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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik no drop Spannungsbegrenzer


Autor: Peter (Gast)
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Hallo zusammen,

ich bin gerade am Grübeln und Suchen nach einem Spannungbegrenzer ohne 
dropout.
Hintergrund:
Ein Akku mit 5,x - 7,x Volt je nach Ladezustand soll mir eine Elektronik 
versorgen, die bei mehr als 6,3V Versorgungsspannung erfahrungsgemäß 
kaputt geht, aber erst bei 6V ihre maximale Leistung erziehlt.

Ich brauche also eine Schaltung, die mir die Ausgangsspannung so lange 
wie möglich auf 6V hält. Ob das dann letztendlich 5,9V oder 6,0V sind 
ist nicht soo wichtig, allerdings muss das 6V-Limit sein.
Problematisch ist vor allem, dass In Spitze 5 bis 6A gezogen werden 
können und das sogar für einige sekunden lang, da sollte nix schlapp 
machen!

Ursprünglich dachte ich jetzt, ein Schaltregler könnte das doch 
bewerkstelligen, allerdings ist das dann doch schon sehr aufwändig mit 
Spule und co.
Mir fällt nur nicht wirklich was besseres ein.
Hab ihr Ideen?

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Peter schrieb:
> Ursprünglich dachte ich jetzt, ein Schaltregler könnte das doch
> bewerkstelligen, allerdings ist das dann doch schon sehr aufwändig mit
> Spule und co.
Und insbesondere hat auch ein (einfacher Buck-)Schaltregler eine 
Drop-Spannung...

> ... eine Elektronik ... die bei mehr als 6,3V Versorgungsspannung
> ... kaputt geht, aber erst bei 6V ihre maximale Leistung erziehlt.
Nur mal so gefragt:
was ist das für eine Elektronik mit quasi Nulltoleranz?

Autor: avion23 (Gast)
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servo?

Autor: DerAlbi (Gast)
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Schaltregler.
Einen Stepdown mit Mosfet als Switch. Wenn dann die Spannung sinkt geht 
der einfach auf 100% dutycycle und dann fällt deine Spannung auch nicht 
sehr stark darüber ab. Bei dem Strom wirds dann aber schon spannend mit 
hochintegrierten Lösungen.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Ein Einzelstück oder eine Serie?

Für ein Einzelstück würde ich mir ein Muster eines MAX4924 kommen
lassen.  Für eine Serie müsste man sich natürlich Gedanken um dessen
Verfügbarkeit machen.

Autor: Entwickler (Gast)
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Mit einem PMOS-Fet, einem OPV, einer ZD (oder auch LED) als Referenz 
sowie ein paar Widerständen kann man sich einen Regler hinreichender 
Güte mit minimalem Spannungsabfall zusammenstricken.

Baut man sich noch eine Ladungspumpe, dann kann man auch einen NMOS-Fet 
verwenden, der billiger ist und geringen RDSon bietet.

Autor: MaWin (Gast)
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LD1580P2-T
http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/8974.htm
allerdings schwer beschaffbar.

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Jörg Wunsch schrieb:
> MAX4924

Das ist aber kein Regler, sondern ein Überspannungsschutz der hart 
abschaltet bei Überspannung.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Alexander Schmidt schrieb:
> Jörg Wunsch schrieb:
>> MAX4924
>
> Das ist aber kein Regler, sondern ein Überspannungsschutz der hart
> abschaltet bei Überspannung.

Stimmt, das habe ich übersehen.  Schade, die Schaltschwelle hat so
schön gepasst. ;-)

Autor: Peter (Gast)
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Die elektronik mit  "quasi nulltoleranz" ist leider ein (in meinem Fall 
zwei) Multiplex Rhino Servo, der schaft nur bei 6V die erwünschte 
Leistung. wird die Spannung kleiner wird er langsamer und schwächer.

