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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik KSQ "Open-Loop Protection"


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von Marc S. (darkchaos)


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Hey Leute,

zunächst das Big-Picture: Ich möchte eine Konstantstromquelle als 
LED-Treiber benutzen. Ca 12V -> ~40-50V @ 0.5-1A.
Nun ist es ja bekanntlich so, dass wenn der Stromfluss unterbrochen 
wird, die KSQ die Spannung hochtreibt. Zum Schutz von Mensch, LED und 
Ausgangs-C habe ich dafür folgende Use-Cases:

a) Keine LED eingesteckt/Wackelkontakt
b) Ein LED-Strang durchgebrannt, verhindere vollständige Zerstörung.

a) ist natürlich simpel doch für b muss ich bereits auf kleinere 
Überspannungen reagieren:
Die Idee ist, dass die KSQ abgeschalten wird und der µC einen Interrupt 
bekommt. Er setzt daraufhin die Sollstromstärke herab und startet 
wieder.

Ich gehe wohl richtig in der Annahme dass man aus Sicherheitsgründen 
lieber noch eine diskrete Schaltung als Schutz hat, falls der Interrupt 
mal nicht durchkommt oder sonstiges?

Ich habe mir daher mal die Schaltung aus dem Anhang ausgedacht. Im 
Prinzip ist es eine Zenerdiode mit Flipflop, so dass das ganze nicht 
"schwingt" (Da ja die Überspannung im Ausschaltmoment nicht mehr 
existiert).


Mein Problem 1 ist nun, wie man sieht: Ich konnte mich nicht zwischen D2 
und dem Spannungsteiler R1/R2 entscheiden. Leider liegt jedoch vor dem 
Spannungsteiler die komplette Überspannung an. Eine Zener-Diode (D2) 
hätte damit im Zweifelsfalle doch recht viel Energie zu vernichten, 
wohingegen der Spannungsteiler nur schwer Dimensionierbar ist, wenn er 
denn auf 0.5V Überspannung reagieren sollte.

Problem 2: In der Simulation liegen zwar an R 20mV und an S 5V an, 
jedoch wird NOT Q nicht 0V sondern bleibt bei 1V. Ist das ein Fehler in 
meiner Schaltung oder liegt das einfach am Schalt-Delay des Relais/Das 
Relais schaltet erst bei der rising-edge an R?

Jetzt ist das ganze ja relativ aufwendig, würdet ihr da was ändern? Gibt 
es andere und einfachere Ansätze? AND-Gatter lieber mit zwei 
Transistoren umsetzen?

Angenehmen Abend,
Darkchaos.

von Falk B. (falk)


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@Marc S. (darkchaos)

>Die Idee ist, dass die KSQ abgeschalten wird und der µC einen Interrupt
>bekommt. Er setzt daraufhin die Sollstromstärke herab und startet
>wieder.

>Ich gehe wohl richtig in der Annahme dass man aus Sicherheitsgründen
>lieber noch eine diskrete Schaltung als Schutz hat, falls der Interrupt
>mal nicht durchkommt oder sonstiges?

Ja.

>Ich habe mir daher mal die Schaltung aus dem Anhang ausgedacht. Im
>Prinzip ist es eine Zenerdiode mit Flipflop, so dass das ganze nicht
>"schwingt" (Da ja die Überspannung im Ausschaltmoment nicht mehr
>existiert).

???
Dazu sollte man auch die KSQ sehen.

>Spannungsteiler die komplette Überspannung an. Eine Zener-Diode (D2)
>hätte damit im Zweifelsfalle doch recht viel Energie zu vernichten,

Nicht wenn man in die KSQ eingreifen kann.

https://www.mikrocontroller.net/articles/Konstantstromquelle#Beschreibung_2

von Clemens L. (c_l)


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Marc S. schrieb:
> Ein LED-Strang durchgebrannt, verhindere vollständige Zerstörung.

