Hallo Leute,
ich entwerfe gerade einen Schaltregler, der in einem Sensor von einem
LKW seinen Einsatz finden wird. (Eckdaten 5V, max 100mA)
Probleme bereitet mir aber die Eingangsspannung bzw die Kenndaten der
TVS Supressordiode.
Folgendes Problem habe ich:
Der Kunde gibt eine Nennspannung von 9-32V DC vor. Bedeutet also, die
Stand-Off-Spannung der TVS-Diode muss schon mal über 32V liegen, damit
diese nicht dauernd Strom führt.
Schaue ich jetzt mir z.B. das Datenblatt der TPSMA Serie von Vishay an,
würde ich eine Diode mit einer Stand-off-Spannung von ca 33V
wählen(TPSMA39A).
Die Breakdown-Spannung würde hier schon zwischen 37,1 und 41,0Volt
liegen und die Clampingspannung bei 53,9Volt.
Bedeutet also, der Schaltregler müsste eine Eingangsspannung von 54Volt
im Fehlerfall verkraften.
Habe ich bis hier hin richtig gedacht?
Nutzen wollte ich erst den LM2840Y-Q1 von Texas, dieser kann aber
maximal 42V ab.
Wäre dann die Folgerung daraus, z.B. auf den LM5165X-Q1 umzusteigen
(Vinmax=65V)?
Gruß und Danke,
Johannes
Karls Q. schrieb:> Habe ich bis hier hin richtig gedacht?
Ja.
> Nutzen wollte ich erst den LM2840Y-Q1 von Texas, dieser kann aber> maximal 42V ab.> Wäre dann die Folgerung daraus, z.B. auf den LM5165X-Q1 umzusteigen> (Vinmax=65V)?
Auch ja! Für 24V-Systeme solltest du nicht erst über die
42V-Ausführungen nachdenken ...
Aber auch eine LC-Kombination am Spannungseingang mit größeren Cs
reduzieren dir die Überspannungen nach ISO schon erheblich. Ich bin
damit immer ohne TVS ausgekommen.
@Karls Quell (karlsquell)
>Der Kunde gibt eine Nennspannung von 9-32V DC vor. Bedeutet also, die>Stand-Off-Spannung der TVS-Diode muss schon mal über 32V liegen, damit>diese nicht dauernd Strom führt.>Schaue ich jetzt mir z.B. das Datenblatt der TPSMA Serie von Vishay an,>würde ich eine Diode mit einer Stand-off-Spannung von ca 33V>wählen(TPSMA39A).
Niemals. Schau dir mal an, welche Seuche auf Bordnetzen zu finden ist
und welche Überspannungen sowas aushalten muss.
http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.23>Die Breakdown-Spannung würde hier schon zwischen 37,1 und 41,0Volt>liegen und die Clampingspannung bei 53,9Volt.>Bedeutet also, der Schaltregler müsste eine Eingangsspannung von 54Volt>im Fehlerfall verkraften.
Ja. Praktisch eher mehr.
>Nutzen wollte ich erst den LM2840Y-Q1 von Texas, dieser kann aber>maximal 42V ab.
Reicht nicht.
>Wäre dann die Folgerung daraus, z.B. auf den LM5165X-Q1 umzusteigen>(Vinmax=65V)?
Auch das wird eher knapp.
Falk B. schrieb:>>Wäre dann die Folgerung daraus, z.B. auf den LM5165X-Q1 umzusteigen>>(Vinmax=65V)?>> Auch das wird eher knapp.
Bei 12V KFZ geht man von 60V Lastabwurf für (ich glaube) 150ms aus, beim
LKW dann 120V für 300ms? Oder wie ist das modelliert?
Imho ist ein 65V IC in Ordnung, wenn man drumherum noch
Reihenwiderstand, Z-Diode und ESD-Kondensator vorsieht. Muss man halt
rechnen wie viel Ladung am Konverter ankommen kann usw.
Wenn der Regler nur 65V aushält, muss man halt Abstriche bei
Wirkungsgrad und/oder Menge an Drumherum-Bauteilen machen. Kleiner
Reihenwiderstand aber dafür dicke Z-Diode und dicker Keramikkondensator
oder andersherum.
Alternative ist natürlich, nen Schaltregler direkt selbst zu bauen und
den nicht direkt aus der Eingangsspannung zu versorgen. Dann hängt nur
der Eingangs-FET direkt an der Versorgung und den kann man ja auf 200V
auslegen.
