Strombegrenzung ohne Überhitzung

Nur durch ein Schaltreglerprinzip, also bei zu hohem Strom ABSCHALTEN 
und den Strom durch eine in Reihe mit der Versorgung befindlichen Spule 
weiterfliessen lassen (abklingend) und bei ausreichend niedrigem Strom 
wieder einschalten.

Die Grösse (Induktivitä) der Spule hängt von der Geschwindigkeit ab, mit 
der du umschalten kannst, beispielsweise einem LM339 und deinem MOSFET. 
Der 2N6804 ist aber ein ziemlich krankes Teil, und der Differenz 
zwischen viel Strom und wenig Strom, beispielsweise 10%, also 6.8mA, 
rechne mit so 100kHz.

So lange man bei einer linearen Schaltung bleibt, muss die Wärme 
irgendwo freigesetzt werden. Möglich wäre z.B. ein Vorwiderstand, der 
einen Teil der Wärme aufnimmt, oder auch ein anderer Regler, der auch im 
Kurzschlussfall nur gut 50 mA liefert. Viele moderne Regler scheiden 
wegen der gut 24 V aber aus.

Ein andere Möglichkeit wäre ggf. ein Schaltregler IC, das auch gleich 
den Strom begrenzt und so auch im normalen Betrieb die Verluste 
reduziert. Der alte MC34063 könnte das zum Beispiel.

Danke für die schnellen Antworten!

@falk
> Dafür braucht man aber nicht ZWEI Mosfets, einer reicht.
Interessant, aber WIE? Habs noch nicht herausgefunden...

> Warum? Ein TO220 Gehäuse kann das noch ohne zusätzlichen Kühlkörper abführen.
Weil ich aus Platzgründen einen IRF7316 im SOIC-8 verwenden möchte.

@MaWin
> Der 2N6804 ist aber ein ziemlich krankes Teil
Schon klar, das ist auch ein TINA-Standard Modell... Da kommt was 
anderes hin.

@Ulrich
> So lange man bei einer linearen Schaltung bleibt, muss die Wärme irgendwo 
freigesetzt werden.
Ist klar, war mir vielleicht aber zuwenig bewusst...

> Viele moderne Regler scheiden wegen der gut 24 V aber aus.
Leider brauche ich aber diese 24 V an einem anderen Ort in der 
Schaltung... Einige Lösung wäre, die Versorgungsspannung kleiner zu 
machen und dafür zusätzlich etwas mit Step-Up zu bauen...

> Der alte MC34063 könnte das zum Beispiel.
Danke, ich schau mir den mal an :)

wenn's eine robberknight-Lösung werden soll, wäre der LT3050EMSE-5 
interessant. Der macht 5V, Strombegrenzung auf 55mA ±5%, 
Verpolungsschutz bis -50V und Übertemperaturschutz auf einem Chip.

Wie lange und bei welcher Umgebungstemperatur soll die Strombegrenzung 
überhaupt arbeiten? Kurzzeitig wäre ja kein Problem und im Fehlerfall 
verlässt man sich eiskalt darauf, dass der Spannungsregler das schon 
regeln wird...

Falk Brunner schrieb:
> Siehst du das nicht? Beide Mosfets sind in Reihe geschaltet. Nur dem 2.
> Wird per PNP das Gate hochgezogen, wenn der Strom einen Wert X
> überschreitet.

der vordere FET ist aber als niederohmiger Verpolschutz geschaltet (als0 
mit der Source als Ausgang). Bei richtiger Polarität der Versorgung ist 
er immer leitend, zur Not über die Substratdiode. Nur der zweite FET in 
Sourceschaltung lässt sich übers Gate abschalten.

zebra schrieb:
> Nun zur Frage: Wie kann ich (mit zusätzlichen Komponenten) den
> Spannungsabfall über V_DS klein halten, wenn die Schaltung in der
> Begrenzung läuft?

Wenn die zusätzlichen Komponenten die Leistung verheizen müssen, werden 
sie auch Platz brauchen. Auch ein Schaltregler wird kaum kleiner werden 
können, als FET, der das 1W dauerhaft aushält.

PS: grade fällts mir auf: du mutest deinen FETs ein UGS von 24V zu, der 
IRF7316 ist aber (wie die meisten) nur für maximal 20V vorgesehen. Das 
solltest du über einer Zenerdiode begrenzen.

