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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Saubere +-5V, 150mA von USB


Autor: Luky S. (luky)
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Ich habe einen AT91 Controller mit angeschlossenem ADC (14Bit) und OPV 
Vorstufe.
Diese Schaltung benötigt bislang noch eine externe Versorgungsspannung, 
es wäre mir aber recht, wen ich das Board mit dem PC versorgen könnte.
Ich brauche also "analogtaugliche" +-5V mit möglichst geringen 
Verunreinigungen. Welche Bauteile könnt ihr mir hierfür empfehlen?

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Guckst Du beispielsweise bei www.maxim-ic.com, die haben massenweise 
Spannungswandler und -konditionierer.

Autor: Luky S. (luky)
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Wo ich die finde ist mir natürlich klar.
Aber WELCHE sind empfehlenswert?

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Gleiche doch bitte die Angaben in den Datenblättern mit Deinen 
Anforderungen ab.

Autor: Luky S. (luky)
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Du bist aber echt eine große Hilfe...

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Na aber wirklich. Wenn Du weißt was Du brauchst, ist alles andere nur 
ein wenig Recherche. Das schaffst Du doch bestimmt alleine ;-)

Autor: Roland Z. (r-zimmermann)
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Hallo Lukas Slz,

da du auch eine negative Spannungs brauchst, würde ich dir einen 
Schaltregler empfehlen. Je nach "sauberkeit" der Ausgangsspannung noch 
ein LC-Filter an den Ausgang und wenn möglich die Schaltfrequenz 
möglichst hoch wählen. Dass sollte reichen. Für die +5V solltest du 
einen SEPIC-Schaltregler verwenden, der USB-Port kann Spannungstechnisch 
schon mal stark schwanken, besonders wenn noch andere Stromsauger dran 
nuckeln. Ganz "böse" sind z.B. ext. Festplatten die sich nur aus dem USB 
Versorgen, die gehen im Anlaufmoment gerne mal hart ans Limit und ziehen 
die Spannung auf fast 4V runter. :) Du kannst vom USB also keine 5,00V 
erwarten, die Spannung schwankt immer etwas.

Wenn du für die positive Spannung keinen SEPIC-Regler verwenden willst, 
nimm einen normalen Schaltregler als Step-Up und klebe nen Linearregler 
hintendran. Zugegeben der Wirkungsgrad dürfte bes**issen sein aber dafür 
einfach und gut erhältlich. Evtl. wäre der MC34063 als SMD ein Kandidat 
für dich der kann auch als Inverter Arbeiten und dir somit die negative 
Spannung bereitstellen.

Wie sauber und genau sollen die Spannungen denn sein hast du da mal ein 
paar Zahlen?

Roland

Autor: Luky S. (luky)
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Zahlen habe ich leider keine genauen.
Es soll damit halt ein +-2,5V 14Bit ADC versorgt werden, also sollte der 
Ripple <1LSB, also <~30mV sein, wenn ich das richtig verstanden habe.
Welche Regler wären empfehlenswert?
Ich habe leider Probleme, die benötigten hochweritgen Induktivitäten zu 
bekommen.
Die in den Datenblättern vorgeschlagenen finde ich z.B. bei Farnell 
nicht und ich weiss leide rnicht, auf was ich bei der Auswahl achten 
muss.

Autor: Roland Z. (r-zimmermann)
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Hmmm, 30mV Ripple oder kleiner sollte mit dem MC34063 kein Problem sein. 
Die benötigten Spulen bekommst du als SMD-Spule bei Reichelt. Wenns 
schön klein werden soll nimm die PISM-Spulen, die sollten bei dieser 
Leistungsklasse dicke reichen ansonsten die etwas "dickere" Variante 
PISR. Das ganze nebst Schaltregler-IC bekommst du ebenfalls bei 
reichelt. Wenn du den MC34063 als SMD nimmst, beachte daß der in der 
SMD-Variante nur 500mA Peak Schalten kann. Wenn das nicht reicht nimm 
den als DIL, da kann der 1,5A Peak.
Die benötigten Werte kannst du auf der folgenden Seite komfortabel 
berechnen lassen.

http://www.nomad.ee/micros/mc34063a/

Werte eintippen und Calculate anklicken und du erhälst die 
erforderlichen Werte.

Noch ein Tip, dem Spannungsteiler am MC34063 der die Ausgangsspannung 
bestimmt würde ich noch nen Trimmpoti (am besten Spindeltrimmer) 
verpassen dann kannst du die Spannung einmalig auf genau 5V einstellen. 
Der Trimmer hat den Zweck Toleranzen des ICs und der Widerstände des 
Spannungsteilers auszugleichen.
Als Diode solltest du eine Schottkydiode mit kleiner Schaltzeit 
auswählen, eine normale 1N400x versaut dir den Wirkungsgrad und wird 
heiß! Nimm eine 1N5819 die passt. Wähle die Schaltfrequenz des Reglers 
hoch, ich würde auf ca. 90 KHz gehen das reduziert den Ripple und du 
musst weniger filtern. Als Filterspule würde ich eine 47uH gefolgt von 
gestaffelten Elkos und einem Kerko verwenden.

