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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Netzteil 5V 1A - Ist die Schaltung funktionstüchtig?


Autor: Daniel G. (gdan)
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Hallo Leute,
erstmal ein riesiges Lob für dieses Forum. Es hat mir schon häufig 
weitergeholfen :).
Ich hoffe ihr könnt mir auch bei diesem Problem helfen.
Im Anhang ist eine Schaltung, die ich mir überlegt habe und bei der ich 
mir nicht ganz sicher bin, ob sie funktioniert bzw. sicher ist.
Zur Schaltung selbst: es soll ein Netzteil mit 5V Ausgangsspannung, 
einer Strombegrenzung (Q1...3, MOSFET + bipolare) einstellbar auf 1A 
(RV1) sowie Overload-Anzeige (D7) und einer Einschaltverzögerung (R1C5) 
sein.
Meine Unsicherheit besteht zum einen darin, ob die Strombegrenzung 
wirklich funktioniert, wie gedacht, und keine Störung (am LM7805) 
verursacht. Zum anderem ob die Einschaltverzögerung richtig 
dimensioniert ist (wg. der D6), damit am Gate des n-MOSFET zirka nach 
einer Sekunde nach Einschalten ungefähr 1V anliegt (solange beim 
Einschalten nicht gleich die Strombegrenzung greift).
Der Kondensator C5 soll nach dem Trennen der Schaltung vom Netz, schnell 
genug entladen werden, damit bei erneutem Einschalten wieder eine 
Einschaltverzögerung erzielt wird. Es kann aber sein, dass der 
Kondensator nicht völlig entladen wird. Hat da jemand einen Tipp? 
Vielleicht die PWR-LED vor den MOSFET und nicht im Strompfad danach 
einsetzen?
Ich wäre dankbar, wenn jemand die Schaltung unter die Lupe nehmen und 
nach Fehlern und Verbesserungsmöglichkeiten Ausschau halten könnte. 
Vielen Dank!

MfG


Daniel

Autor: Stefan (Gast)
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Mach Dir mal keine Sorgen um den ganzen Schnick-Schnack...
... solange D1-D4 noch falsch rum drin sind!

Autor: Daniel G. (gdan)
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Allerdings... Danke!

Autor: Stefan (Gast)
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Ohne mir jetzt die Funktionen im Detail angeschaut zu haben, aber was 
genau sollen D5 und D9 bewirken?
Und wie soll sich C5 schnell entladen können, wenn Du ihm (im 
Entladefall) eine Diode in Sperrrichtung vor die Nase setzt?

Autor: Michael U. (amiga)
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Hallo,

ohne die Anwendung zu kennen wird es wohl schwierig, genaues zu sagen...

Vielleicht als Anmerkungen:
Welche Spannung soll da rauskommen? Bei 0,5A sind es maximal 4,5V durch 
den Spannungsabfall an R3, zusätzlich noch etwas am BUZ.
Wann soll D7 leuchten? Bei stärkerer Überlast oder Kurzschluß wird sie 
micht mehr leuchten, weil die Ausgangsspannung unter die nötige Spannung 
absinkt (Spannungsabfall an R3 + BUZ).
Bei ca. 1,5A geht der 7805 ohnehin in seine Strombegrenzung.

Die Kombi aus den beiden BC548 wird vermutlich auch Eigenleben 
entwickeln, der Transistor mit der geringfügig geringeren Ube wird den 
Strom übernehmen und der andere entsprechend weniger leiten -> getrennte 
Basiswiderstände!

Gruß aus Berlin
Michael

Autor: Daniel G. (gdan)
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Also D5 und D9 sollen so eine Art Freilaufdioden bzw. Schutzdioden 
darstellen. Wie C5 sich entladen soll ohne, dass gleich die 
Dimensionierung nicht mehr stimmt ist mir bislang noch keine richtige 
Lösung eingefallen mit der ich nicht weiter Bauteile brauche...

Autor: Daniel G. (gdan)
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Wobei mir gerade eingefallen ist, dass ich doch noch einen weitern 
Transistor einsetzen könnte, der nachdem der MOSFET durchschaltet den 
Kondensator kurzschließt...
@Stefan: D5 + D9 könnten evtl. Überspannungen in entgegengesetzter 
Richtung abfangen (Induktivitäten). Hoffe ich jedenfalls.

