Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Längs- oder Querregler 40V 250W als Überspannungsschutz für Tiefstellsetzer


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von D.T.Schneiderlein (Gast)


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Hallo,

ich plane zum Überspannungsschutz für einen DC-DC Converter einen 
einfachen Längsregler aufzubauen. Der Converter wird aus einem 
Gleichstromgenerator gespeißt. Das funktioniert soweit ganz gut. Um vor 
Spannungen über 40V zu schützen (ohne Last kann die Spannung bei 
entsprechneder Drehzahl bis über 100V betragen) möchte ich entweder 
einen Längsregler entsprechend der abgebildeten Schaltung aufbauen. 
Macht das Sinn und verträgt der Transistor die hohe Spannung? Oder ist 
ein Querregler hier sinnvoller. Muß der Transistor durch einen 
Darlington-Typ ersetzt werden oder geht das auch so?

von GB (Gast)


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D.T.Schneiderlein schrieb:
> ohne Last kann die Spannung bei
> entsprechneder Drehzahl bis über 100V betragen

D.T.Schneiderlein schrieb:
> verträgt der Transistor die hohe Spannung?

Antwort:
2N3055: 15 A, 60 V NPN Bipolar Power Transistor

von Falk B. (falk)


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@ D.T.Schneiderlein (Gast)

>ich plane zum Überspannungsschutz für einen DC-DC Converter einen
>einfachen Längsregler aufzubauen.

Ein exotischer Plan. Was nütz dir dann der DC-DC, wenn der Längsregler 
viel Verlustleistung erzeugt?

>Der Converter wird aus einem
>Gleichstromgenerator gespeißt. Das funktioniert soweit ganz gut. Um vor
>Spannungen über 40V zu schützen (ohne Last kann die Spannung bei
>entsprechneder Drehzahl bis über 100V betragen) möchte ich entweder
>einen Längsregler entsprechend der abgebildeten Schaltung aufbauen.

Klingt nach Fahraddynamo. Ein Längsregler ist nicht sinnvoll, weil der 
auch bei Volllast Leistung verbrät.

>Macht das Sinn und verträgt der Transistor die hohe Spannung? Oder ist
>ein Querregler hier sinnvoller.

sowas in der Art, eine einfalche Leistungs-Z-Diode aus Z-Diode + NPN 
könnte reichen.

von Helmut L. (helmi1)


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Und warum legst du den DC-DC Wandler nicht direkt so aus das er die 100V 
verkraften kann?

von Achim H. (anymouse)


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Hier fehlen mir noch ein paar Angaben:

* Über welche Stromstärke reden wir? 10mA ist bei einem Längsregler 
etwas qualitativ anderes als 20A.

* Unter welcher Belastung fängt den die Spannung des Genertor an, die 
40V zu überschreiten (wegen "ohne Last kann die Spannung bei 
entsprechender Drehzahl bis über 100V betragen")? Wenn das wenig genug 
ist, könnte evtl. auch ein Querregler diese Mindestbelastung leisten.

* Was soll passieren, wenn der Generator mehr als die 40V ausgibt? 
Reicht es, einfach den Stromkreis zu unterbrechen, oder soll der 
DC-DC-Wandler mit 40V weiterlaufen?

* Was für einen DC-Regler hast Du? Selbstgebaut oder kommerziell oder 
Mischung?

* Wie effizient muss denn die Schaltung sein, wenn Du nur wenig Leistung 
vom DC-DC-Wandler abrufst?

von D.T.Schneiderlein (Gast)


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Zunächst vielen Dank für die vielen Antworten.
Als DC-DC Wandler möchte ich Model von Tobsun verwenden. Grobe Daten: 
Eingangsspannung 15-40V Ausgangsspannung 13,8V. 20A.
Ich habe den Wandler im Moment über eine Thyristor-Crowbar-Schaltung 
abgesichert. Der Generator wird also ab 39V einfach kurzgeschlossen und 
somit ausgebremst. Ich möchte das aber eben in Zukunft eher so lösen, 
dass der Transistor die kurzfristig zu hohe Spannung verbrät und 
parallel ein Piepser angeht damit man weiß dass der Generator zu schnell 
dreht. Ein Arduino gesteuertes Relais (Arduino verwende ich sowieso zur 
Leistungsmessung) soll die Eingangsspannung ab 16V durchschalten und 
unter 15V wieder abschalten. Außerdem soll das Relais bei Überlast 
abschalten. Die zu hohen Spannungen möchte ich aus Sicherheitsgründen 
dennoch mit mit einer extra Schaltung abfangen. (Der Arduino braucht zu 
lange zum starten)
Der Generator kann unter Umständen schon mal kurz 400W Leistung bringen.

