Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Lock-In- Tiefpassfilterung: Rauschen beseitigen


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von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Hallo,

ich habe eine Spektroskopieschaltung aufgebaut, die einen 
Lock-In-Verstärker benutzt. Nun funktioniert alles einwandfrei bis zur 
Tiefpassfilterung, von der ich meine sie hätte mal besser ausgesehen.

Die Schaltung im Anhang zeigt den Lock-In-Teil. Als Eingangssignal kommt 
ein 3.125kHz moduliertes Lichtsignal von einem Photosensor. Das 
Referenzsignal für Modulation und Lock-In-Demodulation ist das selbe 
3.125kHz Signal aus einem PWM-AtMega-Ausgang.

Der Lock-In Demoduliert richtig. Nur erhalte ich hinter dem Tiefpass 3. 
Ordnung mit Grenzfrequenz 2 Hz ein enorm starkes Rauschen, das ich mir 
nicht erklären kann. Ein Oszi-Bild ist im Anhang: Blau der Lock-In 
Ausgang, gelb das Signal hinter dem TP.
Kann mir das jemand erklären? Das Rauschen ist ja offensichtlich 
höherfrequent als 3 Khz - sind das die höheren Ordnungen, die schlecht 
unterdrückt werden?

Die Stormversorgung für LED-Treiber (ca. 100mA pro Puls) und Lock-In ist 
nur mittelmäßig gut entkoppelt, das heißt viel mehr gepuffert durch eine 
menge kondensatoren an den Bauteil-versorgungseingängen. Den Einfluss 
davon habe ich aber im gesamten Zweig bis inkl. Lock in bereits 
nachgemessen - der ist zwar sichtbar, sollte sich ja aber zum 
referenzsignal ohnehin synchron verhalten und das Rauschen hier nicht 
erklären können.

Ich hätte bei 2Hz Grenzfgrequenz und einer Ordnung von 3 eigentlich 
erwartet, dass das Signal nicht SO aussieht - könnt ihr das bestätigen 
oder habt ihr eine Erklärung?

Bzw. - was tun um das Signal glatt zu bekommen?
Viele Grüße

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Hier noch die FFT-Des Signals hinter dem TP.
Wo kommen die hohen Frequenzen her?!
Ich versorge die Schaltung mit einer Symmetrischen Batterieversorgung, 
also keine Step-Up-Wandler.
Außerdem sende ich die Daten per Bluetooth, allerdings von einem anderen 
board aus - und das kanns ja wohl auch nicht sein...

Ich habe den Invertierenden Verstärker mit G=5.6 erst nachträglich 
hinzugefügt (also die Beschaltung, der LMC6062 hatte noch einen OpAmp im 
gehgäuse frei) - kann irgendein Bockmist auf der PCB beim umrouten für 
so etwas verantwortlich sein?

von Ulrich (Gast)


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Die Störungen sehen sehr danach aus das die Schaltung irgendwelche 
Störungen einfängt - das ist also kein Rauschen, sondern eher ein EMV 
Problem. Ein guter Teil ist sogar schon oberhalb 100 kHz und damit der 
GBW des OPs.

Das ist also mehr ein Frage von Layout und Abblocken der Versorgung als 
der Schaltung.

von Simon K. (simon) Benutzerseite


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Welche Versorgungsspannungen haben die OPAMPs? Du hast da zwei 
invertierende Strukturen, die auf Masse referenziert sind. Da benötigst 
du eine negative Versorgungsspannung.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Simon K. schrieb:
> Da benötigst
> du eine negative Versorgungsspannung.

ja, sie bekommen +-5V

Ulrich schrieb:
> Das ist also mehr ein Frage von Layout und Abblocken der Versorgung als
> der Schaltung.

Layout und Abblocken inwiefern? Masse-Abschirmung der versorgungsadern?

von Ulrich (Gast)


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Der Schaltplan kann die Störungen nicht erklären - schon gar nicht so 
ein Ausschnitt. Die Störungen kommen halt irgendwo von außen rein - ein 
heißer Kandidat ist dabei die Versorgung - muss es aber nicht sein.

Bei solchen Störungen kommt es halt nicht nur darauf an wie die 
Schaltung auf dem Papier aussieht - Leiterbahnen sind da halt nicht mehr 
als ideal anzusehen. Ein Foto von der Platine (oder ggf. das 
Platinenlayout) ist da deutlich besser als die Glaskugel und zielloses 
rum raten.