Schon mal danke für die Tips.
Ich tue mich da unwahrscheinlich schwer, eine saubere Lösung zu finden,
da ich noch keinerlei Kontakt mit dieser Materie gehabt hatte.
Dummerweise ist auch nur sehr sehr wenig Platz vorhanden, sodass man die
Holzhammermethode auch nicht anwendbar ist.
Was bedeutet kleiner Reihenwiderstand? 1 Ohm? 10 Ohm? 20 Ohm?
Ist es richtig, dass man hier wegen der Belastbarkeit auf die
Melf-Bauform zurückgreift, als auf die üblichen SMD Bauformen?
Gruß
Johannes
Karls Q. schrieb:> Dummerweise ist auch nur sehr sehr wenig Platz vorhanden,
Im LKW? Erzähl das niemandem.
Karls Q. schrieb:> Schaue ich jetzt mir z.B. das Datenblatt der TPSMA Serie von Vishay an,> würde ich eine Diode mit einer Stand-off-Spannung von ca 33V> wählen(TPSMA39A).
Spielzeug, das reicht vielleicht als ESD-Schutz an I/O-Leitungen aber
nicht an der Versorgung. Die läßt Du besser weg. (machen beim ersten
Puls einen halblebigen Kurzschluß).
Richtige Dioden sehen so aus:
http://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/datasheet/67/34/b5/f8/23/2c/46/6e/DM00122355.pdf/files/DM00122355.pdf/jcr:content/translations/en.DM00122355.pdfKarls Q. schrieb:> Nutzen wollte ich erst den LM2840Y-Q1 von Texas, dieser kann aber> maximal 42V ab.
werde Dir erst mal über die Anforderungen klar: 42V ist noch "normaler"
Betriebsspannungsbereich (Jump-Start für bis zu 2 Minuten). Ansonsten
bei defekter Batterie/Laderegler bis 32 oder 36V
THOR schrieb:> Bei 12V KFZ geht man von 60V Lastabwurf für (ich glaube) 150ms aus, beim> LKW dann 120V für 300ms? Oder wie ist das modelliert?
Das hängt sehr stark vom Zentralschutz in der Lichtmaschine ab.
Ohne Zentralschutz sind es beim PKW schon 100V. Mit Zentralschutz
zwischen 45 und ca. 60V je nach Hersteller. Im 24V-Netz entsprechend
mehr.
Ford hat seine Anforderungen im Netz:
http://www.fordemc.com/docs/download/FMC1278.pdf
Es gibt auch Spannungsregler (für unkritische Systeme) die bei
Überspannung abschalten oder einen Vor-Regler ("Hauptrelais")
deaktivieren.
Gruß Anja
Karls Q. schrieb:> Was bedeutet kleiner Reihenwiderstand? 1 Ohm? 10 Ohm? 20 Ohm?> Ist es richtig, dass man hier wegen der Belastbarkeit auf die> Melf-Bauform zurückgreift, als auf die üblichen SMD Bauformen?
Du wirst sowieso eine Drossel brauchen (Funkstörspannung) die einen
Innenwiderstand hat. Dann noch eine darauf abgestimmte Schutzdiode oder
Varistor ..., dann klappts vielleicht auch mit dem 65V-Regler.
Gruß Anja
Der Kunde spezifiziert das KFZ-Netzteil schon sehr gutmütig. Ein
Problemfall ist daß beim Anlassen die Spannung für mehrere Millisekunden
auf 3V sinken darf. Das mußt du abfangen bzw deinen Regler darauf
härten. KFZ ist das power supply from hell.
Michael X. schrieb:> ist daß beim Anlassen die Spannung für mehrere Millisekunden> auf 3V sinken darf.
12 KFZ hat cold crank cycle in Pulsen (In Frequenz der Anlasserdrehzahl)
runter auf 6V (das ist schon Leistungsanpassung Batterie-Anlasser, also
sehr ungünstig). 3V hab ich noch nie gehört.
Ergo sind 5V auch beim Kaltstart möglich, besonders beim 24V LKW.
Anja schrieb:> Karls Q. schrieb:>> Was bedeutet kleiner Reihenwiderstand? 1 Ohm? 10 Ohm? 20 Ohm?
So berechnen, dass bei maximaler Eingangsspannung der maximale Strom
über deine Z-Diode fließt. Kompromiss Schutzwirkung/Wirkungsgrad. Wie
groß der ist, kommt auf die Diode an.
