppelt und damit LEBENSGEFÄHRLICH! Außerdem fehlt 
eine Sicherung. Wenn C2 einen Schluß hat, fließt viel Strom durch die 
Schaltung. Strom=Wärme...

Ein kleiner Trafo oder ein Schaltnetzteil sind hier die bessere Wahl.

Autor: Philip Rings (Firma: Fraunhofer FOKUS) (prings)
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Hi, danke für die Antwort.

Über die Gefahren, die von diesem Design ausgehen bin ich mir voll 
bewusst! Die fertige Schaltung befindet sich aber in einem geschlossenen 
Gehäuse, somit sind Berührungen ausgeschlossen. Damit ich den 
Kurvenverlauf messen kann, habe ich einen Trenntrafo vorgeschaltet. 
Zusätzlich ist auch ein FI-Schalter an der Werkbank angebracht. 
(Vorsicht lasse ich ebenso walten ;-) )

Wie schon beschrieben, kann ich leider keinen Trafo benutzen, da der 
Rest der Schaltung als Bezugspotential einen der beiden Leiter (N oder 
L) benötigt. Dies kommt daher, dass die fertige Schaltung ein 
Energiemessgerät darstellen soll und für die Strommessung ein 
Shunt-Widerstand eingesetzt wird. Die Messung mit einem solchen 
Widerstand benötigt zwingend einen der beiden Leiter als 
Bezugspotential.
Dieser Punkt ist leider Fakt und hat mir auch schon viel Kopfzerbrechen 
bereitet...

Autor: Michael M. (michaelm)
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Moin,
mal abgesehen von der "Gefahrenquelle" an sich: Hast Du mal im leerlauf 
die Spannung an der ZD (D1) und am Eingang des 7805 gemessen? Wie hoch?
Grüße Michael

Autor: Kai Eichhorn (kai20)
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Hi,
wenn ich richtig gerechnet habe, komme ich auf ca. 7k Eingangwiderstand,
was bei 230VAC eine Strom von ca. 32mA zuläßt.
Da aber deine beiden Regler sicherlich einen Querstrom von IN nach GND
von ca. je 5mA haben werden, ist dein benötigter Strom 10mA+20mA+10mA 
Querstrom schon höher, als was Rin zulässt.
Bin mir momentan nicht sicher, ob dein zur Verfügung stehender Strom
nur ca. 16mA wäre, weil es ist ja eine Einweggleichrichtung.

Kai

Autor: Hubert G. (hubertg)
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C2 muss etwa 1µ haben, dann schaffst du etwa 50mA. Du musst dafür sorgen 
das der C2 nach der Netztrennung rasch entladen wird, 1M parallel 
schalten.
Über die Risiken habe ja andere schon geschrieben, sie sind sehr ernst 
zu nehmen.

Autor: Philip Rings (Firma: Fraunhofer FOKUS) (prings)
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Gemessene Werte:

Zener-Diode 7Vdc + 7Vac_eff
Am 5V Regler liegen 14Vdc an


@Kai:
Also wenn ich den 47Ohm Widerstand verringere, könnte ich somit den 
Strom, der den 470u Elko lädt erhöhen. Oder?

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Philip Rings schrieb:
> und für die Strommessung ein Shunt-Widerstand eingesetzt wird.
> Dieser Punkt ist leider Fakt und hat mir auch schon viel Kopfzerbrechen
> bereitet...

Warum ist dieser Punkt ein Fakt?
Ist das explizit so vorgegeben oder kennst du nur keine Stromwandler?

Autor: Hubert G. (hubertg)
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Den Widerstand würde ich nicht verringern, der begrenzt den Ladestrom 
von C2. Hätte auch nur wenig Effekt. Rechne dir mal den Serienwiderstand 
von C2 aus.

Autor: Philip Rings (Firma: Fraunhofer FOKUS) (prings)
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Jupp. Shunt ist vorgegeben. Die Entscheidung, die da getroffen wurde, 
wurde schon vor etwas längerer Zeit getroffen. (Klein, leicht, 
preiswert, sehr genaue Messung möglich). Aber viele, viele Nachteile. 
:-( Nach der Erfahrung, die ich damit gesammelt habe, würde ich es heute 
auch anders machen.