AND8109 benutzt dafür getrennte Current-Sense-Widerstände für jeden 
Strang: https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8109-D.PDF

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Marc S. schrieb:

> zunächst das Big-Picture: Ich möchte eine Konstantstromquelle als
> LED-Treiber benutzen. Ca 12V -> ~40-50V @ 0.5-1A.

Also wird das ein Stepup-Konverter mit Regelung des Ausgangsstroms. Eine 
durchaus spezielle Form einer Konstantstromquelle.

> Nun ist es ja bekanntlich so, dass wenn der Stromfluss unterbrochen
> wird, die KSQ die Spannung hochtreibt. Zum Schutz von Mensch, LED und
> Ausgangs-C habe ich dafür folgende Use-Cases:
>
> a) Keine LED eingesteckt/Wackelkontakt
> b) Ein LED-Strang durchgebrannt, verhindere vollständige Zerstörung.
>
> a) ist natürlich simpel doch für b muss ich bereits auf kleinere
> Überspannungen reagieren

Bahnhof.

> Die Idee ist, dass die KSQ abgeschalten wird und der µC einen Interrupt
> bekommt. Er setzt daraufhin die Sollstromstärke herab und startet
> wieder.

Und jetzt wird es vollends unsinnig. Was für ein µC?

Wenn man einen Stepup-Konverter vor einem Lastabwurf schützen will, dann 
hat man grob 3 Möglichkeiten:

1. eine Ersatzlast vorsehen. Das könnte eine Z-Diode sein, deren 
Durchbruchspannung oberhalb der maximal möglichen LED-Spannung liegt. 
Sind keine LED angeschlossen, nimmt diese Z-Diode den Strom auf. 
Nachteil: die Z-Diode ist dann eine Heizung.

2. die (zu) hohe Ausgangsspannung detektieren und in diesem Fall den 
Stepup-Controller abschalten und abgeschaltet lassen, bis z.B. die 
Eingangsspannung abgeschaltet wird.

3. einen Stepup-Controller verwenden, der mehrere Feedback-Eingänge hat. 
Dann kann man einen davon zur Stromregelung verwenden und einen zweiten 
zur Begrenzung der Ausgangsspannung. Das ist die bei weitem eleganteste 
Variante und dürfte in 99% aller kommerziellen schaltenden 
LED-Konstantstromquellen verwendet sein.

Dein Fall b) von oben kann nicht auftreten. Denn natürlich schließt man 
nicht mehrere LED-Ketten parallel an den Ausgang einer Konstant- 
stromquelle an. Dann baut man entweder mehrere Stromquellen oder eine 
spezielle, die mehrere Lasten mit jeweils eigenem Sense-Widerstand 
versorgt. Das Prinzip ist ganz ähnlich wie oben: der Controller braucht 
pro Sense-Widerstand einen Feedback-Eingang und regelt seine Pulsweite 
dann so, daß in keinem Zweig der Nennstrom überschritten wird.

von Marc S. (darkchaos)


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Falk B. schrieb:
>>"schwingt" (Da ja die Überspannung im Ausschaltmoment nicht mehr
>>existiert).
>
> ???

Damit meinte ich folgendes: Überspannung -> KSQ aus. Damit ist die 
Überspannung wieder aus -> KSQ an -> Überspannung wieder da -> KSQ aus.


Axel S. schrieb:
> Und jetzt wird es vollends unsinnig. Was für ein µC?
Der µC der via BUS den Sollstrom (Dimmen via Stromregulation) über die 
Referenzspannung anpasst.

Damit wäre das natürlich noch eine Idee, diese Referenz auf Masse zu 
ziehen, aber dann ist ja nicht so sehr das ganze ausgeschaltet, wie es 
bei einem "Hauptschalter" wäre, den ich ja ohnehin brauche, wenn die LED 
nicht dauerhaft leuchten sollte.