Zur Stückzahl: vermute mal ich werde so 3, 4Stück davon aufbauen müssen.
Und das ganze sollte möglichst simpel sein, wonst lohnt der aufwand 
nicht. für 10€ kann man bereits "lipospannungsregler" 6V bis 6A 
auftreiben...
also für alle 4 unter 40€ abzgl. dem arbeitsaufwand, zzgl. Erfahrung.

@Entwichler: PMOS + OPAMP + kleinkram... klingt auf jeden fall nach 
lienarbetrieb. Hmm naja eigentlich. Wenn der Strom steigt, bricht die 
Batteriespannung ein. Verlustleistung wird sich also nicht allzuviel 
ergeben.
N-MOS in der GND-line sollte es aber auch tun.
2W sollten eigentlich alle größeren Bauformen (z.B. TO220) abführen 
können.
Aber welcher FET steuert schon bei weniger als 5V Gatespannung, der 
OPAMP kann ja auch nicht bis ganz an die Rail, durch?

Die Idee klingt eigentlich recht perfekt.
Denke gerade an einen TL071 (liegt noch hier rum) mit N-FET direkt am 
Ausgang. Der N-FET klemmt dann in der GND-Leitung und der OPAMP 
vergleicht Ausgangsspannung mit Z-Diode...
Hat jemand günstige Vorschläge für den FET? würde mir sehr helfen!

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Peter schrieb:
> Aber welcher FET steuert schon bei weniger als 5V Gatespannung, der
> OPAMP kann ja auch nicht bis ganz an die Rail, durch?

Es gibt Logic-Level Mosfets die schon mit 5V auskommen.
Mosfet-Übersicht

Und es gibt OPVs die fast bis an die Betriebsspannung kommen.
Sogenannte Rail-2-Rail OPVs.
Standardbauelemente: Operationsverstärker

Autor: Entwickler (Gast)
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>Die Idee klingt eigentlich recht perfekt.

Die Idee ist perfekt!

OPV kann ein TLC271/272 sein. NMOS-Fet IRLZ34 mit typ 35mOhm für 
0,42Euro bei ex. Angelika. Gibt auch bessere, einfach ein bißchen 
suchen, oder zwei Stück nehmen.

Autor: Entwickler (Gast)
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Gerade gefunden: IRFZ 48, 14mOhm 60 Cent. Der sollte es sein.

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Entwickler schrieb:
> OPV kann ein TLC271/272

Der kommt nur 1V an die Versorgung ran. Besser: TS912

Autor: Peter (Gast)
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So also ich hab jetz mal versuchshalber aus dem TS912 und einem IRLZ34N 
obige schaltung zusammengebruzelt. Die Diode ist eine 3V Z-Diode, die 
Widerstände haben alle 1k. Der Kondensator hat 470µF.
Nichteingezeichnet ist ein 100 Ohm Mindest-Last-Widerstand.

Akku links dran, Verbraucher (Fernsteuerungsempänger und Servos) rechts 
dran.

Bei 5V Eingangspannung kommen 5V hinten raus.
Bei 12V links kommen 6V rechts raus. Wie geplant.
Leider stellt mich der Spannungsrippel nicht ganz zufrieden. Am Akku hab 
ich unter Maximallast einen Rippel von ca. 400mV, "nach" der Schaltung 
sinds rund 800mV. bei 5,8V Akkuspannung.
Schade, aber es funktioniert alles. Und da ich ohne die obige Schaltung 
(also wie vorgesehen den Akku an die Fernsteuerung und Servos) einen 
Maximalrippel von ca. 2V hatte bin ich zufreiden und lass das so denke 
ich.
Ausser jemand von euch hat Verbesserungsvorschläge.

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Schau mal ob der Operationsverstärker schwingt.

Autor: Peter (Gast)
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Nö der ist ruhig. Das Ripple kommt ja auch von den Servos. Wenn die 
nicht belasten ist ruhe im Kasten.