Zumindest das Testsignal sieht noch recht sauber aus - das könnte der µC 
wohl auch noch direkt mit dem ADC auswerten, sozusagen den Lockin in 
Software. Auch wenn man bei der analogen Lockin Schaltung bleiben will, 
sollte man eher die Grenzfrequenz des Filters höher legen (z.B. 50 Hz) 
und dann softwaremäßig auf die endgültige Bandbreite kommen - das spart 
auch gleich die unangenehm großen Kondensatoren. Außerdem kann man so 
die Einschwingzeit reduzieren.

von Christian L. (cyan)


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Sieht stark nach Einkopplungen aus einem digitalen Teil aus. Die 
Störungen sehen wie Datenpakete aus - die breiten Störungen bestehen 
alle aus genau 8 Hauptpeaks. Es könnte sein, dass das Bluetoothmodul so 
stark einstreut, oder die Versorgungsspannung ist so stark verseucht. 
Ich tippe aber eher auf ersteres.
Du kannst ja mal gucken, ob die Höhe der Störungen sich mit dem Abstand 
des Funkmoduls ändert.

von oohh (Gast)


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Allenfalls mal ein Foto vom Aufbau rueberreichen.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Danke euch, werde ich machen sobald der nächste Schritt erfolglos 
geblieben ist: ich habe nun erstmal den filterteil noch einmal auf einem 
externen brett zusammengebaut und teste das jetzt, sobald ich NOCH ein 
Problem behoben habe (manchmal ist es einfach die Hölle)...

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Christian L. schrieb:
> Sieht stark nach Einkopplungen aus einem digitalen Teil aus. Die
> Störungen sehen wie Datenpakete aus - die breiten Störungen bestehen
> alle aus genau 8 Hauptpeaks. Es könnte sein, dass das Bluetoothmodul so
> stark einstreut, oder die Versorgungsspannung ist so stark verseucht.
> Ich tippe aber eher auf ersteres.
> Du kannst ja mal gucken, ob die Höhe der Störungen sich mit dem Abstand
> des Funkmoduls ändert.


scharf beobachtet, das stimmt! ich denke mal du hast da die richtige 
spur, das schaue ich mir gleich mal genauer an

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Also das Bluetoothmodul war der Volltreffer. Nun ist nur die Frage, was 
ich tun kann, um die Störungen möglichst gering zu halten!
Im Anhang seht ihr Layout/Routing des Boards, auf dem offensichtlich die 
BT-Störung eingekoppelt wird. Entfernung des eigentlichen Moduls mit 
Lock-In hat keinen Unterschied gemacht (auch nicht abschirmung).

Ich dachte (offensichtlich fälschlicherweise), dass es reichen müsste 
die Signal-Lines (Bottom-Layer) durch GND zu beiden seiten abzuschirmen.

Nun die Frage. Was könnte man tun? Oder bleibt nur übrig das BT-Modul 
gänzlich auf eine andere Platine und an eine andere Stelle zu packen? 
Und die Signal-Platine metallisch abzuschirmen?

von Christian L. (cyan)


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Am effektivsten wird es wohl sein die analogen Signale zu schirmen mit 
einem Metallblech. Wenn ich mir aber die Anschlüsse des Lock-In Teil 
angucke, frage ich mich, wie du die Signale überträgst. Benutzt du dafür 
Flachbandleitungen? Ein geschirmtes Kabel könnte hier auch noch ein 
wenig helfen.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Christian L. schrieb:
> Benutzt du dafür Flachbandleitungen?

ja.

Ich sehe schon, ich muss an ein paar stellen schirmen. danke!

von Ulrich (Gast)


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Ein erster Punkt wäre es am Ausgang des 2. OPs (5-fache Verstärkung) 
einen Widerstand (z.B. 100 Ohm) zu haben, um auch den Ausgang von 
kapazitiven Lasten (Kabel) zu entkoppeln. Das reduziert auch schon mal 
die Möglichkeiten das da HF Störungen zurück laufen und sich ggf. 
resonant (mit Kabellänge) verstärken.

Der nächste Punkt wäre die Leitungen zum BT Modul Abzublocken - so das 
gar nicht erst so viele Störungen zurück auf die Versorgung usw. kommen. 
Ggf. braucht es da Ferrite zusätzlich zu eher kleinen 
Abblockkondensatoren.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Christian L. schrieb:
> Am effektivsten wird es wohl sein die analogen Signale zu schirmen mit
> einem Metallblech

Mal generell: Kommt das Metallbleach auf GND oder bleibt das möglichst 
floating? Zweiteres, oder?

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Ulrich schrieb:
> Ggf. braucht es da Ferrite zusätzlich zu eher kleinen
> Abblockkondensatoren.