Das wären bei 40V 10A. Also versuch ich's mal mit der Power Z-Diode und 
nem entsprechenden Transistor

Ich habe bereits viele Pläne bzgl. eines Wandlers bis 100V geschmiedet 
aber mit rudimentären Elektronikkentnissen ist das nicht einfach. In der 
Simulation funktioniert der Wandler, ich bis aber bisher nicht dazu 
gekommen ihn ausfzubauen. Außerdem müsste ich ja dennoch gegen zu hohe 
Spannungen absichern. Hast Du Lust Dir meine Schaltung mal anzusehen?

Am Ende lässt sich sagen, dass ich vor allem deshalb bei einer Mischung 
aus Step-down-Wandler und Power-Z-Diode gelandet bin weil das eine 
günstige und relativ einfach zu realisierende Lösung ist. Oder täusche 
ich mich?

von Helmut L. (helmi1)


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D.T.Schneiderlein schrieb:
> aber mit rudimentären Elektronikkentnissen ist das nicht einfach.

Die rudimentären Elektronikkentnisse gehen aber soweit das du dir 
ausrechnen kannst das

D.T.Schneiderlein schrieb:
> Das wären bei 40V 10A. Also versuch ich's mal mit der Power Z-Diode und
> nem entsprechenden Transistor

das rund 400W sind die du da verbraten willst.

von D.T.Schneiderlein (Gast)


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Wie gesagt es geht um einen Überspannungsschutz der immer nur kurz aktiv 
ist. 400W ist der "worst case". Der Piepser geht an und der Generator 
wird entlastet.
Das der Generator mit Muskelkraft angetrieben wird mache ich mir auch 
keine allzu großen Sorgen. 400W elektrische Leistung sind hier etwa 800W 
mechanische Leistung. Das hält keiner lange durch :-).

von D.T.Schneiderlein (Gast)


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Ich habe heute mal einen Testlauf gemacht. Die Schaltung funktioniert 
wie gewünscht. Ich habe mich sehr gefreut.

Mein Transistor hat eine max Verlustleistung von 250W. Wie ihr mir 
profezeit habt habe ich den ersten Transistor gleich mal abgeschossen, 
dabei war er noch nicht mal so warm, dass ich mir die Finger verbrannt 
habe.

Fällt euch noch eine Lösung ein wie die entstehende Wärme besser 
verheizt werden kann? Kann ich z.B. ohne weiteres mehrere 
Leistungstransisoren parallel schalten oder die überschüssige Leistung 
an einen Leistungswiderstand, Glühbirne oder so abgeben?

von Falk B. (falk)


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@ D.T.Schneiderlein (Gast)

>Ich habe heute mal einen Testlauf gemacht. Die Schaltung funktioniert
>wie gewünscht. Ich habe mich sehr gefreut.

Hä?

>Mein Transistor hat eine max Verlustleistung von 250W.

Im der Theorie unter idealen Bedingungen. Real braucht man dazu einen 
Kühlkörper, der einen ausreichend geringen Wärmewiderstand haben 
muss. Real schafft man bestenfalls die Häfte dieses Wertes.

>>profezeit habt habe ich den ersten Transistor gleich mal abgeschossen,

Und das läuft bei dir unter "funktioniert wie gewünscht"?

von Helmut L. (helmi1)


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Falk Brunner schrieb:
> Und das läuft bei dir unter "funktioniert wie gewünscht"?

Wenn man eine Kanone baut ist der Abschuss das gewuenschte Ziel :=)

D.T.Schneiderlein schrieb:
> Fällt euch noch eine Lösung ein wie die entstehende Wärme besser
> verheizt werden kann?

Ja, einen gescheiten Schaltregler konstruieren der das abkann.

von D.T.Schneiderlein (Gast)


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Hm. Schade. Ich hatte gehofft mit dieser Idee eine günstige Lösung 
gefunden zu haben. Ein industriell gefertigter Spannungswandler, der 
zigtauschenfach verkauft wird ist natürlich immer die günstigere 
Möglichkeit.