24V * 60mA = 1,44 Watt

Die kannst Du unterschiedlich auf ein oder mehr Bauteile verteilen. Aber 
es werden nie weniger als 1,44 Watt sein. Es sei denn, du setzt einen 
Schaltregler ein.

Da die Differenz von 24V zu 5V recht viel ist, würde ich sowieso einen 
Schaltregler bevorzugen - falls nichts dagegen spricht.

Du könntest z.B. einen LM2575 nehmen und absichtlich eine Spule mit zu 
viel Induktivität erwenden, dann begrenzt die Spule den Strom. Der 
maximale Strom hängt dann allerdings von der Eingangsspannung ab. 
Solange die allerdings konstant ist, ist auch der maximale Strom 
konstant. Ich denke, das ist der simpelste Lösungsansatz. Im Datenblatt 
findest Du genaue Angaben zur Berechnung der Spule.

Falk Brunner schrieb:
> Welchen man bei 24V Eingangsspannung und 5V Ausgang am Spannungsregler
> keine Sekunde benötigt. Eine einfache Diode reicht hier locker.

ich weiß nicht, ob zebra die 24V für den "anderen Teil der Schaltung" 
vor oder hinter dem Verpolschutz abgreift:

zebra schrieb:
> Leider brauche ich aber diese 24 V an einem anderen Ort in der
> Schaltung...

Wenn der Verpolschutz nur für die 50mA dieses Schaltungsteils verwendet 
wird, würde ich auch eine simple Diode einsetzen. Den niederohmigen 
Verpolschutz und die Strombegrenzung mit einem einzelnen FET gibts aber 
aus meiner Sicht nicht (zumindest nicht ohne Zusatzaufwand).

Stefan us schrieb:
> 24V * 60mA = 1,44 Watt

Stimmt schon, hier wird immer einiges verheizt - im Normalbetrieb vor 
allem im LM317, im Begrenzungsfall im FET. Hier kann man sich langsam 
überlegen, einen kleinen Schaltregler einzusetzen. Wenn ich ein Modul 
finden würde, das selbst schon den Strom passend begrenzt, würde ich das 
wahrscheinlich einsetzen. Vielen von diesen Modülchen sieht man aber 
nicht wirklich alle Eigenschaften im voraus/in Datenblatt an (Ripple, 
Verhalten bei Minimalbelastung oder bei schnellen Lastwechseln, ...)

Ansonsten würde ich bei Pmax < 2W wahrscheinlich halt doch lineare ICs 
im passenden Leistungsbereich (z.B. DPAK-Gehäuse) nehmen, und die 
Leistung verbraten lassen. Ist immer noch kompakt und nichts wird extrem 
heiß.

Besten Dank für die vielen Inputs und Tipps!

@gnd3
> wenn's eine robberknight-Lösung werden soll, wäre der LT3050EMSE-5
interessant. Der macht 5V, Strombegrenzung auf 55mA ±5%,
Verpolungsschutz bis -50V und Übertemperaturschutz auf einem Chip.
Interessantes Teil :) Gerade die integrierte Strommessung für einen ADC 
ist noch eine interessante Sache. Leider nicht sehr gut erhältlich...

> Umgebungstemperatur
max. 50°C (das ist aber wirklich der absolute worst-case)

@Achim S.
> grade fällts mir auf: du mutest deinen FETs ein UGS von 24V zu, der
IRF7316 ist aber (wie die meisten) nur für maximal 20V vorgesehen. Das
solltest du über einer Zenerdiode begrenzen.
Autsch, stimmt. Danke für den Hinweis, wieder was gelernt :)

> Wenn der Verpolschutz nur für die 50mA dieses Schaltungsteils verwendet
wird, würde ich auch eine simple Diode einsetzen.
Nein, den Verpolschutz verwende ich für die gesamte Schaltung, also auch 
für den Teil "24V-Teil" (ca. 1.5 A).

Habe im Datenblatt vom IRF7316 gesehen, dass eine maximale 
Verlustleistung von 1.3 W @ 70°C möglich ist. Mit T_j = T_amb + P_v * 
62.5°C/W ist bei T_amb 50°C immer noch eine Verlustleistung von 1.6 W 
möglich, oder rechne ich da etwas falsch? (solche "grossen" Leistungen 
und "kleine" SMD-Komponenten, das geht mir irgendwie gegen den 
Strich...). Wenns doch stimmt, könnte man das ja so akzeptieren, weil 
das ein Ausnahmefall ist.