Ich betreibe mit einer solchen Schaltreglerschaltung einen XPORT-AR der 
bei 3,3V bei Vollast fast 500mA Säuft und er rennt ohne Probleme und die 
Dinger sind dafür bekannt daß die bei dem kleinsten muckser auf der 
Speisespannung  abstürzen oder einfach hängenbleiben.

Falls du noch Fragen hast, her damit :)

EDIT: Die Schaltung für den MC34063 findest du im Datenblatt, sowohl 
Step-Up, Step-Down und Inverter.
EDIT2: Achte bei den Ausgangselkos auf einen kleinen ESR, am besten 
Aluelkos verwenden. Ein kleiner ESR ist bei Schaltreglern pflicht sonst 
bekommst du die Spannung nie schön "platt" und die Dinger können je nach 
Last auch ganz schön heiß werden. Du solltest auch die Eingangselkos der 
Schaltreglers mit Low-ESR-Typen besetzen. Achte auch auf den max. 
Ausgangsstrom des USB-Ports, wenn die Elkos leer sind ist der 
Inrush-Current recht groß und kann die Sicherung des Mainboards 
ansprechen lassen. Dann bekommst du eine "Meckermeldung" von Windows :D 
Eventuell den Stoßstrom bei der Ladung der Elkos ebenfalls mit einer 
"Bremsspule" dämpfen :D


Gruß
Roland :)

Autor: Luky S. (luky)
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Danke für die Hilfe!
Nur mal interessenhalber:
Was können die moderneren Alternativen zum MC34063 besser?
Und wie soll ich den Filter dimensionieren?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Lukas Slz (luky)

>Es soll damit halt ein +-2,5V 14Bit ADC versorgt werden, also sollte der

Schon mal anspruchsvoll.

>Ripple <1LSB, also <~30mV sein, wenn ich das richtig verstanden habe.

Grundrechenarten?

2^14 = 16384
5V / 16384 = 300uV

Je nach Schaltung und ADC vertragen die auch mehr Ripple als 1 LSB OHNE 
dass es als Störung auf die messung durchschlägt. Stichwort CMMR, Common 
Mode Reject Ratio.

>Welche Regler wären empfehlenswert?

Viele. Sorry, hab da keine Typen parat.

MfG
Falk

Autor: Roland Z. (r-zimmermann)
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Hallo,

der MC34063 ist schon recht "alt" es gibt besser Schaltregler. Die 
können insbesondere eine viel höhere Schaltfrequenz, teilweise bis in 
den MHz-Bereich hinein. Das hat den Vorteil daß die Spule schön klein 
wird. Jedoch die höhere Schaltfrequenz hat auch den Nachteil daß die 
Umschaltverluste im Schalttransistor oder FET und der Diode größer 
werden. Es gibt auch da "mittel" dagegen doch die machen die 
Schaltregler-ICs dann um einiges teurer, siehe einige Schaltregler von 
Maxim. Die Werte sind traumhaft, aber der Preis recht hoch und du 
bekommst die Teile fast nirgends als Privatperson. Bei moderneren 
Schaltreglern ist die Ausregelung der Spannung teilweise besser und 
schneller, das verhindert bei pulsweiser Belastung wie in uC-Systemen 
einen Spannungseinbruch. Der MC34063 ist da aber meiner Meinung nach 
auch schnell genug wenn er vernünftig beschaltet wird. Ohnehin sollte 
man nicht die Speisespannung des uC-Systems noch nebenher als 
Referenzspannung verwenden. Dem Analogteil eines ADCs wie OP usw sollte 
man eine eigene Spannungsversorgung gönnen, oder wenn das nicht geht den 
Zweig der das Analoggemüse versorgt gut (!) Abblocken damit starke 
Spannungsschwankungen und Störungen da nicht reinschleichen können.

Zum LC-Filter, ich könnte dir hier Seitenweise Formeln hinknallen aber 
ich selbst Dimensioniere solche Filter immer nach meinem 
"Standartrezept" welches ich für ADCs usw nehme. (Es sei denn es ist 
eine absolute "Spezialanwendung" die extrem Empfindlich ist) Nimm eine 
15uH-Spule (auf kleinen Spulenwiderstand achten, evtl auch eine aus der 
PISM-Serie (Diese kleinen Spulen die wie dicke Widerstände aussehen 
gehen zwar auch aber nicht so gut, da der Spulenwiderstand zu hoch ist!) 
oder die L-PIS2408 15µ ebenfalls bei Reichelt. Beachte aber den max. 
Strom den die Verträgt und den Spannungsfall, nimm im Zweifelsfalle 
lieber eine die ein wenig größer ist.
Nach der Spule nehme ich immer Elkos 330uF, 100uF, 10uF, 2* 100nF als 
Keramikkondensator (=Kerko). Der Kerko schluckt die restlichen Spitzen 
den die Elkos noch übriglassen. Die Staffelung der Elkos hat den Zweck 
daß größere Kapazitäten meistens "träger" sind was die Stromaufnahme und 
Abgabe angeht. Nach dem LC-Filter ist die Spannung dann sicherlich total 
"platt". ;)

Grade Aufgefallen: Deine 30mV LSB für einen 14bit-ADC stimmen übrigends 
nicht du solltest schon (überschlagsweise gerechnet) unter 1mV Ripple 
kommen. sollte aber zu schaffen sein.


