µC-Spannungsversorgung für Kfz - Schaltungsvorschlag

[Max G. (l0wside)]

Hallo zusammen,

um zur allwöchentlichen Debatte "wie versorge ich meinen 
ATmega/sonstigen uC aus dem Kfz-Bordnetz?" mal etwas Konstruktives 
beizutragen, habe ich eine Referenzschaltung in SMD entworfen. Kriterien 
beim Entwurf waren:
- Spannungsfest gegenüber Kfz-Störungen und einigermaßen konform zur 
ISO16750-2
- SMD einseitig (so muss man nicht bohren)
- Bauteile bei Reichelt verfügbar
- Von Hand ohne Probleme auch für Grobmotoriker lötbar (nicht jeder mag 
TSSOP löten)

Herausgekommen ist die angehängte Schaltung, die bis 27V 
dauerspannungsfest ist und darüber hinaus die gängigen Load-Dump- und 
sonstigen Impulse abkönnen sollte. Der LM2931 kann 5V/100mA liefern, das 
reicht für die meisten µCs. Wer 3,3V braucht, nimmt die 3,3V-Variante 
des Bausteins (ist leider bei Reichelt nicht im Programm).

Der Rest der Schaltung ist reichlich groß dimensioniert und hat mit dem 
Pi-Filter eine großzügige Angstreserve drin. Wer in seinem 
Kfz-Bastelgerät noch weitere Spannungsversorgungen braucht, kann sich an 
C5 bedienen und einen weiteren Spannungsregler dahinterhängen, das kann 
die Schaltung locker ab.

Bauteile:

C1 - 10 nF 0805 Keramik, Schutz gegen kleinere Störungen direkt am Eingang.
D2 - BAR43, Längsdiode als Verpolschutz (leider habe ich mit SOT23 nur ein Schottky-Symbol gefunden, ist aber eine Si-Diode)
D1 - P6SMB27A, Zenerdiode mit 27V zum Schutz gegen Impulse
C2/C4 - 100 nF 0805 Keramik, Bestandteile des Pi-Filter und Eingangs-C des LM2931
C3/C5 - Reichelt VF220/35 K-F, 220 µF, 35V Elkos im Pi-Filter
L1 - Murata LQH3N 10µH
IC1 - LM2931, Festspannungsregler 5V/100mA im SOIC8
C6 - Ausgangselko des LM2931. 
Bei Austausch von C6 gegen einen anderen Typ unbedingt die ESR-Anforderungen aus dem Datenblatt LM2931 beachten!

Das Ganze ist eher eine Fingerübung, ich hab´s bis jetzt nicht 
aufgebaut. Ich bin trotzdem auf Euer Feedback gespannt.

[Max G. (l0wside)]

Anbei noch mal das Layout, war im Original zu klein, sorry.

[PICfan (Gast)]

ein kleiner Verbesserungsvorschlag von mir:

da die Eingangsspannung auch bis +100V spitze hergeben kann, finde ich 
dein BAR43 für D2 ungeeignet.

Mein ersatz Vorschlag:
BAS 19 SMD

der ist pinkompatibel und bis 100V fest, und auch von Reichelt :-) zum 
gleichen preis.

[Micha H. (mlh)]

Max G. schrieb:
[...]

Du hast da zwei Dinge durcheinandergeworfen. Einmal 
Industriekonformität:

> - Spannungsfest gegenüber Kfz-Störungen und einigermaßen konform zur
> ISO16750-2

Dafür genügt die Schaltung nicht, da einerseits die Eingangsdiode nicht 
ausreicht, andererseits nach der Konformitätsprüfung nix mehr geht, weil 
D2 durch bzw D1 durch ist.

Andererseits:
> [...] in seinem Kfz-Bastelgerät [...]

Dafür ist dieser ganze Brimborium völlig unnötig, da nicht mit 
realitätsfremden Monsterpulsen getestet werden muß.

[steffen (Gast)]

ich habe mal Spannungspitzen an verschiedenen Bauteileln getestet. Da 
habe ich einige 100uF auf max 110V aufgeladen und auf ein 13V Netz 
gegeben:

->Zehnerdioden (1,3W) gehen direkt kaputt

-> Suppressordioden( in unserem Falle eine P6KE24C )halten Entladungen 
bis ca. 1.3J aus. Sie verursachen fast keinen Spannungseinbruch nach dem 
Spannungsregler.

-> Varistoren(S14K20) sind sehr robust und halten auch auch größere 
Entladungen aus, jedoch lassen sie höhere Ausgangsspannungen zu und es 
entsteht nach dem Spannungregler ein kleiner Spannungseinbruch.