Klar wäre eine getaktete Lösung viel eleganter, zumal es ja viele 
moderne integrierte Lösungen gibt. 50mA ist aber halt so ein Grenzfall, 
wo ich mir überlege ob es der Aufwand für so ein Bastelprojekt Wert ist 
(gerade auch, weil die Zeit für den Entwurf knapp ist).

Nochmals besten Dank!

zebra schrieb:
> Nein, den Verpolschutz verwende ich für die gesamte Schaltung, also auch
> für den Teil "24V-Teil" (ca. 1.5 A).

dann solltest du aber das Gate des Verpolschutzes nicht gemeinsam mit 
dem Gate des Strombegrenzers ansteuern. Sonst hast du im Begrenzungsfall 
gut 1W vom Strombegrenzer und noch mal zusätzlich 1,5A*1V an der 
Substratdiode des Verpolschutzes (weil beim Verpolschutz-FET ja 
ebenfalls UGS sinkt). Beide beide FETs stecken ja im gleichen SO8, in 
Summe wird das wohl etwas zu viel für das Gehäuse.

Aber wenn der Verpolschutz nicht mitheizt sollten die 1,xW vom Begrenzer 
alleine für den IRF7316 ok sein. Wenn du den Drain-Anschluss auf der 
Platine großflächig auslegen kannst, dürfte das auch bei der Wärmeabuhr 
helfen.

Hi,
warum überhaupt einen extra Begrenzer? Die Strombegrenzung mit einem NPN 
aufbauen, in die Masseleitung legen und den ADJ-Pin des LM317 nach Masse 
ziehen.
Eventuell ein Serienwiderstand davor um Leistung vom LM317 zu nehmen.

Grüße

Krangel schrieb:
> warum überhaupt einen extra Begrenzer? Die Strombegrenzung mit einem NPN
> aufbauen, in die Masseleitung legen und den ADJ-Pin des LM317 nach Masse
> ziehen.

dann ist die Last nicht mehr an Masse (was evtl. relevant sein kann) und 
die Spannung an der Last variiert schon vor Einsetzen der 
Strombegrenzung zwischen 5V und 4,3V, oder?

Hi,
Achim S. schrieb:
> dann ist die Last nicht mehr an Masse (was evtl. relevant sein kann) und
> die Spannung an der Last variiert schon vor Einsetzen der
> Strombegrenzung zwischen 5V und 4,3V, oder?

Nö, der Ausgangsspannung ist es egal ob man High-Side oder Low-Side 
misst.
Wenn man eine druchgehende Masse benötigt, kann man den NPN belassen, 
einen Spannungsteiler an den Kollektor und mit einem NPN den ADJ-Pin 
nach Masse ziehen.

Grüße

Krangel schrieb:
> Wenn man eine druchgehende Masse benötigt, kann man den NPN belassen,
> einen Spannungsteiler an den Kollektor und mit einem NPN den ADJ-Pin
> nach Masse ziehen.

kann ich ohne Schaltskizze ehrlich gesagt nicht grade nicht verstehen. 
Meinst du, "...den PNP belassen..."?

Hi,
Achim S. schrieb:
> kann ich ohne Schaltskizze ehrlich gesagt nicht grade nicht verstehen.
> Meinst du, "...den PNP belassen..."?
 jop.

Grüße

würde ich evtl. so machen

Achim S. schrieb:
> dann ist die Last nicht mehr an Masse (was evtl. relevant sein kann) und
> die Spannung an der Last variiert schon vor Einsetzen der
> Strombegrenzung zwischen 5V und 4,3V, oder?

Durchgehende Masse wird benötigt und die Spannung sollte stabil bei 5V 
sein...

Achim S. schrieb:
> kann ich ohne Schaltskizze ehrlich gesagt nicht grade nicht verstehen.

Geht mir auch so..

tom69 schrieb:
> würde ich evtl. so machen

Die Schaltung kenn ich... aber wenn ich's richtig verstehe kann man das 
mit Krangel's Lösung mit nur einem LM317 realisieren.

Danke!