Strombegrenzung auf 10mA

[Max G. (l0wside)]

Für eine 1-Wire-Ansteuerung brauche ich eine Strombegrenzung. Weil die 
Spannungsversorgung nicht viel liefern kann, sollte die Begrenzung bei 
10mA abschalten und abgeschaltet bleiben (der µC startet die Baugruppe 
anschließend einfach neu). Ich brauche keine Regelung, sondern im Grunde 
eine elektronische Sicherung.
Platz ist so gut wie keiner vorhanden, eine integrierte Lösung wäre also 
optimal. STEF05 habe ich versucht, der ist aber eher auf mehrere A statt 
auf ein paar mA ausgelegt und in diesem Bereich beliebig ungenau. Einen 
anderen passenden Baustein habe ich nicht gefunden, Tipps sind herzlich 
willkommen.

Ich habe in LTSpice mal versucht, eine passende Schaltung 
zusammenzustricken, siehe Anhang. In der oberen Hälfte sind erst ein 
1-Wire-Puls und dann ein Kurzschluss simuliert, in der unteren Hälfte 
ist die Strombegrenzung. 11 Bauteile sind mir aber eigentlich deutlich 
zu viel - hat jemand eine geniale Idee?

Danke,

Max

[Achim H. (anymouse)]

(kann mir hier das Spice-Projekt nicht ansehen)

Bei STEF05 denke ich an 5V .. wäre es möglich, statt der Strombegrenzung 
eine Kombination aus Vorwiderstand und Unterspannungsschutz zu benutzen?

[Holger (Gast)]

Schaue dir die Schaltung an, das sollte dich auf ein paar Ideen bringen:

http://old.ethersex.de/index.php/DALI

[M. K. (sylaina)]

Wenn es nicht sonderlich genau sein muss wäre eine 
Strombegrenzungsschaltung mit einem Bipolar-Transistor, zwei 
Widerständen und einer Z-Diode bzw. zwei Kleinsignaldioden auch eine 
recht preiswerte Lösung, siehe Anhang.

[Falk B. (falk)]

@M. Köhler (sylaina)

>Widerständen und einer Z-Diode bzw. zwei Kleinsignaldioden auch eine
>recht preiswerte Lösung, siehe Anhang.

Die Schaltung ist OK, aber ein U-I Kennlinie wäre deutlich 
aussagekräftiger.

[Joe F. (easylife)]

Vorschlag anbei.
Die Zeit zwischen Strombegrenzungs-Modus (ca. 10mA) bis zum Abschalten 
kann über C2 verändert werden. Momentan ca. 1ms

[M. K. (sylaina)]

Falk B. schrieb:
> Die Schaltung ist OK, aber ein U-I Kennlinie wäre deutlich
> aussagekräftiger.

Du meinst so?

[Falk B. (falk)]

@ M. Köhler (sylaina)

>> Die Schaltung ist OK, aber ein U-I Kennlinie wäre deutlich
>> aussagekräftiger.

>Du meinst so?

Genau. Und wenn du jetzt noch die Temperatur in mehreren Schritten 
änderst, sieht man wie gut oder auch schlecht diese einfache 
Strombegrenzung ist.

[Thomas B. (thombde)]

Schade ich kann es nicht öffnen.
Hat ja nicht jeder LTSpice.

[ASinus (Gast)]

Falk B. schrieb:
> @ M. Köhler (sylaina)
>
>>> Die Schaltung ist OK, aber ein U-I Kennlinie wäre deutlich
>>> aussagekräftiger.
>
>>Du meinst so?
>
> Genau. Und wenn du jetzt noch die Temperatur in mehreren Schritten
> änderst, sieht man wie gut oder auch schlecht diese einfache
> Strombegrenzung ist.

Und wenn du dann auch noch den "Misc/EuropeanResistor" verwendest, bin 
auch ich zufrieden ;-)

[M. K. (sylaina)]

Falk B. schrieb:
> Genau. Und wenn du jetzt noch die Temperatur in mehreren Schritten
> änderst, sieht man wie gut oder auch schlecht diese einfache
> Strombegrenzung ist.

