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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Linearregler mit hoher Eingangsspannung/geringer Ruhestrom


Autor: Tom P (Gast)
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Für eine Schaltung benötige ich aus einer Eingangsspannung von ca. 60V 
eine Versorgungsspannung für meine Logik von 5V bei ca. 10mA 
kontinuierlich und ca 80mA peak. Da ich im selben Gehäuse noch ein 
Funkmodul und ein bischen Analoges betreibe, ist die Sache bezüglich EMI 
etwas kitzelig. Ich würde darüber hinaus einen relativ geringen 
Ruhestrom des Reglers benötigen (so max. 300 µA).

Mein derzeitiger Lösungsansatz wäre ein LT3010 oder ähnlich, allerdings 
gibt es den nur von TI und hat vergleichsweise wenig Ersatztypen, v.a. 
mit dem gleichen Pinout... (mal davon abgesehen, dass rund 2,5€ 
natürlich auch recht viel für einen Linearregler sind)

Alternativ meine Frage, ob man einem "normalen" Linearregler wie dem 
LP2950 einfach ein, zwei Z-Dioden in der Zuleitung spendieren kann, um 
die Eingangsspannung passend herunter zu setzen...?

Vielen Dank im Voraus,
Beste Grüße,
Thomas

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Tom P (Gast)

>Alternativ meine Frage, ob man einem "normalen" Linearregler wie dem
>LP2950 einfach ein, zwei Z-Dioden in der Zuleitung spendieren kann, um
>die Eingangsspannung passend herunter zu setzen...?

Ja, das würde ich so machen.

MfG
Falk

Autor: Stefan_KM (Gast)
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Ein Linearregler regelt doch immer. Redet man dann noch von einem 
Ruhestrom?

Ansosnten kannst du versuchen dies auch mit einer Z-Diode und einem 
Transistor zu realisieren. Diese müßten für die Spannung 60V 
entsprechend dimensioniert sein.

Autor: Stefan_KM (Gast)
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>Alternativ meine Frage, ob man einem "normalen" Linearregler wie dem
>LP2950 einfach ein, zwei Z-Dioden in der Zuleitung spendieren kann, um
>die Eingangsspannung passend herunter zu setzen...?

Das ist Quatsch, weil du dann einen viel hohen Strom verbrauchst als 
deine gewünschten 300µA.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Das ist Quatsch, weil du dann einen viel hohen Strom verbrauchst als
> deine gewünschten 300µA.
Schon mal was von "Reihenschaltung" gehört?
Also die Z-Dioden in die Zuleitung, nicht gegen Masse ;-)

Autor: Tom P (Gast)
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@ Falk:

Danke!

@Stefan_KM:

Ich beziehe mich auf den "quiescent current", also den Strom, den der 
Regler allein verbraucht, also auch dann, wenn keine Last anliegt. Warum 
würden denn deiner Meinung nach die Z-Dioden (auf der Vin-Seite) zu 
einem Mehrverbrauch führen?
Deine Idee mit Transistor und Z-Diode geht sicherlich, allerdings habe 
ich dann wirklich einen zu hohen quiescent current (mal davon abgesehen, 
dass eine Z-Diode in der Zuleitung schlicht einfacher wäre...).

Beste Grüße,
Thomas

Autor: Stefan_KM (Gast)
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Wenn ich das richtig Verstanden habe, willst du deine 60V auf eine für 
den Regler verdrägliche Eingangsspannung (z.B. 30V) runter prügeln. Dass 
heißt also 30V müssen weg. Überlicherweise setzt du dann Z-Dioden für 
30V ein.

Ist das soweit erstmal richtig?

Autor: Tom P (Gast)
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Das ist soweit richtig;

Der Regler verkraftet maximal 30V, was 30V zuviel sind. Daher die Idee, 
eine 30V Z-Diode vor den Regler zu schalten. Darüber fallen dann 30V ab 
(entspricht bei 10mA rund 300mW - nicht schön aber erträglich) und man 
erhält reglerverträgliche 30V. (Natürlich werde ich den LP 2950 nicht an 
der oberen Grenze seiner Belastbarkeit betreiben, keine Sorge - das 
Beispiel hat primär illustrativen Charakter) Die Schaltung hat natürlich 
den Nachteil, dass bei einer Eingangsspannung von 36V und darunter 
zappenduster ist... (was aber nicht übermäßig tragisch sein sollte, 
höchstens ein wenig unelegant...)