Ein ausreichend dimensionierter Schaltregler wäre natürlich die weitaus 
elegantere Lösung. Ich habe mich da bisher noch nicht ran gewagt. Bevor 
ich nicht einigermaßen sicher bin, dass das funktionieren wird ist mir 
das zu teuer und zu zeitaufwendig. Könnt Ihr Euch die Schaltung 
vielleicht mal anschauen? Die entsprechenden Dateien habe ich 
angehängt.(.asc = LTSpice Modell). Mit R4 lässt sich die 
Ausgangsspannung einstellen.

Das ganze habe ich hier auch schon einmal gepostet: 
http://www.elektronik-kompendium.de/forum/board_entry.php?id=196333&page=0&order=time&category=all
Also bitte nicht schimpfen wegen Doppelposting.

Da der LTC3707 nur in SMD-Bauweise zu haben ist möchte ich die ganze 
Schaltung in SMD aufbauen (wenn schon denn schon). Das soll eine evt. 
später geplante maschinelle Herstellung erleichtern. Ich selbst habe 
allerdings noch nie SMD gelötet. Ich muss also (nachdem der Schaltplan 
nochmal geprüft wurde) das Layout mit Eagle entwickeln (das wird ob der 
großen Ströme ganz schön schwierig). Die Platine muss ich dann fertigen 
lassen. Dann muss entweder entsprechendes Werkzeug anschaffen um 
versuchen das Ding selbst zu löten oder jmd. finden der mir das gegen 
Bezahlung macht (bei Interesse bitte melden).

By the way noch was anderes:
Ich habe am Ausgang der Schaltung eine Schottky-Diode eingebaut, weil es 
mit dem Wandler AUCH möglich sein soll Blei- oder LiFePo4 Akkus zu 
laden. Dazu muss der Wandler ja gegen Rückstrom gesichert sein. Kann ich 
mir diese Diode sparen wenn ich am Ausgang ein DC-DC SSR einbaue das nur 
dann durchschaltet wenn die Spannung hoch genug ist (bei Bleiakku als 
min. 13,8V bei LiFePo komplizierter) das der Akku auf jeden Fall Strom 
zieht oder geht der Wandler in den wenigen ms bis das SSR schaltet 
kaputt?

Was ich auch noch nicht klären konnte: Was passiert wenn am 
Spannungseingang des Wandlers Vin bereits eine kleine Spannung anliegt, 
die aber noch nicht ausreicht um das IC an Vcc mit Spannungs zu 
versorgen?

von Helmut L. (helmi1)


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D.T.Schneiderlein schrieb:
> Da der LTC3707 nur in SMD-Bauweise zu haben ist möchte ich die ganze
> Schaltung in SMD aufbauen (wenn schon denn schon). Das soll eine evt.
> später geplante maschinelle Herstellung erleichtern. Ich selbst habe
> allerdings noch nie SMD gelötet.

Dann wird es Zeit damit zu beginnen. DIL ist schon seit langem Out.

D.T.Schneiderlein schrieb:
> Dann muss entweder entsprechendes Werkzeug anschaffen um
> versuchen das Ding selbst zu löten

Ein spitzer Loetkolben sollte eigentlich reichen.

D.T.Schneiderlein schrieb:
> Was passiert wenn am
> Spannungseingang des Wandlers Vin bereits eine kleine Spannung anliegt,
> die aber noch nicht ausreicht um das IC an Vcc mit Spannungs zu
> versorgen?

Die meisten Schaltregler sperren bei Unterschreiten einer bestimmten 
Versorgungsspanung.

D.T.Schneiderlein schrieb:
> Ein ausreichend dimensionierter Schaltregler wäre natürlich die weitaus
> elegantere Lösung.

Das ist loeblich.

> Ich habe mich da bisher noch nicht ran gewagt. Bevor
> ich nicht einigermaßen sicher bin, dass das funktionieren wird ist mir
> das zu teuer und zu zeitaufwendig.

Ein bisschen Lehrgeld wirst du schon zahlen muessen.