Hab ich auch mal gemacht.

strombegrenzung 3: Temperatur ändert sich global für alle Bauteile
strombegrentung 4: Temperatur ändert sich nur für den Transistor
strombegrenzung 5: Temperatur ändert sich für den Transistor und die 
Diode D2

Fazit:
Bleiben alle Bauteile auf einer ähnlichen Temperatur ändert sich quasi 
nichts für die Schaltung. Ist aber doch eher unwahrscheinlich, der 
Transistor dürfte wohl am Wärmsten werden, daher das nächste Bild.
Das zeigt, dass die Strombegrenzung mit heißerem Transistor immer weiter 
nach oben weg driftet. Ist nicht so schön da sich das System so immer 
mehr aufschwingen würde (Strom heizt Transistor auf, Transistor leitet 
mehr Strom, mehr Strom heizt Transistor noch mehr auf usw.).
Im letzten Bild sind der Transistor und die Diode D2 thermisch quasi 
gekoppelt, erwärmen sich gleichmäßig. Je heißer es wird desto eher setzt 
die Strombegrenzung ein. Hat den Vorteil, dass sich das System nicht 
aufschwingen kann, der Nachteil ist halt, dass es bei höheren 
Temperaturen eher zum Eingriff der Begrenzung kommt was vielleicht auch 
nicht so gewollt ist.

Muss man halt mal schaun ob das Verhalten so ausreichend ist, könnte 
aber eine akzeptable Strombegrenzung darstellen. Ich würde den 
Transistor und die Diode D2 thermisch koppeln damit sich das System 
nicht aufschwingen kann bzw. man es dem System schwer macht sich 
aufzuschwingen.

[Max G. (l0wside)]

@Joe F: Wow, ich bin begeistert! Super!
Jetzt muss ich als Digitalo nur noch verstehen, was da genau passiert. 
Hätte ich bei Prof. Schuhmacher 1995 doch nur aufgepasst ;)

Gruß,

Max

[Robin S. (der_r)]

Wie wäre es alternativ mit einem JFET als Ein-Bauteil-Lösung?

Wenn du Source und Gate verbindest und ihn in Reihe zur Last schaltest, 
fließt nur noch der Sättigungsstrom des JFET (ist im Datenblatt 
angegeben).

Da finden sich auch zuhauf Typen in deiner Größenordnung (ansonsten 
lässt sich das aber auch mit einem Widerstand manipulieren, google mal 
nach JFET Konstantstromquelle). Ist zwar im Leben nicht perfekt, aber 
für eine größenordnungsmäßige Beschränkung reicht das...

[Max G. (l0wside)]

Wäre auch eine Möglichkeit (wie die Variante mit den beiden Dioden). Ich 
will aber lieber definiert abschalten.

Sonst geht die Versorgung in die Strombegrenzung, der ohnehin nicht für 
Übertragungssicherheit berühmte 1-Wire liefert Grütze, und der µC kriegt 
es nicht mit.

[Joe F. (easylife)]

Max G. schrieb:
> Jetzt muss ich als Digitalo nur noch verstehen, was da genau passiert.

Ist nicht sooo kompliziert.
Es sind im wesentlichen 2 Funktionsblöcke.
Der Shunt + Q2 + M4 + der 47K-pulldown am M4 bilden die Strombegrenzung 
auf ca. 10mA.
Wenn am Shunt >= ca. 0.6V abfällt, wird Q2 leitend und erhöht die 
Gate-Spannung an M4 so weit, dass sich am Shunt die 0.6V einstellen. Es 
fließen dann die 10mA. Der Widerstand des Shunts bestimmt also den max. 
Strom (R_shunt = 0.6 / I_max).

Um dann nach einer Weile entgültig abzuschalten, wird C2 über R12 und 
den 47K links neben C2 aufgeladen. Wenn die Spannung an der Basis von Q3 
hoch genug wird, wird Q3 leitend und zieht die Basis von Q2 noch weiter 
nach unten.
Q2 lässt dann noch mehr Strom zur Basis von Q3 durch.
Dadurch latchen sich Q2 und Q3 gegenseitig.

Zum Resetten muss C2 wieder entladen werden, und die Basis von Q3 unter 
0.6V gebracht werden. Dafür ist Q4 zuständig.