Axel S. schrieb:
> Denn natürlich schließt man
> nicht mehrere LED-Ketten parallel an den Ausgang einer Konstant-
> stromquelle an.
Ich dachte da an die Sharp GW5D bzw. vergleichbare (Da Sharp scheinbar 
insolvent ist bzw. zumindest die LEDs abtritt und es da auch noch 
thermische Probleme gibt etc).
http://www.sharpleds.com/resources/Mega-Zenigata50WApplicationNoteEt-111205.pdf

Beim Equivalent Circuit auf Seite 21: Das meint doch auch tatsächlich, 
dass die intern gut balancierte LEDs benutzen, oder? Natürlich auch aus 
der gleichen Charge. Deswegen geht ja die Parallelschaltung nur.
Ich erhoffe mir jetzt beim durchbrennen eines Strings einfach mit 90% 
Lichtleistung auszukommen.

Axel S. schrieb:
>> a) ist natürlich simpel doch für b muss ich bereits auf kleinere
>> Überspannungen reagieren
>
> Bahnhof.

Im Falle a) ist der Widerstand zwischen den Pins der KSQ unendlich. 
Daher divergiert die Spannung wenn die KSQ den Strom fließen lassen 
will.

Im Falle b) ist der Widerstand leicht größer geworden und damit steigt 
die Spannung nur leicht (Hier kommt auch die steile I/U Kennlinie der 
Dioden zum tragen).

Spricht etwas dagegen beide Versionen zu kombinieren (Die Zenerdiode im 
Regelkreis als schnellen Schutz für die Kondensatoren und den Rest für's 
gute Gewissen? Oder ist das Unfug, da noch alles abschalten zu wollen? 
Wie stabil ist denn ein Schaltregler bei einem Duty-Cycle von 0%?)

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Marc S. schrieb:
> Axel S. schrieb:
>> Und jetzt wird es vollends unsinnig. Was für ein µC?

> Der µC der via BUS den Sollstrom (Dimmen via Stromregulation) über die
> Referenzspannung anpasst.

Was denn für ein Bus?

> Damit wäre das natürlich noch eine Idee, diese Referenz auf Masse zu
> ziehen, aber dann ist ja nicht so sehr das ganze ausgeschaltet, wie es
> bei einem "Hauptschalter" wäre, den ich ja ohnehin brauche, wenn die LED
> nicht dauerhaft leuchten sollte.

Praktisch jeder Schaltregler-Controller hat einen Eingang, um ihn 
abzuschalten. Den kann man dann sowohl zum Ein/Ausschalten als auch zum 
Dimmen (per PWM) benutzen. Dazu muß man genau gar nicht in die 
Stromregelung eingreifen.

>> Denn natürlich schließt man
>> nicht mehrere LED-Ketten parallel an den Ausgang einer Konstant-
>> stromquelle an.

> Ich dachte da an die Sharp GW5D bzw. vergleichbare

Aha. Das ist also ein LED-Modul, das intern viele Einzel-LED-Chips in 
Serien/Parallelschaltung enthält. Das kann man so bauen. Aber man hat 
dann natürlich den Effekt, daß beim Ausfall eines einzelnen Chips gleich 
ein paar weitere dunkel werden und der Rest überlastet wird.

> Ich erhoffe mir jetzt beim durchbrennen eines Strings einfach mit 90%
> Lichtleistung auszukommen.
> Im Falle b) ist der Widerstand leicht größer geworden und damit steigt
> die Spannung nur leicht (Hier kommt auch die steile I/U Kennlinie der
> Dioden zum tragen).

Das kannst du vergessen. Du kannst den Ausfall von 1/20 der LED-Chips 
nicht zuverlässig elektrisch detektieren. Der Strom teilt sich auf die 
verbleibenden 9 Ketten in der betroffenen Hälfte auf. Die Flußspannung 
steigt dadurch ein bißchen an. Aber eben nicht genug für eine 
zuverlässige Aussage, ob das ein Teilausfall des Moduls ist oder auf 
eine Temperaturänderung zurückzuführen ist.

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