Autor: A. K. (prx)
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Viel wird rechts vom MOSFET nicht rauskommen. So 1-2V etwa. Vgs(th)=3V. 
Mit N-FET geht das nicht.

Und mit Q3 wird das so auch nix.

Autor: Daniel G. (gdan)
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D7 soll bei Überlast leuchten. Das Netzteil hat eigtl keinen genau 
definierten Anforderungsbereich. Es soll breadboards mit µC-Experimenten 
mit 5V versorgen oder auch mal auf Last arbeiten.
Wenn der LM7805 erst bei 1,5A  begrenzt, sollte eigtl. bereits die 
nachgeschaltete Strombegrenzung greifen.
Die LED D7 sollte ich dann wohl mit ihrer Anode direkt nach dem LM7805 
anschließen. Aber im Falle eines Kurzschlusses wird mir das nicht viel 
bringen. Bei 1A Überlast müsste doch der LM7805 je nach dem immer noch 
so um die 5V liefern. Aber da hat Michael U. Recht. Die Dioden werden 
nicht sehr hell bis gar nicht mehr (Kurzschluss) leuchten.
Vllt wäre es sogar geschickter erst den Strom zu begrenzen, um danach 
die Spannung zu stabilisieren.

Danke für die Hinweise! Wie ihr vllt bemerkt habt, bin ich noch ein 
ziemlicher Anfänger. Werde demnächst eure Verbesserung in einer weiteren 
PDF hochladen.

Autor: A. K. (prx)
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Daniel G. schrieb:

> Wenn der LM7805 erst bei 1,5A  begrenzt, sollte eigtl. bereits die
> nachgeschaltete Strombegrenzung greifen.

Schau dich mal beim L200 um, der hat die wählbare Strombegrenzung schon 
drin. Ist zwar nicht so leicht mit Poti zu machen, aber 2-3 Stufen 
schaltbar sollte für den Zweck auch reichen.

Autor: Daniel G. (gdan)
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@ A.K.: Wegen dem 75K? Da hab ich auch noch so meine Zweifel. Ich hab 
noch in meiner Grabbelkiste einen 2N5192 bzw. 2N5195...
Den L200 schau ich mir bei Gelegenheit an. Danke! Den kannte ich nicht. 
Ist natürlich ein Vorteil.

Autor: A. K. (prx)
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Daniel G. schrieb:

> @ A.K.: Wegen dem 75K?

Nein, sondern weil die Gatespannung dieses N-MOSFET ungefähr 3-4V über 
der Sourcespannung liegen wird. Und das zudem arg stromabhängig. 
Grundlagen MOSFETs.

Mit NPN geht das besser, sind dann nur ca. 0,7V Abzug, plus Spannung 
über dem Strommesswiderstand. Aber auch der ist (deshalb) rechts des 
Reglers Unfug.

Autor: Daniel G. (gdan)
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Wenn ich bei einem NPN im Emitter einen Widerstand R_L einsetze, dann 
fällt an dem auch Spannung ab, um deren Betrag V_BE sinkt. Natürlich 
abhängig vom Strom. D.h. ich muss dann diesen NPN über I_b steuern...
Bis du dir sicher, dass bei dem MOSFET bei 1A max. Stromstärke bereits 
so viel Spannung abfällt?

Autor: A. K. (prx)
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Von nix kommt auch beim MOSFET nix. Bipolar wirst du 0,7V los. Aber 
woher kommt die Vorstellung, dass ein MOSFET gratis arbeitet? Was dem 
Bipolaren sein Ube ist dem MOSFET sein Ugs. Nur ist das weit grösser als 
Ube, so um die 3-4V eben.

Der Emitterwiderstand reduziert Ube nicht, das bleibt um die 0,7V. Aber 
er reduziert die Ausgangsspannung auf 5V - Ube - Url. Oder beim MOSFET 
5V - Ugs - Url.

Autor: A. K. (prx)
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Nochmal: Guck nach wie ein MOSFET arbeitet, insbesondere was das Gate 
angeht. Thema Gatespannung, das ist die zwischen Gate und Source, nicht 
die zwischen Gate und Masse. Sonst wird das nix.

Autor: Daniel G. (gdan)
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threshold... kurz um, der MOSFET war keine gute Wahl. Es sei denn ich 
hätte einen Typen, bei dem das Substrat als Pin nach außen geführt wird. 
Ist das richtig?