Beste Grüße,
Thomas

Autor: Stefan_KM (Gast)
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Und wie kommst du darauf, dass der Strom durch die Z-Diode nur 10mA 
beträgt?
Wenn die voll auf macht, musst du den Strom durch einen Vorwiderstand 
begrenzen.

Autor: Stefan_KM (Gast)
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Ansonsten brechen dir deine 60V zusammen, bis die Z-Diode den Geist 
aufgibt. Dann kommen die 60V wieder und dein Regler ist im Eimer.... ???

Autor: Tom P (Gast)
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Weil der Gesamtstrom, den meine Schaltung dahinter zieht (inklusive 
Linearregler) 10mA beträgt. Und der Strom ist bei einer Reihenschaltung 
nun mal in allen Bauteilen gleich... Das da gegebenenfalls noch ein 
Strombegrenzungswiderstand sinnvoll wäre ließe sich überlegen, mir ging 
es vor Allem ums Prinzip...

Vielen Dank schon mal,
beste Grüße,
Thomas

Autor: Tom P (Gast)
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Wenn du auf den Fehlerfall anspielst; natürlich ist klar, dass wenn die 
Z-Diode durchlegiert, auch der Regler eine unzulässig hohe Spannung 
abbekommt. Da helfen ggf. mehrere Z-Dioden in Reihe (mehr mögliche 
Verlustleistung -> höhere Sicherheitsreserven und wenn eine stirbt sind 
die Auswirkungen nicht so tragisch) und natürlich eine Strombegrenzung.

Nur: Warum sollte das passieren (wenn ich nicht gerade einen Kurzschluss 
in meiner Schaltung hinter der Z-Diode produziere)?

Grüße;
Thomas

Autor: Stefan_KM (Gast)
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Ist der Regler am Eingang nicht hochohmig? Dann würde dir eine Z-Diode 
in Reihe gar nix bringen. Ich dachte an eine Parallelschaltung zum 
Eingang....

Autor: Tom P (Gast)
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Naja, ein Linearregler ist kein OP... Da ja logischerweise derselbe 
Strom rein muss, wie rauskommen soll (+ quiescent current des Reglers) 
kann er so hochohmig nicht sein. Das einzige was der Regler im Grunde 
tut ist, die Spannung auf einen konstanten Wert zu regeln. Das, was "zu 
viel" ist, wird effizient in Wärme umgesetzt...

Eine Parallelschaltung der Z-Diode würde ich im Übrigen auch nicht für 
sinnvoll halten...

Grüße,
Thomas

Autor: H.J.Seifert (Gast)
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und ich würde auch noch mal über einen Schaltregler nachdenken..
http://www.linear.com/pc/productDetail.jsp?navId=H...

Einzelstück oder Serie?

Autor: Tom P (Gast)
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Es wird wohl eine Kleinserie... also leider nichts Halbes und nichts 
Ganzes...

Gerade bei eher kleinen Strömen ist halt ein Schaltregler vom 
Ruhestromverbrauch her grenzwertig...

Davon abgesehen habe ich keine Erfahrung mit Schaltregler und 
Analogteil. Das würde dann noch zusätzlich Aufwand bei den Filtern für 
Eingangs und Ausgangsspannung bedeuten. Vom EMI-optimierten Layout mal 
abgesehen... Klar ist ein Schaltregler eleganter, aber auch mit deutlich 
mehr Arbeit/Kosten verbunden. Den LT 3437 oder die HV-Varianten von LM 
2475 oder LM 2575 hatte ich mir schon angeschaut...