Das ganze ist wie die vorherigen Beiträge erwähnt haben ziemlich 
temperaturabhängig.
Wenn man aber mit einer Genauigkeit von ca. +/-50% leben kann, ist das 
eine günstige Alternative.

[Max G. (l0wside)]

Danke, jetzt habe ich´s so einigermaßen kapiert. Ich bau´s jetzt mal auf 
und schaue, wie es sich in der Realität macht.

Wie kann man sich bei dir bedanken?

Gruß,

Max

[Joe F. (easylife)]

Bau's einfach auf und sag bescheid ob es funktioniert. Bisher ist es ja 
noch digitale Theorie.

[Falk B. (falk)]

Man könnte auch über einen asymmetrischen Stromspiegel nachdenken. Wenn 
man einen Doppeltransistor nimmt, ist auch die thermische Kopplung wie 
auch Ähnlichkeit der Parameter (matching) sehr gut. Doppeltransistoren 
gibt es im SOT23 Gehäuse und die Widerstände können 0603 oder kleiner 
sein.

[M. K. (sylaina)]

Auch eine gute Idee, Falk. Darüber hatte ich gestern auch mal 
nachgedacht, weis aber jetzt gar nicht mehr warum ich es wieder 
verworfen hatte...wahrscheinlich geistige Umnachtung ;)

[Joe F. (easylife)]

Basierend auf Falks Idee mit dem Current Mirror nochmal eine verbesserte 
Version. Temperaturabhängigkeit ist wesentlich geringer.
Q1 und Q5 möglichst als matched pair.

[Max G. (l0wside)]

Sorry, dass es mit der Rückmeldung etwas gedauert hat. Ich bin 
begeistert!

Ich pinsle das jetzt mal im Adler und bestelle Leiterplatten. 
Rückmeldung dann in 3-4 Wochen, je nachdem, wie schnell OSHPark liefert.

Man könnte das natürlich auch auf dem Steckbrett zusammenbauen, wenn man 
THT-Bauteile hätte...das ist der Nachteil daran, nur noch SMD zu machen 
;/

Viele Grüße,

Max

[Falk B. (falk)]

Auch SMD kann man mal fix auf Lochraster löten, das dauert ne halbe 
Stunde und man sieht ob es real so läuft wie man es sich wünscht.

[Michael B. (laberkopp)]

Max G. schrieb:
> Für eine 1-Wire-Ansteuerung brauche ich eine Strombegrenzung. Weil die
> Spannungsversorgung nicht viel liefern kann, sollte die Begrenzung bei
> 10mA abschalten und abgeschaltet bleiben

Das tun deine Versuche aber nicht.

Da 10mA weniger sind als ein OpAmp oder uC-Ausgang liefern kann, kann 
man die Schaltung ohne Schaltelement sehr einfach aufbauen

uC-Ausgang --+-------+
             |       |
             +-C-+---(--100k---+
             |   |   |         |
            2k5  +--|+\        |
             |      |  >-------+--- out
             +------|-/
             |       |  LM7322 (lässt 0.2V nach bei 20mA)
            47k      |
             |       |
            GND     GND

Der C ist abhängig vom Einschaltstromstoss, den muss er überwinden damit 
die Schaltung beim Einschalten des uC-Ausgangs auch an bleibt, und er 
bestimmt auch die Reaktionsgeschwindigkeit der Schaltung auf Überstrom.

[Max G. (l0wside)]

Falk B. schrieb:
> Auch SMD kann man mal fix auf Lochraster löten, das dauert ne halbe
> Stunde und man sieht ob es real so läuft wie man es sich wünscht.

Wird mir mit SC-88 ein bisschen zu fummelig. SOT-23 wäre kein Thema, ja.
Ich habe keine Eile, ein anderes Projekt ist grade sowieso dringender. 
Und auf ein paar Euro bei OSHPark kommt es nun auch nicht mehr an.

Michael B. schrieb:
> Das tun deine Versuche aber nicht.

Wenn ich das Problem selbst gelöst hätte, hätte ich nicht gefragt.

[Max G. (l0wside)]

So, erste Rückmeldung.
Nachdem ich den erst vergessenen Shunt (R18) eingelötet hatte, 
funktioniert zumindest die Strombegrenzung - das Netzgerät meldet bei 
Raumtemperatur exakt 10mA. Nach Erwärmen mit dem Heißluftfön sind´s dann 
11mA. Das genügt am Genauigkeit vollkommen.