Ganz klein wird der Widerstand, wenn man den Stromverbrauch von
Regler+Sensor noch mit einbezieht...dann isses aber komplett auf Kante
genäht.
THOR schrieb:> Anja schrieb:>> Karls Q. schrieb:>>> Was bedeutet kleiner Reihenwiderstand? 1 Ohm? 10 Ohm? 20 Ohm?>> So berechnen, dass bei maximaler Eingangsspannung der maximale Strom> über deine Z-Diode fließt. Kompromiss Schutzwirkung/Wirkungsgrad. Wie> groß der ist, kommt auf die Diode an.> Ganz klein wird der Widerstand, wenn man den Stromverbrauch von> Regler+Sensor noch mit einbezieht...dann isses aber komplett auf Kante> genäht.
Eigentlich Kompromiss Schutzwirkung/Wirkungsgrad/Bauteilkosten. Siehe
Regel 7a:
https://www.ietf.org/rfc/rfc1925.txt
Wenn du die Z-Diode sehr groß machst und die auch ausreichend kühlst,
kann der Reihenwiderstand sehr klein werden.
Anja schrieb:> Das hängt sehr stark vom Zentralschutz in der Lichtmaschine ab.> Ohne Zentralschutz sind es beim PKW schon 100V.
Ja, aber nicht wie der Lastabwurf für über 100ms sondern deutlich
kürzer. Aber stimmt, an den Zentralschutz hatte ich nicht gedacht.
Hallo Leute,
schon mal vielen Dank an alle.
Ich merke, es gibt da wohl mehrere Wegen zum Erfolg.
Im Anhang habe ich mal meine bisherige Schaltung angehängt, die ja so
von der Bauteildimensionierung nicht ausreicht.
Was ich jetzt aus den Beiträge mitgenommen habe, gibt es folgende
Schutzmöglichkeiten, bzw Kombinationen aus den Möglichkeiten.
-TVS-Diode
-LC Kombination
-Varistor
-Z-Diode
-Reihenwiderstand
-Sicherung
Jetzt wird sehr oft von Z-Dioden gesprochen, die wohl auch erfolgreich
eingesetzt werden. Bisher habe ich allerdings immer gelesen, dass die
TVS-Dioden besser geeignet sind, weil sie schneller sind.
Würde die Z-Diode dann Anstelle der TVS-Diode genommen in Kombination
mit einem Serienwiderstand direkt hinter der Verpolungsschutz-Diode?
Auf eine Sicherung würde ich gerne verzichten, da ein Austausch nicht
möglich ist.
Ist die Anordnung der Bauteile wie im Schaltplan überhaupt sinnvoll?
THOR schrieb:> Wenn du die Z-Diode sehr groß machst und die auch ausreichend kühlst,> kann der Reihenwiderstand sehr klein werden.
Damit ist sicherlich die Bauform und nicht die Nennspannung der Diode
gemeint?!
Gruß
Johannes
Karls Q. schrieb:> Jetzt wird sehr oft von Z-Dioden gesprochen, die wohl auch erfolgreich> eingesetzt werden. Bisher habe ich allerdings immer gelesen, dass die> TVS-Dioden besser geeignet sind, weil sie schneller sind.
Geht beides. Wenn ich Z-Diode sage, meine ich die TVS auch mit.
Karls Q. schrieb:> Würde die Z-Diode dann Anstelle der TVS-Diode genommen in Kombination> mit einem Serienwiderstand direkt hinter der Verpolungsschutz-Diode?
Auch die TVS braucht nen Reihenwiderstand. So wie du das gerade gebaut
hast, fließt ein fast unbegrenzt hoher Strom über D2 und D3. Die haben
natürlich ein paar Ohm Widerstand und die 10uF fangen auch noch was ab,
aber wenn die Überspannung mal etwas länger als 20ms anliegt brutzeln
die Dioden zügig durch.
So als Beispielrechnung: D2+D3 haben ca. 28V Flussspannung und 2 Ohm
Widerstand, es kommt ein Lastabwurf mit 80V für 200ms: I = 80-28V/2Ohm =
26A (!); P = I*U = 26 * 28 = 728W (!!). Peng.
Abhilfe: Diode aussuchen, im Datenblatt nach maximaler Verlustleistung
und maximaler Kurzzeitleistung suchen, Reihenwiderstand so
dimensionieren dass man da nicht drankommt.
Karls Q. schrieb:> Auf eine Sicherung würde ich gerne verzichten, da ein Austausch nicht> möglich ist.