Roland

Autor: Roland Z. (r-zimmermann)
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Eventuell könntest du auch durch mehrmaliges messen und anschließende 
Mittelwertbildung im uC den Meßwert "beruhigen". Kommt halt drauf an wie 
schnell sich die zu messende Spannung ändert und wieviel Zeit du dafür 
(für die Messungen) hast.

@Falk brunner, mist ich war wieder zu langsam beim Tippen :) Vordrängler 
:D :D wegrenn
In der Schaltung ist wenn ich das richtig sehe auf der Analogseite ein 
OP Verbaut der den ADC füttert. OPs reagieren jedoch je nach Typ auf 
Spannungsschwankungen "spitziger" als ADCs. Es kann sein daß sich Lukas 
dann nicht mit dem ADC aber sehr wohl mit dem OP seine Meßwerte 
"versaut"

@Lukas, was nimmst du als Referenz für den ADC? Betriebsspannung oder 
ext. präzisions-Referenzspannungsquelle, oder hat der ADC schon ne 
genaue Referenz drin? Poste doch mal den Typ was du als ADC verwendest.

Roland

Autor: Luky S. (luky)
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Maxim ICs kann ich problemlos über die Uni erhalten.
Beim Ripple habe ich mich leider verrechnet. 30mA war natürlich viel zu 
groß.

Autor: Roland Z. (r-zimmermann)
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Also von Maxim kannst du folgende Verwenden:
MAX1797  <-- gut aber Sauteuer
MAX710/711 <-- bezahlbar aber die Spule ist etwas kritisch

MCP1252-33X50 <-- sehr günstig aber nur direkt von Microchip (ja die 
machen auch die AVR-Konkurrenz = PIC) zu bekommen, oder von Digikey.

Es gibt natürlich auch noch weitere Typen aber zum alles durchzusuchen 
fehlt mir die Zeit. Außerdem sollst du ja auch noch was zu tun haben :)
Benutze mal die Parametersuche z.B. von Maxim, die spuckt dann 
interessante Sachen raus.

Bevor du dich auf einen Baustein "einschießt" schau genau nach ob die 
anderen benötigten Bauteile wie Spulen, Dioden usw in der geforderten 
Qualität beschaffbar sind. Sonst hast du nen tolles Schaltregler-IC aber 
durch eine z.B. murksige Popelspule sind die guten Regeleigenschaften 
zum Teufel und du hättest gleich nen billigeren Schaltregler verwenden 
können... :D

Roland

Autor: Luky S. (luky)
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ich habe einen AD7485 ADC und einen OPA2846 in Verwendung.

Autor: Christian R. (supachris)
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Also für eine ordentliche Analogschaltung sollte man tunlichst hinter 
den (die) Schaltregler noch einen kleinen LDO setzen, um das Rauschen 
raus zu bekommen. Bei 14 Bit ADC auf jeden Fall.

Autor: Schoasch (Gast)
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Hi

Ich bau auch gerade so etwas ähnliches. Schau dir dir doch mal die 
DC-DC-Converter von Traco an. Da gibts welche mit 5V Eingang und +/- 12V 
oder so am Ausgang. Danach einen LDO und du solltest brauchbare 
ERgebnisse erzielen.

Beachte dabei aber nur folgendes. Der Traco darf nur eine gewisse 
Kapazität am Ausgang haben, ansonst kommt er nicht zurecht. Und fallst 
du dann mal ein paar messungen machs, stell die Strombegrenzung etwas 
grosszügiger ein. Das Teil zieht beim Einschalten kurzzeitig recht viel 
Strom(~800mA), und wenn er den nicht bekommt, fliesst der immer weiter. 
Aber keine sorge... die USB Schnittstelle ist so mies, dass sie das 
nicht mal bemerkt ;-)

Und ja... wie schon oben erwähnt, beachte auch noch den CMRR des ADCs... 
und vorallem, schau das du ein ordentliches Layout hin bekommst... sonst 
bringt dir die ganze schöne Versorgungspannung nichts, wenn du dir 
jeglich anderen mist über deine leitungen rein holst.

mfg SChoasch

Autor: Stefan Salewski (Gast)
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Autor: Falk Brunner (falk)
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@ Lukas Slz (luky)

>Beim Ripple habe ich mich leider verrechnet. 30mA war natürlich viel zu
>groß.

Jetzt ist es sogar die völlig falsche Einheit. :-(

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