Viele Grüße,
Thomas

Autor: faustian (Gast)
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Naja, als Vorregler koennte man doch klassisch eine Z-Diode mit 
geringerem Strom (braucht ja nicht praezise zu sein) betreiben und einen 
Emitterfolger dahinterschalten. Gegen die Gefahr des Ausfalls der 
Z-Diode koennte man eine weitere (mit leicht anderer Spannung) parallel 
schalten.

Autor: Michael W. (retikulum)
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faustian schrieb:
> Naja, als Vorregler koennte man doch klassisch eine Z-Diode mit
> geringerem Strom (braucht ja nicht praezise zu sein) betreiben und einen
> Emitterfolger dahinterschalten. Gegen die Gefahr des Ausfalls der
> Z-Diode koennte man eine weitere (mit leicht anderer Spannung) parallel
> schalten.

Das Problem ist, dass Halbleiter gerne, wenn sie sich verabschieden, 
sehr niederohmig werden. Dann lieber mehrere Z-Dioden in Reihe schalten, 
wobei, wenn eine kaputt gegangen ist, die anderen dann auch schnell ins 
Gras beißen, da die Last jetzt auf weniger Dioden verteilt wird.

Wenn die Schaltung nur bei 60V arbeiten muss, würde ich 30V Z-Dioden und 
20V an einem Widerstand abfallen lassen. 10V für den Regler reicht 
allemal.
Michael

Autor: Axel Laufenberg (axel_5)
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Nur mal so:

Ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Zenerdioden kaputt gehen, grösser 
als die, dass der Spannungsregler kaputt geht ?

Und wenn eine kaputt geht, wird die Ursache diees Ausfalls vermutlich 
auch die anderen töten.

Ich würde allenfalls einen Widerstand (vielleicht 2k) in die Zuleitung 
machen, eine 30 V Zenerdiode und dann ist es gut.

Gruss
Axel

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Axel Laufenberg (axel_5)

>Ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Zenerdioden kaputt gehen, grösser
>als die, dass der Spannungsregler kaputt geht ?

Wenn eine Z-Diode durchbrennt (=Kurzschluss), dann muss der Relger deren 
Spannung zusätzlich aushalten. Also besser KEINE 30V Z-Diode, sondern 
besser drei 15V Z-Dioden. Brennt eine durch sieht der Regler 30V, was er 
gerade noch so verkraftet. Aber drei Z-Dioden mit je 150mW sollte SEHR 
selten durchbrennen.

>Und wenn eine kaputt geht, wird die Ursache diees Ausfalls vermutlich
>auch die anderen töten.

Nöö, die eher nicht, sondern den Regler wegen Überspannung. Wer auf 
Nummer Super-Sicher gehen will schaltet eine fette 25V Z-Diode parallel 
zum Regler, die lässt dann die SIcherung klingeln wenn wirklich eine der 
Z-Dioden mit Kurzschluss durchbrennen sollte. Das ist aber SEHR 
unwharscheinlich.

>Ich würde allenfalls einen Widerstand (vielleicht 2k) in die Zuleitung
>machen, eine 30 V Zenerdiode und dann ist es gut.

Hmm, 2k*80mA = 160V. Nix mit Peakstrom. Z-Dioden sind hier deutlich 
besser als Widerstände. UNd bei richtiger Dimensionierung halten die 
ewig.

MfG
Falk

Autor: Steffen Warzecha (derwarze)
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Schau Dir doch mal den LM5007 (oder LM5009 der kann sogar 100V) an.
Die sind ähnlich leicht zu beherrschen wie die LM Simple Switcher und 
schön klein. Damit hast Du sehr viel weniger Verluste und Ruhestrom als 
mit einer Linearregler-Zdioden konstruktion.
Es gibr aber auch HV Varianten verschiedener Linearregler wobei es mit 
60V schon eng wird und die nicht so leicht zu bekommen sind.

Autor: A. K. (prx)
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Die 80mA Peak sollte man nicht aus den Augen verlieren. Jedenfalls 
nicht, wenn es mehr als ein paar Millisekunden sind.