Fotos von Vorder- und Rückseite der (echt klein ausgefallenen) Schaltung 
anbei. Auf 4 Lagen und mit SC-88 statt SC-70 und 0402 statt 0603 wär´s 
vermutlich noch kleiner gegangen.

Nur das Abschalten klappt noch nicht. Ich fummle an einem der nächsten 
Abende mal Drähtchen dran und schaue mit dem Oszi, wo es hängt. Dann 
gibt es (ziemlich sicher) auch Oszi-Bilder.

Vielen Dank an Joe, sylaina und Falk!

Max

[Falk B. (falk)]

@ Max G. (l0wside)

>Nur das Abschalten klappt noch nicht. Ich fummle an einem der nächsten
>Abende mal Drähtchen dran und schaue mit dem Oszi, wo es hängt. Dann
>gibt es (ziemlich sicher) auch Oszi-Bilder.

?? Welche Schaltung hast du denn nun benutzt?

[Max G. (l0wside)]

Die von Joe Beitrag "Re: Strombegrenzung auf 10mA"

Nur die Startschaltung habe ich etwas modifiziert.

[Joe F. (easylife)]

Max G. schrieb:
> Nur die Startschaltung habe ich etwas modifiziert.

Was meinst du mit "Startschaltung"? Den Reset?
Poste deine jetzige Schaltung doch mal.

[Max G. (l0wside)]

Die abgeänderte .asc finde ich gerade nicht mehr, deswegen der 
Schaltplanausschnitt aus dem Adler.
Im Grunde 1:1 deine Schaltung, nur habe ich den Reset durch C47/R50 
ersetzt. Grund: das ganze sitzt hinter einem ADUM6412, an dem ich keinen 
Kanal für den Reset mehr frei habe.

Messungen wie versprochen bei Gelegenheit, aber nicht mehr heute am 
Karfreitag.

Gruß,

Max

[Joe F. (easylife)]

Max G. schrieb:
> Im Grunde 1:1 deine Schaltung, nur habe ich den Reset durch C47/R50
> ersetzt. Grund: das ganze sitzt hinter einem ADUM6412, an dem ich keinen
> Kanal für den Reset mehr frei habe.

Wo kommt denn das Signal "CURM_OUT2", welches vermutlich das 
Reset-Signal ist, dann jetzt her?

Dieses Signal hast du offensichtlich an den falschen Punkt gelegt.
Es soll vermutlich an das Gate von T41A, und mit T41A willst du das 
Reset-Signal invertieren (also low-aktiv).
Dann sollte aber auch C47 an GND und R50 an 5V_in.

Was für ein FET ist T41A/B?


Ich meine, prinzipiell kann man ja auch darüber nachdenken, ob man diese 
Abschaltung überhaupt braucht. 10mA bei 5V (50mW) richten ja vermutlich 
auch dauerhaft keinen Schaden an...

[Max G. (l0wside)]

Hallo Joe,

CURM_OUT2 ist ein Ausgang, mit dem ich zurücklese, ob die Abschaltung 
zugeschlagen hat.

Im Grunde würde es aber auch reichen, auf die Abschaltung zu verzichten 
und das über den uC zu erledigen. Schaden entsteht tatsächlich keiner, 
nur ggf. Datensalat.

T41 ist ein NX3008, Schwellspannung 1V.

Gruß,

Max

[Joe F. (easylife)]

Also im Augenblick verhinderst du mit T41A, C47 und R50, dass die 
Abschaltung aktiviert werden kann.
T41A ist dauerhaft leitend und zieht das Gate von T41B dauerhaft nach 
oben, so dass die Abschaltung durch T41B nicht mehr stattfindet.

Mir ist nicht klar, was du erreichen möchtest.
Wenn du kein Signal zum (automatischen) Resetten des abgeschalteten 
Zustandes hast und die Abschaltung aktiviert wird, dann musst du im 
Überstrom-Fall die 5V_in (von Hand?) abschalten, damit die Schaltung 
zurückgesetzt wird.