Damit kenne ich mich so gar nicht aus. mist! Wo bekomme ich da denn die 
notwendigen infos zu? (Also Entkoppelung mit Ferriten etc)

von Christian L. (cyan)


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Alex v. L. schrieb:
> Kommt das Metallbleach auf GND oder bleibt das möglichst
> floating? Zweiteres, oder?

Ich würde das Abschirmgehäuse mit Masse verbinden. Idealerweise sollte 
dies aber nur an einem Punkt geschehen und nicht an mehreren.

von Ulrich (Gast)


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Die Ferrite sind in der THT Ausführung meist kleine Perlen - als relativ 
kleine Induktivität mit nur 1 Windung, dafür aber auch bis zu sehr hohen 
Frequenzen wirksam. Als SMD Ausführung ist das ggf. eine kleine 
Induktivität mit relativ hohem Verlust, die dann in die Versorgung zum 
BT Modul kommt. Es kommt halt darauf an, das die Induktivität auch bis 
zu den hohen Frequenzen noch wirksam ist.

Der Analogteil sollte schon wegen anderer Störungen (etwa MW Radio, 
Schaltregler) eine Abschirmung haben. Gegen die hohen Frequenzen vom BT 
Modul ist es da schon gar nicht mehr so leicht, schon wegen der ganzen 
Zuleitungen und ggf. Öffnungen für die Optik. Da ist es ggf. effektiver 
auf eine Massefläche zu achten, die den Namen wirklich verdient hat.

Auch bei der Spannungsversorgung für den Analogteil lohnt sich ggf. 
schon noch etwas mehr Filterung - nicht nur wegen der Störungen vom BT, 
sondern auch wegen des Choppersignals. Ein Übersprechen von der 
Modulation gibt halt unschöne Störungen, die nicht so leicht raus 
zurechnen sind.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Danke Ulrich!

von oohh (Gast)


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Beim Layout wurde zu stark auf eng geachtet, es sind zuwenig Vias, die 
GND oben und unten verbinden.

Und was sollen die 3 1000uF Elkos auf dem Board ? Speisung ? Die bringen 
wenig, nimm lieber 220uF Tantal und mach viel mehr 100nF an die 
Speisungen aufm Board.

Ich wuerd mir fuer so eine Anwendung einen 4 Lagen Multilayer goennen, 
da ist man mit 100 euro dabei.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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oohh schrieb:
> Ich wuerd mir fuer so eine Anwendung einen 4 Lagen Multilayer goennen,
> da ist man mit 100 euro dabei

Ist schon lange in Planung, leider muss ich dafür erstmal den 
Grundsatz-Beweis liefern und das mit selbst-geätzten Platinen. Ich gebe 
dir aber recht, ich wünsche es mir auch anders...

oohh schrieb:
>  mach viel mehr 100nF an die Speisungen aufm Board.

An welchen Stellen meinst du? Ich habe bisher an allen +-VCC-Pins von 
jeglichen Bauteilen je einmal 100nF liegen. Wo würdest du noch welche 
hin machen? Das würde ich mir dann für den Vierlager merken.

von Ulrich (Gast)


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Ich sehe bei der Schaltung gerade, dass da ein low drop Regler mit 
darauf ist (nahe am BT Modul) - der braucht in der Regel einen passenden 
Kondensator am Ausgang: etwa 5 µF mit ESR in einem definierten Bereich. 
Das heißt dann entweder ein Tantal Elko oder ggf. ein keramischer mit 
Widerstand in Reihen. Auch an Eingang des Reglers wären ggf. mehr als 
100 nF angesagt. Eine Alternative wäre ein weniger wählerischer Regler, 
der auch mit keramischem Kondensator am Ausgang klar kommt.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Hallo Ulrich, danke für deine Anmerkungen!
Die LDOs sind MC7805 und 7905.

Also am Eingang habe ich ja die 1000µ Elkos, am ausgang bislang nur 
keramik.
Tantal habe ich noch 10µFs da - wäre es sinnvoll C9/C10 gegen 10µF 
tantal auszutauschen?

von ja (Gast)


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Eine 9V Batterie vertraegt sich schlecht mit einem 7805. Der verbraucht 
zuviel strom. Ich an dessen Stelle einen LP2951 empfehlen.

von und (Gast)


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Fuer einen Funktionstest leiht man sich einen Stanford SRS830, SRS850 
oder so aus.

von Ulrich (Gast)


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Die 7805 und 7905 sind normale Spannungsregler und recht unkritisch. Da 
können C9 , C10 so bleiben.