Beachten sollte man auch, dass Z-Dioden für ihre Nennspannung einen 
Mindeststrom benötigen. Wenn der Regler sehr sparsam ist, dann kann es 
sein, dass die Z-Spannung erheblich unter dem Nennwert liegt. Leider 
findet man in den Datasheets dazu keine gute Angabe, allenfalls dass 
beispielsweise ein 27V Diode bei 0,5mA mindestens 20V liefert.

Autor: Olaf (Gast)
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Du musst dir keine Gedanken machen ob deine Z-Diode bei hohen Stromen 
oder sonstwas kaputt geht. Jedenfalls nicht wenn du alles richtig 
dimensionierst.

Es gibt aber etwas anderes wo du dir Gedanken machen musst! Schau mal 
ins Datenblatt deiner Z-Diode ob bei deinem Ruhestrom da auch bereits 
30V abfallen. Sonst liegt naemlich im Leerlauf an deinem Regler eine 
Spannung an die deutlich zu hoch ist. Oder aber irgendwas in deinem 
Regler wird bei 60V schon leitend und dann liegen nur noch 30V am Regler 
an.
Das ist der Punkt der mir Sorgen machen wuerde! Es koennte auch sinnvoll 
sein noch einen Widerstand von der Z-Diode nach Masse zu legen um einen 
Arbeitspunkt einzustellen der halt eine maximale Spannung sicherstellt 
mit dem der Regler klarkommt. Allerdings versaut dir das deinen 
Ruhestrom.

Olaf

Autor: gast (Gast)
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Hab das mal testweise simuliert...

Die Energiebilanz ist natürlich Mist: Wirkungsgrad ca. 5,5%

Autor: A. K. (prx)
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Und dafür brauchst du eine Simulation?

Autor: Tom P (Gast)
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Die 80mA Peak braucht die Schaltung nicht dauerhaft, vielmehr sollten 
die Pufferkondensatoren auf der "Niederspannungsseite" das Meiste glatt 
bügeln. Hier gehts vor Allem um Stromspitzen, wenn der µC viele Ports 
gleichzeitig setzt (da hängen npn-Transistoren/FETs daran) oder das 
Funkmodul sendet (Itransmitt = 40mA), das tut es aber nicht lange (ca. 
10-20ms).

Das Problem des Mindeststroms der Z-Dioden ist natürlich eher gegeben, 
allerdings werde ich die Stromversorgung später kaum im richtigen 
Leerlauf betreiben und ein knappes mA wird vermutlich auch im Standby 
zusammen kommen... Allerdings habe ich gerade mal die Datenblätter 
bemüht, wenn ich mir die Datenblätter der ZPY-Serie (hoffnungslos 
überdimensioniert, ich weiß) so anschaue, sollte es bei kleineren 
Z-Spannungen eigentlich besser werden; also vielleicht doch vier 
10V-Dioden spendieren...

Das der Gesamtwirkungsgrad grausig ist, ist klar; betrachtet man aber 
die absoluten Verluste ists nicht mehr so schlimm und dafür eben simpel 
und - richtige Auslegung natürlich vorausgesetzt - auch sicher. Wenn ein 
Schaltregler durchbrennt sieht der nachfolgende Prozessor übrigens auch 
die volle Eingangsspannung, also erscheint mir der Sicherheitsgewinn 
eher marginal...

Aus jeden Fall schon mal vielen Dank an alle für ihre guten Ratschläge 
und Tips und vor Allem an "gast" fürs simulieren!

Viele Grüße
Thomas

Autor: A. K. (prx)
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Tom P schrieb:

> Das Problem des Mindeststroms der Z-Dioden ist natürlich eher gegeben,
> allerdings werde ich die Stromversorgung später kaum im richtigen
> Leerlauf betreiben und ein knappes mA wird vermutlich auch im Standby
> zusammen kommen...

Dann häng aber vorsorglich noch eine Z-Diode zwischen Reglereingang und 
Masse, die auf Vmax des Reglers dimensioniert ist, und nur zum Tragen 
kommt, wenn die Kollegen davor ihrer Arbeit mangels Strom nicht 
ausreichend nachkommen. Sonst fehlt mal aus irgendeinem Grund die 
Mindestlast und Peng.