Allerdings wuerde ich bei den Spannungen und Stroemen schon zu einem 
Flusswandler mit Trafo tendieren. Das hast du einen Freiheitsgrad mehr 
(Trafouebersetzung). Bei deiner Schaltung hast du 2 Parameter die du bei 
den Transistoren beachten must.
1. Die muessen teilweise hohe Spitzenstroeme schalten
2. und hohe Spannungen.

Das ist etwas unpraktisch weil MOSFets die hoehe Spannungen koennen in 
der Regler nicht so niederige RDSon Widerstaende haben.

Bei einer Trafoloesung hast du das Problem nicht so sehr dank der 
Uebersetzung.

von D.T.Schneiderlein (Gast)


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Ich habe mich in den letzten Tagen mal nochmal zum Thema 
Spannungswandler belesen. (Lesenswert ist insbesondere "Das neue 
InterNetzteil- und Konverter-Handbuch von Dipl.-Ing Jörg Rehrmann 
http://www.joretronik.de";. Außerdem kann man unter 
schmidt-walter.eit.h-da.de Spulen für verschiedene Wandlertypen 
berechnen und sich sogar automatisch den Hersteller für das 
entsprechende Bauteil suchen lassen.

Wenn ich das richtig verstehe wäre ein Flusswandler ein isolierter 
Wandler-Typ, was mir die Sorgen um den Rückstrom beim Laden von Akkus 
ersparen würde. Allerdings ist der Wirkungsgrad nicht gerade 
berauschend.
Am einfachsten ist dabei einen selbstschwingenden Wandler aufzubauen, 
wobei ich trotz der Recherchen noch viel zu wenig Wissen habe um sowas 
zu realisieren. Mit fehlen da einfach die Grundkenntnisse. Ich kann 
bestenfalls was aus dem Netz zusammenglauben und entsprechend anpassen 
so wie ich es mit der obigen Schaltung getan habe. Z.B. ist mir 
überhaupt nicht klar wieso ein selbstschwingender Wandler überhaupt 
schwingen sollte und wie man die Ausgangsspannung steuert...

Der Transistortyp den ich bei meinem Schaltregler verwende hat übrigens 
folgende Daten:
Vds=120V
Rds(on),max= 7.7mOhm
Id=98A
Im Datenblatt des Spannungswandlers wir außerdem ein möglichst kleine 
Eingangskapazität gefordert. Dieser Mosfet hat hat eine max. 
Ciss=5700pF.

Ich denke mit diesen Werten kann man leben, oder?

Den Aufbau mit dem IC stelle ich mir trotz allem am einfachsten vor. Das 
ganze Trafo und Spulen Magnet-Zeug ist mir noch wesentlich suspekter als 
das Halbleiterzeugs :-)

von Helmut L. (helmi1)


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D.T.Schneiderlein schrieb:
> Allerdings ist der Wirkungsgrad nicht gerade
> berauschend.

Sprach einer der vor hatte einen Linearregler einzusetzen ....

D.T.Schneiderlein schrieb:
> Am einfachsten ist dabei einen selbstschwingenden Wandler aufzubauen,
> wobei ich trotz der Recherchen noch viel zu wenig Wissen habe um sowas

Nimm ein Schaltregler IC als Steuerbaustein. Die ueblichen Verdaechtige 
wie TI,Linear etc. haben da einiges im Angebot.

D.T.Schneiderlein schrieb:
> Das
> ganze Trafo und Spulen Magnet-Zeug ist mir noch wesentlich suspekter als
> das Halbleiterzeugs :-)

Gehoert aber dazu.

von D.T.Schneiderlein (Gast)


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Helmut Lenzen schrieb:
> D.T.Schneiderlein schrieb:
>> Allerdings ist der Wirkungsgrad nicht gerade
>> berauschend.

> Sprach einer der vor hatte einen Linearregler einzusetzen ....