Kann man machen. Aber eine Einlötsicherung schützt dir im Zweifelsfall
den Regler sodass das Gerät dann noch reparabel ist.
Karls Q. schrieb:> THOR schrieb:>> Wenn du die Z-Diode sehr groß machst und die auch ausreichend kühlst,>> kann der Reihenwiderstand sehr klein werden.>> Damit ist sicherlich die Bauform und nicht die Nennspannung der Diode> gemeint?!
Ja, Bauform/maximale Verlustleistung.
Karls Q. schrieb:> Ist die Anordnung der Bauteile wie im Schaltplan überhaupt sinnvoll?
Größtenteils schon, aber der LC-Tiefpass vorm Regler ist etwas doppelt
gemoppelt.
Wenn du beides verwenden willst, dann mach den LC nach vorn und den
100nF nah an den Regler zwecks ESD-Schutz. Ne Spule hat ne parasitäre
Kapazität, sehr kurze induktive Spikes schlagen da komplett durch.
Beispiel: Abschalten von induktiven Verbrauchern wie
Scheibenwischermotoren. Und dann kannst du einen großen Elko statt 2
kleinen nehmen. 22uF zum Beispiel.
Es würde aber auch reichen, Reihenwiderstand, Verpolschutzdiode und TVS
in Verbindung mit nem 47uF Elko und 100nF Kerko einzusetzen.
Wie gesagt, Kompromiss Schutzwirkung/Bauteilaufwand/Wirkungsgrad. Eine
Schaltung mit LC-Eingangsbeschaltung arbeitet fast verlustfrei während
der Reihenwiderstand natürlich ständig Verluste erzeugt.
Ich hatte mal gelesen, dass Elkos wegen ihrer Alterung nicht gerne in
KFZ-Systemen gesehen werden. Manache Hersteller verbieten wohl sogar
deren Einsatz.
Zu den Eingangsbauteilen:
C1: Eingangskondensator laut Schaltregler-Datenblatt
L2,C8: Filterkombination aus Würth AppNote
C7: Blockkondensator (Sollte wirklich weiter vor)
So bin ich auf diese Anordnung gekommen. In der Würth AppNote wurden
auch Elkos empfohlen.
So nun habe ich noch eine Rechnung für den Vorwiderstand bezüglich
minimale Speisespannung und minimale Eingangsspannung vom Schaltregler
berechnet.
Rvor=(Vin-Vreg)/Imax
Rvor=(9V-6V)/150mA
Rvor=20 ohm
Also darf der Vorwiderstand nicht größer wie 20 Ohm sein, sodass der
Regler auch noch bei minimaler Eingangspannung funktioniert.
Wenn ich jetzt eine TVS-Diode mit einer Stand-Off Spannung von 36V bzw
einer Clampingspannung von 57V nehme, komme ich auf folgenden Strom bzw
Leistung:
Lastabwurfspannung 24V-System: 150V
I=(150V-36V)/22Ohm=5,2A
Pdiode=5,2*36V= 187W
Pwiderstand= 600W!
Also brennt mir jetzt der Widerstand ab.
Ist die Rechnung so richtig angestellt?
Müsste ich also eine Balance zwischen Leistung am Widerstand und
Leistung an der Diode finden?
Wenn ich jetzt erst die Diode wähle, welche Leistung nehme ich da? Die
Dauerleistung ist ja immer recht klein und die Peakleistung gilt nur für
1ms. Leider gehen die Belastungsdiagramme auch nie bis zu 200ms
Impulsdauer.
Gruß
Johannes
Karls Q. schrieb:> Ist die Rechnung so richtig angestellt?
Ja.
Karls Q. schrieb:> Also brennt mir jetzt der Widerstand ab.
Nicht zwingend. Aber es ist schon viel, ja.
Karls Q. schrieb:> Müsste ich also eine Balance zwischen Leistung am Widerstand und> Leistung an der Diode finden?
Es ist gut möglich, dass es die praktisch nicht gibt. Du müsstest Diode
UND Widerstand extrem groß machen bzw. mehrere parallel schalten. Das
ist nur begrenzt sinnvoll.
Wenn du ganz an den Anfang, direkt hinter die Verpolschutzdiode deinen
LC-Tiefpass setzt, kann der Strom gar nicht so hoch werden, sofern die
Spule genug Induktivität hat. Auf Sättigungsstrom achten.
Das wird allerdings von Hand dann schwierig zu rechnen, ich würde ein
Simulationsprogramm einsetzen.