Das Problem ist der TPS76333 - das ist ein LDO, und laut Datenlatt 
möchte der einen Ausgangskondensator mit etwa 5-10 µF und 0,3-10 Ohm 
Serienwiderstand / ESR. Der passende Ort für den Tantalelko wäre also 
hinter dem TPS76333. Vor dem TPS76333 wäre ggf. auch noch ein Elko (muss 
kein Tantal sein) oder etwas größerer Keramischer Kondensator (z.B. 4,7 
µ) an den +5 V sinnvoll. Ein je nach Stromverbrauch des BT Moduls 
schwingender Spannungsregler könnte durchaus die Störquelle sein.
Der Spannungsregler könnte ggf. auch etwas mehr Kupferfläche zur Kühlung 
gebrauchen.


Wenn der Platz auf der Platine so knapp ist, könnte man zumindest die 
1000 µF zwischen den +9 V und -9 V wohl einsparen können.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Danke für die konkreten Tips Ulrich, der Tantal am Ausgang und 
pufferkondensator am eingang ist im layout schonmal vorgemerkt!

Generell eine Frage der Praktikabilität: Aus was / wie baut ihr euch 
denn "custom"-metallschirme? Muss es solides metall sein oder reicht ein 
faradayscher Käfig aus z.B. metallischem modelliergitter (wird für 
gips-Landschaften etc verwendet) mit Maschengröße ~1-2mm²?
Oder ein Kunststoffgehäuse mit Silberlack bemalen?

von Ulrich (Gast)


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So ein ein Gitter ist unüblich. Könnte gehen, aber die Kontakte sind 
ggf. nicht zuverlässig. Üblicher ist eher gebogenes Weißblech (Stahl 
hauchdünn verzinnt), und an den Kanten dann ggf. verlötet. So etwas gibt 
es auch fertig zu kaufen, lässt sich aber auch mal frei Hand schneiden / 
biegen.

Man kann auch Kupferbeschichtete Platine (ungeätzt) nehmen und dann mit 
Drahtstücken an den Kanten verlöten. Das könnte ich mir ganz gut als 
zusätzliche Massefläche hinter so einer Platine vorstellen.

Wenn das ganz Batteriebetrieben werden soll, ist nicht nur der 7805 eine 
schlechte Wahl, auch die AD630 sind nicht gerade sparsam. Sparsamer wäre 
da z.B. eine direkte digitale Auswertung, etwa über µC mit 12 Bit AD.

von Christian L. (cyan)


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Alex v. L. schrieb:
> Aus was / wie baut ihr euch denn "custom"-metallschirme?

Wie Ulrich schon sagte, gibt es Weißblech in Form von Platten oder 
fertig, zu einem Gehäuse gebogen, zu kaufen. Man kann aber auch 
Konservendosen, Bonbon-Dosen oder Keksdosen dafür missbrauchen.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Ja, das mit dem 7805er sehe ich ein!
Weißblech - gut, ist notiert. Blechschere etc habe ich, dann mache ich 
das Gehäuse selber.
die digitale lock-In-Auswertung wäre dann Version 2, jetzt bin ich 
leider bei analog - und muss das erstmal gut zum laufen bekommen. Aber 
auch das ist vermerkt!
Mein Grund für den 7805er mit 7905er war eigentlich nur, dass ich eine 
zuverlässige +-5V,GND Rail aufbauen wollte und keine Alternativen kannte 
(inklusive Verschaltung) die zuverlässig funktioniert!
Was wäre denn das Gegenstück für die -5V im Falle des LP2951? Oder ist 
der 7905er gar nicht das problem und ich tausche einfach den 7805er und 
belasse den 7905er, Schaltung dann genauso?

von Ulrich (Gast)


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Der LP2951 (bzw. LP2950) ist ein low drop Regler - das ist für 
Batteriebetrieb nicht so falsch, man muss aber wieder auf die 
Kondensatoren / Elkos achten. Allerdings ist maximale Strom nicht so 
hoch - für den µC usw sollte es aber reichen. Der 7805 hat relativ viel 
Ruhestrom und braucht wenigstens etwa 7,5 V - damit kann man eine 9 V 
Batterie nicht mal ganz leer machen.
Es gibt auch negative Low drop Regler - die könnten im Prinzip sogar 
eher bessere Eigenschaften haben. Nur die Auswahl ist nicht so groß. Im 
Prinzip ginge es auch mit einem Positiven Regler und dann erst danach 
zusammenschalten - nur kann man dann die -9 V nicht mehr nutzen.