Zum Vergleich habe ich mal die Schaltung, und je ein Oszibild mit 
verwendung einer Suppressordioder und einem Varistor hochgeladen. 
C_test=220uF und V_test=100V

[Osche R. (Gast)]

Max G. schrieb:

> - Spannungsfest gegenüber Kfz-Störungen und einigermaßen konform zur
> ISO16750-2

ISO 7637 meinst Du.

> Herausgekommen ist die angehängte Schaltung, die bis 27V
> dauerspannungsfest ist und darüber hinaus die gängigen Load-Dump- und
> sonstigen Impulse abkönnen sollte.

Der clamped loaddump wird heutzutage mit dem VDS gefahren. D.h. da 
kommen bis zu 80A raus. Insofern hilft nur eins: Deine Schaltung muss 
35V aushalten und die Diode klemmt bei 36V (P6SMB36A).

Für den Verpolschutz würde ich eine S1J nehmen, die geht nicht hoch 
falls durch die Zenerdiode doch mal Strom fliesst.

Und wenn die Leiterplatte 2mm breiter werden darf, dann könntest Du die 
Masse oben zumachen. Dann klappt's auch mit der Störfestigkeit.


Patrick

[Max G. (l0wside)]

Micha H. schrieb:

> Dafür genügt die Schaltung nicht, da einerseits die Eingangsdiode nicht
> ausreicht, andererseits nach der Konformitätsprüfung nix mehr geht, weil
> D2 durch bzw D1 durch ist.

Kannst Du das mal weiter ausführen? Was genau killt die Dioden?

Die mangelnde Spannungsfestigkeit der BAR43 hatte PICfan schon bemängelt 
und einen Ersatzvorschlag gemacht. Du hast aber im Prinzip recht: die 
Längsdiode ist ein bisschen mager dimensioniert. Daher Variante 2 mit 
einer S1D im DO214AC anbei.

Ich habe die Load-Dump-Energien für die Suppressordiode nicht 
durchgerechnet. Die gängigen Suppressordioden können aber eine Menge ab, 
auch jenseits der Datenblattwerte. Wer bezüglich Impulsfestigkeit immer 
noch Angst hat, kann sich auch einen D2PAK draufnageln, da sieht es bei 
Reichelt nur ein bisschen mau aus.

[Micha H. (mlh)]

Max G. schrieb:
>> D2 durch bzw D1 durch ist.
>
> Kannst Du das mal weiter ausführen? Was genau killt die Dioden?

Beim Überspannungspuls ist der Strom nur durch die Bahnwiderstände 
begrenzt. Da D2 gerade mal für 200mA spezifiziert ist...
Jetzt klar?

[Max G. (l0wside)]

Micha H. schrieb:
> Max G. schrieb:
>>> D2 durch bzw D1 durch ist.
>>
>> Kannst Du das mal weiter ausführen? Was genau killt die Dioden?
>
> Beim Überspannungspuls ist der Strom nur durch die Bahnwiderstände
> begrenzt. Da D2 gerade mal für 200mA spezifiziert ist...
> Jetzt klar?

Ja. Ich gehe nochmal rechnen, wenn ich den Messaufbau aus der ISO16750 
zusammen habe. Wenn ich mich recht erinnere, hat die Impulsquelle auch 
eine gewisse Ausgangsimpedanz.

[Thomas (kosmos)]

wenn D1 leitend wird fließt der Strom von + über D2 und D1 zur Masse und 
die Bauteile bzw. Leiterbahn brenne dir durch.

D2 durch einen Widerstand ersetzen oder einen Widerstand in Reihe 
setzten damit du deinen Verpolschutz nicht opferst. Wenn jetzt D1 
leitend wird fällt am Widerstand die Spannung entsprechend auf den 
Durchbruchwert der Diode ab. Kennt den Widerstand deine Spule L1 nicht 
aber evtl. kannst du diese nach D2 setzen und Sie erfüllt dann beide 
Zwecke, den der Spule und den des Begrenzungswiderstandes. 2 100nF 
Kondensatoren reichen, einmal vor und nach dem Spannungsregler. Dem LC 
Filter würde ich hingegen etwas impulsfestes ale FKP spendieren.

Lustig ist ja das du keinerlei Tests gemachst hast aber deiner Schaltung 
ein bestehen irgendwelcher Prüfnormen bescheinigst. Zumindest mal den 
Überspannungstest hättest machen können.