Es schadet ja nicht, wenn der Regler für seine 5V raus nur 10V rein 
kriegt und der Rest bei den Dioden bleibt.

Autor: Tom P (Gast)
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Das ist eine gute Idee, mit einem Begrenzungswiderstand sollten das 
Ganze dann auch noch gegen Überstrom sicher sein...

Edit: Ich sehe gerade, ich habe mich vertan, der prozentuale Fehler 
nimmt insgesamt zu, wenn man zu niedrigeren Z-Spannungen kommt... 
(allerdings nur bei geringen Z-Spannungen >6,8V, danach erscheint es im 
Diagramm als ziemlich konstant; Wobei man ehrlich sagen muss, dass die 
allermeisten Datenblätter zu Z-Dioden mehr als dürftig sind...)

Viele Grüße,
Thomas

Autor: Steffen Warzecha (derwarze)
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Tom P schrieb:
> Wenn ein
> Schaltregler durchbrennt sieht der nachfolgende Prozessor übrigens auch
> die volle Eingangsspannung, also erscheint mir der Sicherheitsgewinn
> eher marginal...

Hab so was bei mehreren hundert verbauten LM5007 noch nie erlebt.
Wenn da bei Versuchen mal einer das Zeitliche segenete hatte ich am 
Ausgang entweder 0V oder weniger als 5V. Die Dinger sind recht 
zverlässig.

Autor: Tom P (Gast)
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Beim LM5007 kann ich das mangels Erfahrung nicht beurteilen... Der Chip 
sieht schon toll aus, allerdings ist das Ding verglichen mit einem LP 
2950 nebst zwei Z-Dioden (in kleinen Stückzahlen) ziemlich teuer und 
schwer beschaffbar. Außerdem, sollte National ihn abkündigen wäre er 
auch kaum gegen andere Typen austauschbar...

Wie stehts denn mit der Verträglichkeit mit analogen Schaltkreisen 
(bzgl. EMI und der Notwendigkeit zu filtern)? (ein vernünftiges Layout 
mal vorausgesetzt)

Viele Grüße,
Thomas

Autor: Steffen Warzecha (derwarze)
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Der bzw die 50xx Serie ist noch relativ neu und wird sicher nicht so 
schnell abgekündigt. Die über 10 Jahre alte simple Switcher Serie gibts 
ja auch immer noch.

Mit Audioschaltungen oder HF hab ich den noch nicht direkt getestet, als 
MP3-Player Stromversorgung jedenfalls arbeitet der ohne hörbare 
Störungen auch wenn ich das da eingebaute Radio benutze. Für alle Fälle 
kann man ja noch ein Filter dahinterschalten das reicht dann sicher. Die 
stärkeren Peaks hat man aber meist auf der Eingangsseite, doch die sind 
in Griff zu bekommen. Aber bei den geringen Strömen die Du brauchst ist 
das kein grosses Problem.
Ein Controller oder ein Messverstärker war mit dem Teil nicht aus der 
Ruhe zu bringen, auch beim EMV-Test blieb alles im grünen Bereich.

Übrigens gibt es von Recom fertige Schaltregler, auch für hohe 
Eingangsspannungen, die direkt dreibeinige Linearregler ersetzen können. 
Leider etwas teuer die Teile.

Autor: Tom P (Gast)
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Ich werde mir (für die Zukunft) mal ein paar LM5007 samples kommen 
lassen und ein wenig rumprobieren. Aber ich denke, für meinen 
Anwendungsfall sollte es eben auch ein einfacher Linearregler tun.

Die Recon-Module sind wirklich schön, einfach und fast unkaputtbar, aber 
eben leider auch noch mal fast drei mal so teuer wie ein LM 5007... und 
damit ziemlich sicher außerhalb des Budgets...

Die Schaltregler-Lösung behalte ich im Auge, aber warum kompliziert, 
wenn es eben auch einfach geht...?

Viele Grüße und einen schönen Feierabend,
Thomas

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