Den Strom für die oben erwähnten LEDs sollte man eher nicht über den 5 V 
Regler ziehen - lieber direkt von der Batterie oder ggf. separat 
stabilisiert.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Der 7805 versorgt mir allerdings nicht nur µC sondern auch die 
analogschaltung inklusive sensor, verstärkung und LEDs.. Das board habe 
ich mal auf 500mA peak auslegen wollen, deshalb bin ich dann auch beim 
7805er gelandet. Die LEDs direkt über die Batterie zu versorgen ist 
natürlich eine gute Idee, das überlege ich mir mal. Der Strom wird ja 
ohnehin über Stromregler gesteuert, extra stabilisieren müsste man die 
VCC der LED also nichtmal großartig denke ich...

von Aehh (Gast)


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Eine 9V Batterie bringt hoechstens 50mA.

von Bestaendiger (Gast)


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Kannst du das Bluetoothmodul während der Messungen ausschalten?

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Bestaendiger schrieb:
> Kannst du das Bluetoothmodul während der Messungen ausschalten?

ja ich habe eine jumperstelle für ein max232-Kabelmodul, damit läufts 
jetzt (auch störungsfrei). das BT-Modul muss halt in einem neuen Design 
dann vorsichtig dazu.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Aehh schrieb:
> Eine 9V Batterie bringt hoechstens 50mA

auch mit 1000µF gepuffert und von einem 7805er runtergeregelt?

von Ulrich (Gast)


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Es hängt von den Batterien / Akkus ab, wie viel strom man da ziehen 
kann. Das ist keine scharfe Grenze - je höher der Strom, desto mehr 
stört der Innenwiderstand. Mit einer neuen Batterie geht es dann ggf. 
noch, aber man kann halt weniger der Kapazität nutzen, wenn man mehr 
Strom braucht.
Gerade mit dem 7805 hat man da bei der Spannung nicht viel Reserve. Mit 
Akkus könnte man vielleicht die 500 mA nutzen, aber da ist die Spannung 
oft etwas niedriger - und schnell zu wenig für den 7805.

Da hätte der Low Drop Regler dann Vorteile, weil die Spannung etwa 1,5 V 
niedriger sein darf.

Die Elkos bringen nur etwas für den Spitzenstrom, etwa für die 
Modulierten LEDs. Da wäre es dann besser auch noch einen Widerstand 
(oder Induktivität) als Entkopplung vorzusehen, damit die Spannung am 
Elko auch sinken darf.

Die Lockinschaltung ist so wie es aussieht für 50% Tastverhältnis 
ausgelegt. Da bringt der Elko noch nicht viel. Bei einer Lösung als 
Digitaler Lockin wäre ein kleineres Tastverhältnis möglich und für einen 
geringeren Stromverbrauch auch besser.

von Alex V. (bastel_alex) Benutzerseite


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Ulrich schrieb:
> Der LP2951 (bzw. LP2950) ist ein low drop Regler - das ist für
> Batteriebetrieb nicht so falsch, man muss aber wieder auf die
> Kondensatoren / Elkos achten. Allerdings ist maximale Strom nicht so
> hoch - für den µC usw sollte es aber reichen.

Nach etwas Urlaub bin ich wieder an meinem Projekt und nun bei der 
Einarbeitung all der Verbesserungsvorschläge.
Den 7805er könnte ich ja einfach gegen den vorgeschlagenen LP2951 
austauschen - aber was ist mit dem 7905er? Gibt es da ein LDO-Pendant?

Edit: Ich denke ich mache für eine Batteriebetriebene +-5V Rail mal 
einen anderen Thread auf.

: Bearbeitet durch User
von Ulrich (Gast)


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Es gibt im Prinzip auch LDOs für negative Spannung (z.B. LM2990 - kein 
besonders guter Typ für Batteriebetrieb), allerdings sind die eher 
selten, schwer zu bekommen und vergleichsweise teuer.
Sofern man die -9 V nicht noch ungeregelt braucht, könnte man auch für 
die negative Spannung einen positiven Regler nutzen, wenn man nicht 
direkt die Batterien verbindet sondern erst die geregelten 5 V.

Der LP2950 ist als Regel nur bis 100 mA vorgesehen, und auch schon mit 
50 mA wird der im TO92 Gehäuse relativ warm. Der LP2950 ist zwar schon 
besser als der 7805, aber immer noch nicht wirklich sparsam. Sparsamer 
wäre etwa ein MCP1703. Bei dem recht hohen Stromverbrauch ist ohnehin zu 
überlegen von den 9 V weg zu gehen. Wie viel Strom wird denn gebraucht ?

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