Autor: Entwickler (Gast)
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Welche Form und Frequenz hat der Ripple?
Ist die Spannung an der ZD3 ruhig, oder rippelt es da auch?
Wie ändert sich die Ausgangsspannung, wenn man mit 5A Laststrom die 
Eingangsspannung von 6,5V auf 8,5V erhöht?

Die Spannungsregelung hat nur eine begrenzte Bandbreite. Der TS912 ist 
etwas lahm, der IRLZ34 hat eine gewisse Eingangskapazität (ca. 1nF). 
Somit geht bei Lastwechseln der RDSon (ca. 0,04 Ohm @ Vgs = 5V) des FET 
in die Ausgangsspannung mit ein, bis der OPV nachgeregelt hat.

Jede Spannungsänderung über ZD3 geht mit rund Faktor 2 in die 
Ausgangsspannung mit ein. Hinzu kommt, dass die Spannung über ZD3 mit 
sinkender Eingangsspannung ebenfalls sinkt. Die Spannungsschwankungen 
addieren sich.

Und wenn Dir alles viel zu rippelig ist, spendier der Schaltung noch 
einen Ausgangselko.

Autor: Peter (Gast)
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Der Rippel hat ne recht wilde Form. Besteht aus der überlagerung zweier 
Lasten.
Einmal von einem Digitalservo. Dank dessen hoher Frequenz glättet der 
Ausgangselko ganz gut und es entsteht eine sägezahn ähnliche Spannung 
mit Uss ca. 100mV.
Die Zweite Last ist ein Analogservo und erzeugt daher eine viel 
niedriegere PWM-ähnliche Rippel niedrigerer Frequenz (ca. 500Hz) mit Uss 
ca. 700mV.

Jeweils mit meiner Schaltung zwischen Servos und Akku gemessen.

An der Z-Diode messe ich eigentlich kaum Rippel. 12mV sagt mein Oszi.

Naja und da ich kein regelbares Netzteil besitze sind mir leider die 
Hände gebunden in Sachen flexible Spannungsänderung unter Last.

Autor: Entwickler (Gast)
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Wie sieht der Ausgang vom TS912 aus? Geht dieser bei der Ausregelung 
vielleicht an seine Aussteuergrenze?

Du schreibst von 800mV bei Uakku 5,8V; ggf. kann da garnichts mehr 
ausgeregelt werden.

Autor: Entwickler (Gast)
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Ich fasse noch einmal die vorhandenen Informationen zusammen und ergänze 
sie durch Mutmaßungen.

Spannungsquelle ist ein Akku, welche unter Last auf 5,8V einbricht.
Der Regler begrenzt auf 6V und ist bei 5,8V voll durchgesteuert und 
regelt folglich nicht mehr.
Der Laststrom beträgt 5-6A und ist mit 500Hz gepulst, wobei ich 50% 
Tastverhältnis annehme.

Wenn der Laststrom, sagen wir, im Mittel 5A beträgt, wird er bei 50% 
Tastverhältnis zwischen 0A und 10A wechseln.
Den Innenwiderstand des Akkus nehme ich mit 20mOhm an; den 
Innenwiderstand des voll leitenden FETs mit 40mOhm.
Am Ausgang des Reglers stellt sich die Spannungsquelle mit 60mOhm dar 
(Akku+FET), die mit 10A Impulsen belastet wird. 10A an 60mOhm ergibt 
600mV Spannungsabfall.
Beim Schaltungsaufbau kommen noch Leitungswiderstände hinzu, die den 
Spannungsabfall weiter erhöhen.

Meine Annahmen werden nicht vollständig zutreffen, zeigen aber, dass 
unter diesen Umständen der gemessene Ripple mit 800mVss durchaus im zu 
erwartenden Rahmen liegt.

Verkleinern könnte man den Ripple, indem für Akku und FET bessere Typen 
verwendet werden. Per Elko zu glätten erfordert große Kapazitäten >10mF 
mit niedrigem ESR. Ein besserer FET wird zunächst den höchsten 
Nutzen/Kosten bringen.

So, jetzt ist Sonntag und sie scheint auch :-)

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