Für so Kleinigkeiten reicht das hier: www.falstadt.com/circuit
Eine weitere Möglichkeit ist natürlich, nen dicken PNP mit
Stromgegenkopplung als Highside-Strombegrenzer zu verbauen statt dem
Widerstand. Den stellst du auf 200mA ein, die TVS muss dann auch nur
200mA Peakstrom können. Bei normaler Betriebsspannung ist der mehr oder
weniger in Sättigung, bei zu hoher Betriebsspannung fließt ein größerer
Strom und der Transistor beginnt zu sperren.
Karls Q. schrieb:> Ich hatte mal gelesen, dass Elkos wegen ihrer Alterung nicht gerne in> KFZ-Systemen gesehen werden. Manache Hersteller verbieten wohl sogar> deren Einsatz.
Stimmt beides, man hat Ausfallwahrscheinlichkeit und Lebensdauer
allerdings gut im Griff. Für nicht Sicherheitsrelevante Elektronik
benutzt man auch Elkos. Die haben gegenüber Dünnschicht-Keramik den
Vorteil, dass die Kapazität nicht so krass mit der Temperatur schwankt.
Son X7R kann über den gesamten Temperatur- und Spannungsbereich um 40%
schwanken, entwickle damit mal ein ABS Steuergerät. Fürn Handy geht
sowas, fürn Navi auch.
Die besser tolerierten Keramikkondensatoren sind dann auch wieder teuer.
Wäre diese Anordnung wie im Anhang zu sehen besser?
Zur Dimensionierung:
-Wie lege ich den LC-Kreis aus? Beim Simulieren änderte sich der Strom
bei der Veränderung der Induktivität nur in der Anstiegszeit, nach ein
paar millisek. war er dann auch bei ca 5A. Muss dann auch der
Sättigungsstrom so hoch ausgelegt sein?
-Was nimmt man für eine Diode als Verpolungsschutz? Reicht da ne
einfache Gleichrichterdiode wie die 1n4004 oder muss es was schnelleres
sein?
- Welche Bauform wählt man bei dem Serienwiderstand? Normale SMD,
Melf,..? Wie legt man hier die Leistung fest, da der Strom ja nur
kurzzeitig anliegt.
Dieses Thema ist echt die Hölle für mich.
Gruß
Johannes
Karls Q. schrieb:> Ja da habe ich wieder deinen Link erwischt.> Ich meine:> http://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=...>> sorry
Geht, der 10 Ohm Widerstand stellt jetzt aber keine Stromgegenkopplung
mehr dar. Die Qualität der Schaltung ist daher etwas schlechter.
Hinter dem LC Filter entstehen knappe 300V infolge der
Resonanzüberhöhung. Da müssen die Bauteile in jedem Fall für gewachsen
sein. Mit nem R in Reihe zum L lässt sich das etwas dämpfen (bzw. die
Spule hat ja auch selbst schon nen Widerstand).
So, dann nehme ich deinen Vorschlag. Vielen Dank für die Hilfe!!
Ich denke, da habe ich jetzt eine solide Lösung.
Noch eine Frage:
Ist es egal, ob ich da eine Z-Diode oder eine TVS-Diode einsetze?
Gruß
Karls Q. schrieb:> Ist es egal, ob ich da eine Z-Diode oder eine TVS-Diode einsetze?
Ja. Ne TVS hat vermutlich in dem Spannungsbereich nicht so ne
butterweiche Kennlinie wie ne normale Zd und ist daher vorzuziehen.
Bezüglich der auslegung der TVS Diode:
Die kann jetzt wesentlich kleiner ausfallen, da der Strom ja schon
begrenzt ist. Ist das richtig? Da würde also auch eine der SMBJ serie
(600W Peak) ausreichen?!
Gruß und Danke
Johannes
Karls Q. schrieb:> Die kann jetzt wesentlich kleiner ausfallen, da der Strom ja schon> begrenzt ist. Ist das richtig?
Ja, genau. Und beim Transistor kannst du im SOA Diagramm nachlesen
welche kurzzeitige Belastung er ab kann. Den musst du also auch nicht
auf 1A Dauerstrom auslegen, das kann generell auch ein BC640 oder was
ähnliches sein.
So wie ich das in den SOA-Diagrammen sehe, darf der Strom kurzzeitig
meist höher als der Nennstrom sein, aber die maximale Spannung bleibt
auch bei kurzzeitiger Belastung gleich.
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