In einer späteren Version des Messgerätes wird sicher ein Stromwandler 
verbaut und dann auch das Netzteil durch eines mit Trafo ersetzt werden.

Aber erstmal muss nun diese Version hier funktionieren.

Autor: Philip Rings (Firma: Fraunhofer FOKUS) (prings)
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Hubert G. schrieb:
> Den Widerstand würde ich nicht verringern, der begrenzt den Ladestrom
> von C2. Hätte auch nur wenig Effekt. Rechne dir mal den Serienwiderstand
> von C2 aus.

0,47u bei 50Hz ==> 6,8kOhm
1u bei 50Hz ==> 3,2kOhm

Ich seh schon. Da bringt die Änderung von 470 Ohm nicht viel.

Autor: Michael M. (michaelm)
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Dringende Empfehlung: weitere Messung(en) NUR MIT TRENNTRAFO:
Schau Dir mit Oszilloguck den Ripple am Eingang 7805 ohne Last an 
(DC-Messung) und berichte. Danach würde ich mit ohmscher Last (weniger 
als Nennbelastung) schaun, was bei schrittweise steigender Belastung 
passiert. Ohne in's D-Blatt zu schaun, fängt der 7805 spätestens bei 
U-in < 8V an, Probleme zu machen. So tief darf also die 
Eingangswelligkeit keinesfalls runtergehn.

Autor: willi (Gast)
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>...habe ich einen Trenntrafo vorgeschaltet.
>Zusätzlich ist auch ein FI-Schalter an der Werkbank angebracht.

na herzlichen glückwunsch! den FI kannste bei dem aufbau auch getrost 
weglassen, der bringt dir NIX!

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Gut, die galvanische Trennung ist dann nicht möglich.
Ist immer noch die Frage was dann gegen einen Trafo spricht.
Ich sehe bezüglich der Trafo-Variante keinen Nachteil in der Größe oder 
Effizienz.

Autor: Philip Rings (Firma: Fraunhofer FOKUS) (prings)
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Hallo,

Erstmal vielen Dank für die zahlreichen Antworten und Hinweise! Das hat 
mir schon viel Wissen eingebracht.

Warum ich auf dieses Design poche: Die Platine ist bereits fertig und 
konnte auch schon erfolgreich getestet werden, allerdings nur mit dem 
Energiemess-IC. Der Mikrocontroller wurde bisher mit einer externen 
Spannungsversorgung betrieben, was nun geändert werden soll.

Eine Messung ergab, dass die Kombination aus ATMega1281 und AT86RF230 
zeitweise bis zu 60-70mA Strom zieht.
Hinzu kommen nun noch der Stromverbrauch des ADE7753 und der 
Festspannungsregler.

Ist es möglich das Design der Spannungsversorgung dahingehend zu ändern, 
dass ohne Probleme ~100mA bereitgestellt werden können?
Meines Erachtens könnte man dieses erreichen, wenn man den Kondensator 
C2 auf etwa 1,5uF erhöht...

Wenn mir jemand eine Lektüre/Buch/Internetseite empfehlen kann, wo ich 
Informationen zu genau solchen Spannungsversorgungen finde, wäre ich 
sehr sehr dankbar!!

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Philip Rings schrieb:
> Ist es möglich das Design der Spannungsversorgung dahingehend zu ändern,
> dass ohne Probleme ~100mA bereitgestellt werden können?
> wenn man den Kondensator C2 auf etwa 1,5uF erhöht...

Ja gehen tut es, es ist aber Blödsinn.
Was spricht gegen einen Trafo?
Größe und Effizienz sind mit einer Trafolösung besser.

Den Trafo gleichrichten und die Masse mit N verbinden.