Autor: A. K. (prx)
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Das Substrat bringt dich auch kein bischen weiter. Das "s" in Ugs steht 
für Source, nicht für Substrat.

Nö, wenn du sowas zaubern willst, dann nimm einem P-FET, oder einen 
N-FET im Massezweig. Aber wie auch immer du das machst, der 
Spannungsabfall über dem Strommesswiderstand bleibt.

Autor: Daniel G. (gdan)
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Ich werde wohl doch einen PNP einsetzen. Den wollte ich mir zwar 
aufheben für eine weitere Endstufe, aber ich muss eh noch etwas 
bestellen. Tja, mit Vgs(th) stand ich ziemlich lange auf der Leitung... 
der Wink mit dem Zaunpfahl hat aber geholfen :). Ich dachte, die wäre 
erheblich kleiner als Ube.
Schönen Feierabend und danke für eure Hilfe!

Autor: Hartmut Kraus (Gast)
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A. K. schrieb:

> Nö, wenn du sowas zaubern willst, dann nimm einem P-FET, oder einen
> N-FET im Massezweig. Aber wie auch immer du das machst, der
> Spannungsabfall über dem Strommesswiderstand bleibt.

Hm, hm. Aber wenn wir einmal beim "Zaubern" sind: Das müsste doch auch 
so hinzubiegen sein, dass der Messwiderstand mit im Regelkreis liegt 
(oder vor dem Regler), also der Regler wie gehabt exakt die 
Ausgangsspannung regelt? (Nur so 'ne Idee von mir - macht man ja zur 
Stromerhöhung schon - ein Leistungstransistor parallel zum Regler.)

Autor: A. K. (prx)
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Strommessung im Regelkreis macht man gerne, nur eben nicht beim 7805. 
Sondern beispielsweise beim schon erwähnten L200, oder wenn der Regler 
diskret aufgebaut wird.

In deinem Fall wär's wohl einfacher, du begrenzt den Strom vor dem 
Regler.

Du kannst es dir natürlich auch noch einfacher machen und nebeneinander 
sowohl einen 7805 als auch einen 78L05 einbauen, mit getrennten 
Ausgängen. Kostet fast nix und der 78L05 begrenzt den Strom auf einen 
eher harmlosen Wert.

Autor: Hartmut Kraus (Gast)
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A. K. schrieb:

> Schau dich mal beim L200 um, der hat die wählbare Strombegrenzung schon
> drin. Ist zwar nicht so leicht mit Poti zu machen, aber 2-3 Stufen
> schaltbar sollte für den Zweck auch reichen.

Bitte mal hier weiter:

Beitrag "Netzteil mit L200"

Autor: Daniel G. (gdan)
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Ich habe nochmal ein bisschen rumgebastelt. Das ist dabei rausgekommen. 
Die Werte für die Bauteile werde ich nachliefern.
Den Differnzverstärker hätte ich auch als OPV ausführen können, aber ich 
habe momentan keinen mehr da. Daher versuche ich es mal mit dem was ich 
da habe. Der L200 ist wirklich ein verlockende Alternative, aber ich 
will vorerst sehen, wie weit ich mit dem, was ich bisher weis, komme.
Den MOSFET habe ich durch einen PNP (2N5195) ersetzt. Spannung und 
Strombegrenzung sollten nun einstellbar sein.

Autor: A. K. (prx)
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Wo hast du die denn ausgegraben? Ohne Typen und Dimensionierung ist 
sowas ziemlich schlecht zu bewerten.

D9 gefällt mir besonders gut. D8 ist zwar etwas subtiler, aber auch ganz 
interessant, weil sie die Strombegrenzung aushebelt.

Autor: Daniel G. (gdan)
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Hab ich selber zusammengereimt. Denke mal nicht, dass die Schaltung so 
wunderbar funktioniert. Werde wohl bald doch deinen Vorschlag mit dem 
L200 realisieren. Um die Werte zu berechnen bin ich jetzt zu müde. 
Außerdem habe ich übermorgen Abiturprüfung.

Autor: Daniel G. (gdan)
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ja D8 war eine unüberlegte letzte Handlung. Asche auf mein Haupt...
ich komm wohl doch nicht um einen weiteren Transistor rum. Den könnte 
ich mir aus der Konstantstromquelle holen, wenn ich dafür eine diode 
einsetze.