So kann man das ja nicht sagen. Ich wollte einen fertigen DC-DC-Wandler 
gegen dauerhafte Überspannung schützen. Vielleicht muss ich auch noch 
ein bisschen weiter ausholen um mein ursrüngliches Vorhaben zu erklären. 
Ich hatte wohl nicht erwähnt, dass der Generator, der den Wandler 
speist, mittels Fahrrad angetrieben wird. Wenn am Ausgang eine Last 
angeschlossen ist funktioniert das einwandfrei. Es kann aber vorkommen, 
dass nichts angeschlossen ist und jemand gibt Vollgas. Das führt dazu, 
dass der Wandler hinüber ist. Ein Shunt-Regler löst dieses Problem doch 
eigentlich ganz gut. Ich habs mit 2 Transistoren versucht. Die habe ich 
nicht kaputt bekommen ;-). Ich habe gestern mal noch so einen riesen 
Mosfet mit Schraubanschluss bestellt. Ich möchte diese Idee schon 
parallel weiter verfolgen weil der Einsatz eines fertigen Wandlers in 
jedem Fall günstiger kommt.


> Nimm ein Schaltregler IC als Steuerbaustein.
Kannst Du mit ein Beispiel geben?

Ich habe gestern mal ein Layout für den Schaltregler angefangen. Wenn 
ich fertig bin poste ich das Mal.

von Udo S. (urschmitt)


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D.T.Schneiderlein schrieb:
> Vielleicht muss ich auch noch
> ein bisschen weiter ausholen um mein ursrüngliches Vorhaben zu erklären.
> Ich hatte wohl nicht erwähnt, dass der Generator, der den Wandler
> speist, mittels Fahrrad angetrieben wird. Wenn am Ausgang eine Last
> angeschlossen ist funktioniert das einwandfrei. Es kann aber vorkommen,
> dass nichts angeschlossen ist und jemand gibt Vollgas. Das führt dazu,
> dass der Wandler hinüber ist.

Wie immer die wichtige Info kommt erst Tage später.

Du sagst das passiert nur wenn nichts an dem Wandler angeschlossen ist.
Dann sorge dafür daß etwas angeschlossen ist.
Du kannst jetzt entweder deinen dicken Parralelregler fest vor dem 
Wandler anschließen oder deinen Verbraucher nach dem Wandler fest 
anschliessen.

von D.T.Schneiderlein (Gast)


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Es sollen verschiedene Lasten angeschlossen werden. Deshalb ja die Idee 
mit dem Shuntregler. Ich habe die Schaltung mal mit Mosfet ins LTSpice 
eingegeben. Das scheint sogar ohne Vorstufe zu funktionieren. Was meint 
ihr?

von Tim B. (tim_b84)


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So, ausprobiert. Mit einem Mosfet der 400W (P stirb) aushält. Allerdings 
gelingt es mit viel Kraft trotzem den Mosfet zu zerstören. Also nicht 
idiotensicher genug. Ich suche noch nach einem bezahlbaren Hochleistungs 
Mosfet-Modul. Allerdings wird diese Lösung wahrscheinlich doch zu 
kostspielig.

Da ich wie gesagt sowieso einen Arduino mit ins Spiel bringen möchte der 
Spannung und Strom misst prüfe ich parallel die Möglichkeit über ein 
DC-DC SSR einen Bremswiederstand zu schalten. Das Problem dabei ist 
allerdings dass der Arduino etwas Zeit zum starten benötigt. Wenn der 
Generator eine zu hohe Spannung liefert bevor der Arduino bereit ist das 
Relais zu schalten habe ich ein Problem. Ich werds mal ausprobierenn.

von Tim B. (tim_b84)


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Heute nochmal ein Test. Mit einem IXFN56N90P - Tot-Leistung bis 1000W. 
Außerdem habe ich statt einer Z-Diode ein TL431 verwendet. Das ganze 
funktioniert jetzt sehr gut. Der Transistor ist mit dem Generator und 
Muskelkraft nicht tot zu kriegen :-). Damit ist dieses Projekt wohl 
abgeschlossen und meine Elektronik-Kentnisse sind um 100% gestiegen :-). 
Vielen Dank nochmal für Eure Hilfe.

von D.T.Schneiderlein (Gast)



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Ich brauche wohl nochmal Eure Hilfe.

Der Shuntregler funktioniert wie gesagt inzwischen ganz gut. Anbei 
nochmal den Schaltplan und das LTSpice-Model. (Der Mosfet ist ein 
anderer weil es für den IXFN56N90P kein LTSpice-Model gibt. Reagiert 
aber ähnlich).

Wie aber bekomme ich einen 5V Piezo-Piepser dazu loszulegen wenn der 
Mosfet durchschaltet?

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