Autor: Pata (Gast)
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Hier findest du vieleicht hilfe.
Ich moechte dir beraten die Z-Diote von 1W zu beutzen um die Leistung 
die alle Geraeten ziehen ca.100mA stand zu halten.
Zweitens da der Stromverbrauch Idc etwas 100mA ist, sollete Iac Eingang 
Strom etwa 150mA gewaelte werden.
Damit der Kapazitiven Widerstand 240V/150mA=1600ohm, und damit der 
Kondensator Kapazitaet von C=1/2.Pi.f.Rc; C=2microFarade.
Beachte dass der Kondensator Spannungsfestigkeit sollte 360V(wegen 
Einschalt Spitzte Spannungen)
Die berechnung die ich durchgefuehrt habe sint Formal,aber die Realitaet 
ist dass der Kondensator Netzteil mit einer Leistung von 240V*1500mA=36W 
nicht richtig functionieren kann.

Viel Spass.

Autor: Pata (Gast)
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Hier die 
Linke;http//www.elektonik-compendium.de/public/schaerer/cpowsup.htm

Autor: Pata (Gast)
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Sorry es ist www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/cpowsup.htm

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Pata schrieb:
> Die Berechnungen die ich durchgeführt habe sind Formal, aber die Realität
> ist, dass das Kondensator Netzteil mit einer Leistung von 240V*1500mA=36W
> nicht richtig funktionieren kann.

Deine Rechnung ist richtig und wie du schon gesagt hast, ist bei einem 
so großen Strom ein Kondensator Netzteil nicht mehr angebracht.

Autor: Pata (Gast)
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sorry ich habe fehler gemacht beim angabe der Site fuer Literature: hier 
ist es richtig=> 
http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaere...

Autor: frankman (Gast)
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Also:

1. Ich würde den C auf 1yF erhöhen.
2. Die Z-Diode kannst Du aus meiner Sicht auch weglassen. Oder du baust 
die Spannungsregelung gleich mit einem R und einer Z-Diode auf.
3. Der Widerstand 470 R könnte ggv. kleiner sein. (Achte auf die 
Belastbarkeit.) Ich hab schon zwei mal einen 1206 mit 47 Ohm zerstört.
4. Nimm für die 3V3 doch evtl. einen LM317 und 2 Widerstände, da ist die 
Dropoutspannung nicht so gross.
5. Oder nimm vernünftige fixe Regler, mit Low-Drop. und ausreichender 
Spannungsfestigkeit

6. Beachte die Drossel am Eingang, ist zwar recht löblich, wegen EMV und 
Surge, aber...

7. Lade Dir doch mal LT-Spice runter und simuliere das ganze mal.
( Da kannst Du auch recht gefahrlos simulieren, was passiert, wenn du 
mal einen 5KV Burst mit 5KHZ und ein paar Millisekunden Länge 
draufgibst.
)

Autor: Gast (Gast)
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Bei den mechanischen Abmessungen die entsprechend spannungsfeste 
Kondensatoren haben, passt auch ein Trafo.
http://darisusgmbh.de/shop/product_info.php?info=p...

Autor: Ulrich (Gast)
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Eine lösung für mehr Strom, wäre es den 7805 durch einen Schaltregler 
(z.B. 24 V -> 5V) zu ersetzen. Da soll es sogar ferige Module in einem 
sehr ähnlichen Gehäuse geben, allerdings nicht ganz billig. Dann könnte 
der Kondensator auf der Netzseite eventuell sogar kleiner werden.

Autor: Ulrich (Gast)
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Zum Testen sollte man die Schaltung erst man von einem Labornetzteil 
versorgen um den Stromverbrauch zu messen. Erst wenn der Stromverbraucht 
stimmt kann man den passenden Kondensator einbauen und direkt vom Netz 
speisen.  Dann braucht man nicht unnötig viel unter Netzspannung zu 
messen.

Autor: Gast (Gast)
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> Eine lösung für mehr Strom,...

und wo soll der mehr Strom herkommen?