Autor: Daniel G. (gdan)
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Ähm ja, wickelt schon mal Alufolie um die Backkartoffeln. 220V direkt an 
die Schaltung. Kann man irgendwo die hochgeladenen Dateien löschen?

Autor: Daniel P. (daniel86)
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jetzt mal ne ehrliche Frage? Übertreibst du es für den simplen 
Verwendungszweck nicht etwas?
Nehme nen Trafo, dahinter einen Brückengleichrichter danach die 
Strombegrenzug mit einem Transistor und zum Schluß nen 
Festspannungsregler. Mehr nicht, jagut wenn du noch ne Anzeige für 
Betrieb und so haben willst bau sie da mit rein

Daniel

Autor: Daniel G. (gdan)
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hm schon... diese MSP430 laufen mit 3,3V und da ich eh schon dabei bin, 
habe ich mir gedacht, dass ich vllt. so eine Art 0815 Labornetzteil 
zurecht bastel. Langsam tendiere ich zu diesem L200...
@A.K. Hast du zufällig deinen Schaltplan für das Netzteil mit dem L200? 
Hat sich in dem anderen Thread so angehört, als hättest du schon was 
passendes gebaut. Die Schaltungen aus dem Datenblatt sehen für mich zu 
schön aus, um wahr zu sein mit so wenig zusätzlichen Bauteilen...

Autor: Daniel P. (daniel86)
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Autor: Daniel G. (gdan)
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Diesmal mit Werten.

Klar wäre es einfacher sich ein fertiges Netzteil zu holen, aber mit den 
billigen Dingern habe ich schon so meine Überraschungen erlebt, von 
wegen bei 100mA nur 0.3V Abweichung usw. Nebenbei habe ich noch einen 
riesigen Nachholbedarf...

Autor: A. K. (prx)
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Wenn das um D10 herum eine Einschaltverzögerung sein soll, dann denk 
einmal mehr an die Spannung über der Diode.

Hast du die Stabilität berechnet oder ist C3 aus dem Bauch 
dimensioniert?

R2,R3 erscheinen mir etwas gross.

Den ganzen 4-Transistor-Komplex mit dem Differenzverstärker kannst du 
auf Q4 reduzieren, wenn du die Referenzspannung direkt an dessen Emitter 
hängst und dafür sorgst, dass das die von Q4 bewirkte Stromänderung 
dieser Dioden klein gegenüber dem Betriebsstrom ist.

Egal wie du das machst, ob in deiner Version oder der eben skizzierten: 
Ohne leidlich konstanten Strom durch die Dioden wird die 
Referenzspannung brummen.

D11 als Schottky-Diode erspart dir D9. Kannst die mit D12 tauschen, denn 
da brauchst du keine solche (wenn überhaupt eine).

Autor: Daniel G. (gdan)
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Wow! Danke...
C3 hab ich aus dem Bauch heraus "dimensioniert" :D genauso wie C2
Da muss ich noch Hand anlegen. Das mit dem Reduzieren auf Q4 klingt gut. 
Es gibt doch diese Stromspiegelschaltung. Gibt das "Dreck"-Effekte, wenn 
ich versuche die Dioden darüber zu speisen und als Referenz für den 
Stromspiegel die Konstantstromquelle Q1+Q3 benutze?
D9 lasse ich drin, weil dann wird Q5 "vorgespannt", wenn ich nicht mal 
wieder totalen Mist erzähle... mit Dioden hab ich's nicht so. Aber rein 
vom Gefühl her, hätte ich dann eine empfindlichere Strombegrenzung.
R2 und R3 setz ich runter.

Wirklich... Danke, dass du dich so intensiv mit der Sache 
auseinandersetzt!

Autor: A. K. (prx)
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Ach ja, eine Kleinigkeit fällt mir grad auf: Q4 wird egal in welcher 
Variante nie Q6 abdrehen. Emitter von Q6 muss hinreichend hoch liegen, 
sonst wird das nix.

Ansonsten:

Du kannst es so kompliziert machen wie du willst, aber eine einfache 
Stromquelle für die Referenz, die mindestens 10x so viel Strom liefert 
wie der Regeltransistor darin einspeist, dürfte ausreichen.

Wobei dafür auch ein D-C-R Glied ausreicht. Und wenn R6-Q4 dann an 
diesem C hängt statt an C1, dann ist die Brummeinkopplung über den 
Kollektorstrom und die entsprechende Basisspannungsmodulation von Q4 
auch vom Tisch.