Um die Abschaltung zu aktivieren müsstest du einfach nur T41A entfernen.
Damit sind dann auch C47, R50 und R49 überflüssig.

Zum Testen kann man auch einfach R49 rausnehmen um sich Lötarbeit zu 
sparen.

Es könnte sein, dass die Abschaltung ein wenig zu früh (bei weniger als 
10mA) einsetzt, da der NX3008 eine kleinere V_GSth hat als der BSS84.
In diesem Fall setzt du noch einen Widerstand parallel zu C49 (so im 
Bereich von 47K...220K vermutlich).

[Max G. (l0wside)]

In der Tat, da habe ich mich schon intelligenter angestellt. Kann mich 
nur selbstkritisch auf Bob Widlar beziehen: 
http://theamphour.com/wp-content/uploads/2011/03/bob_widlar_digital-689x1024.jpg

Wenn ich C47 und R50 vertausche, sieht es in der Simulation deutlich 
sinnvoller aus. Getestet habe ich es noch nicht, hoffentlich schaffe ich 
es morgen an den Lötkolben.

Simulationsdateien anbei: meine Eagle-Schaltung als -v2.asc, mit C47 und 
R50 vertauscht als -v3.asc.

Gruß und Frohe Ostern,

Max

[Max G. (l0wside)]

Nach Umlöten C47/R50 noch mal getestet. Das sieht gut aus. Den 
Kurzschluss habe ich mit einer Pinzette erzeugt, deswegen sind es in der 
Begrenzungsphase auch nur ein paar mV. Die Schaltung macht aber 
zuverlässig aus (und nach Zyklen der Versorgungsspannung auch wieder 
an). C47/R50 müssten 100nF/10k sein.

Vielen Dank!

Max

[Joe F. (easylife)]

Max G. schrieb:
> C47/R50 müssten 100nF/10k sein.

Könnte auch 1nF, 47K oder 100n/1K sein, total egal. Hauptsache der T41A 
wird nicht leitend.

Wie gesagt, C47, R50, R49 und T41A sind in diesem Fall komplett 
überflüssig.
Das Reset-Signal ist nicht als Power-on-Reset gedacht, sondern um den 
abgeschalteten Zustand zu resetten (in den Zustand "Strombegrenzung").
Da dir aber das nötige Reset-Signal eh fehlt, kannst du auf diesen 
Schaltungsteil komplett verzichten.

[Max G. (l0wside)]

Bob Widlar hatte ich ja schon zitiert...danke. Ich hatte dich beim 
ersten Mal falsch verstanden und war davon ausgegangen, dass die nur in 
meiner ursprünglichen Beschaltung unnötig seien. Sorry.

Spricht was dagegen, T41B durch einen PNP zu ersetzen? Dann ließe sich 
das elegant mit zwei doppelten BC857 erschlagen. Die Simulation sagt 
(nachvollziehbarerweise), dass dann C49 deutlich größer ausfallen 
sollte, 680nF könnten passen.

[Joe F. (easylife)]

Max G. schrieb:
> Spricht was dagegen, T41B durch einen PNP zu ersetzen? Dann ließe sich
> das elegant mit zwei doppelten BC857 erschlagen. Die Simulation sagt
> (nachvollziehbarerweise), dass dann C49 deutlich größer ausfallen
> sollte, 680nF könnten passen.

Keine gute Idee. Der FET wird hier als eine Art Spannungskomparator 
eingesetzt, und hier möchte man keine allzu geringe Gatespannung haben. 
Der FET hat auch die schöne Eigenschaft, dass aus dem Gate kein Strom 
herauskommt (im Gegensatz zum PNP).
Man kann es vermutlich mit schlechteren Eigenschaften auf einen PNP 
umstricken, eleganter wird es dadurch aber nicht, da der Transistor 
schon deutlich früher leitend wird.
Der C49 ist drin, um bei kurzzeitigen Lastspitzen nicht sofort 
abzuschalten. Inwieweit ein 680nF im Zusammenspiel mit einem PNP helfen 
soll erschließt sich mir nicht. Man müsste eher einen Widerstand 
parallel zu C49 legen.

Aber wie gesagt: lass' mal lieber so mit dem einen Transistor mehr. Und 
ein BSS84 statt des NX3008 wäre eigentlich günstiger.