Autor: Wayne Monga (vibra)
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Moin

http://www.powerint.com

lnk306

mfg

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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Philip Rings schrieb:
> Hi, danke für die Antwort.
> Die Messung mit einem solchen
> Widerstand benötigt zwingend einen der beiden Leiter als
> Bezugspotential.
> Dieser Punkt ist leider Fakt und hat mir auch schon viel Kopfzerbrechen
> bereitet...

Man kann doch ooch wat andred nehm, als ausjerechnet Lehm ;-))

http://www.mercateo.com/p/115-644501/ACS750LCA_050...

Autor: faustian (Gast)
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Isolationsverstaerker? Teilschaltung zur Messung ueber zwei kleine 
Trafos ankuppeln (1x Versorgung, 1x Messwert auf Traegerfrequenz), oder 
1x Trafo 1x Optokoppler ? Kapazitiv angekoppelter "kuenstlicher" 
Nullpunkt und differentielle Messung?

Zur Besorgnis wegen des Displays: Du meinst wenn einer das Glas 
einschlagen sollte?

Autor: Ulrich (Gast)
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Bei einem Schaltregler kann man aus z.B. 20 V und 20 mA etwa 5 V und 60 
mA machen, denn die zustätzliche Spannung wird nicht einfach in Wärme 
umgesetzt wie beim Linearregler. Das Beispiel oben wäre etwa 75% 
Wirkungsgrad, für die meisten Regler durchaus erreichbar. Ein Problem 
hat man aber noch: Die "Stromvermehrung" klappt erst wenn die 
Eingangsspannung hoch genug ist, man darf die hauptlast also erst 
zuschalten, wenn die Spannung vor dem Schaltregler hoch genug ist.


Ein Problem mit einem kleinen Trafo (60 mA bei ca. 10 V = 600 mW) ist, 
das die einen relativ hohen Leerlaufverlust (im Bereich 1 W) haben, 
gerade die mit kleiner Baugröße. Für die 600 mW Leistung hinter dem 
Trafo kann man schon mal 2 W an Strom verbrauchen.

Autor: Stephan (Gast)
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> Eine lösung für mehr Strom,...
> und wo soll der mehr Strom herkommen?

Falls es wirklich beim Kondensaturnetzteil und identischem 
Platinenlayout bleiben muß hat Ulrich schon recht:

Mit Kondensatornetzteil auf ca. 24V; Dann weiter mit zum 7805 
pinkompatiblen Schaltregler auf 5 V.
Aus 24V/30mA werden damit problemlos 5V/100mA.

Alternativ Trafo verwenden, der wird kleiner als ein Kondensator um 
1,5µF. Platine müßte für den deutlich größeren Kondensator ja vermutlich 
eh angepasst werden.

Oder Stromverbrauch reduzieren: Betriebsspannung, Taktfrequenz

Autor: Philip Rings (Firma: Fraunhofer FOKUS) (prings)
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Hallo,

vielen vielen Dank für all die Antworten!!

Ich habe inzwischen die Werte mehrmals verändert und einige Messungen 
durchgeführt:
Ein Ausgangsstrom von etwa 70 mA hinter den Festspannungsreglern ist nun 
möglich, ohne dass die Spannung zusammenbricht. Evtl. reicht das schon. 
Leider wird die Schaltung nun recht warm, da über dem Widerstand etwa 
0,5W abfallen. (Kondensator 2,2 uF + Widerstand 50 Ohm) Und der 
Kondensator ist ziemlich groß, so dass es insgesamt etwas 
unprofessionell aussieht.

Jetzt muss ich noch vernünftige Regler einsetzen, die nicht so viel 
Strom verschwenden und sicherlich kann ich den Microcontroller auch 
geschickt in diverse Sleep-Modi versetzen.

Mit einem Schaltregler habe ich mich auch auseinander gesetzt: Klingt 
sehr interessant und ich werde mal sehen ob ich das umsetze. Der höhere 
Schaltungsaufwand stört mich nur ein wenig. Ein Bucket-Stepdown-Wandler 
benötigt noch einiges an weiteren Bauteilen.

Also nochmals vielen Dank für all Eure Ratschläge.

Gruß
Philip

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