Autor: Daniel G. (gdan)
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Die Idee mit dem D-C-R Glied ist elegant. Brauche ein wenig Zeit, damit 
ich das umsetzen kann.

Mit dem Stromspiegel wird das nichts. Ich schau nochmal bei der 
Bootstrapschaltung rein. Vllt kann ich damit was drehen.

Autor: Daniel G. (gdan)
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So hat etwas länger gedauert. Prüfungen sind vorbei...
Leider habe ich das mit dem D-C-R Glied nicht hingekriegt. Ich habe aber 
etwas neues probiert und denke, dass es diesmal klappen müsste. Die 
Ausgangsspannung kann zwischen 0V (?) bis ca. 5V eingestellt, werden. 
Die Strombegrenzung sollte auch schon bei wenigen mA einsetzen.

Zum Aufbau:
Q1, Q2-3 und Q6 bilden Konstantstromquellen. Q1 versorgt den 
Regeltransistor Q9 mit Basisstrom. Q5 sollte wegen des geringeren 
Basisstroms von ca. 1mA der Basis von Q9 relativ wenig Strom entziehen. 
Q2-3 versorgen Q4, der zusammen mit R7 und R8 eine Art Zenerdiode 
darstellt. Liegen an R7 und R8, also an Kollektor und Emitter von Q4, 
5.6V an, dann fallen an R8 0.6V ab. Steigt die Spannung an, fällt auch 
eine höhere Spannung an R8 ab. V_CE von Q4 sollte sinken, sodass sich 
eine konstante Spannung zwischen Kollektor und Emitter einstellt. Damit 
die Referenzspannung V_Ref, die Q4 bereitstellen soll, nicht brummt wird 
Q4 durch Q2-3 mit einem konstanten Strom gespeißt. Q6 liefert für I_B 
von Q5 den Strom und versorgt den Emitter von Q7. Q7 ist ein 
Emitterfolger, der V_CE,Q10 folgt. Die Spannung zwischen Emitter und 
positiver Versorgungsspannung berechnet sich aus:
 wobei V_RE die Spannung ist, die an der Konstantstromquelle Q6 und D9 
abfällt. An der Basis von Q5 liegt demnach die Spannung V - V_RE an. 
Damit gilt für V_CE,Q5:
Steigt die Ausgangsspannung des Netzteils an, sinken V_RE und V_CE,Q5 
und V_CE,Q1 steigt. Damit sinkt die Spannung an der Basis von Q9, 
weswegen V_CE,Q9 steigt, die Spannung an der Basis von Q10 sinkt, somit 
V_CE,Q10 steigt und die Ausgangsspannung wieder sinkt :D. Daher denke 
ich, dass die Schaltung mit kleineren Nachbesserungen funktionieren 
sollte. Was mir auch noch großes Kopfzerbrechen bereitet, ist D12. Sie 
soll verhindern, dass der Regelkreis träge reagiert. Müsste ich die 
Einschaltverzögerung um C3 herum anders lösen?
Die Frequenzkompensation C2 habe ich diesmal nicht aus dem Bauch heraus 
gewählt. C4 soll zusätzlich die Schwingungneigung der Schaltung 
minimieren.
Für Q3 hätte ich wohl besser einen PNP genommen, aber dann komme ich mit 
den Bauteilen, die ich da habe, recht gut hin.

So das wär's von meiner Seite. Jetzt bräuchte ich wieder eure Hilfe, um 
zu prüfen, ob's klappt oder ob ich irgendwo wieder einen Fehler 
eingebaut habe...

Autor: Daniel G. (gdan)
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Für die Einschaltverzögerung hab ich was passendes gefunden.

Autor: Schwups... (Gast)
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Willst du das Rad neu erfinden?
Nimm doch eine der zig Schaltungen die im Web stehen und gut ist.
Eine Netzteil diskret aufzubauen ist doch sowas von out.

Autor: Daniel G. (gdan)
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So so, ist also out... dann ist das halt retro ;)
@A.K.: Ich hab das mit deinem D-C-R-Vorschlag jetzt hingekriegt, den 
Emitter höhergelegt und alles mal simuliert. Die Simulationssoftware 
hätte ich vorher haben sollen.
Danke nochmal an alle!

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