Strombegrenzung für 24V / 200mA

[Simon T. (narfinus)]

Hallo zusammen,

derzeit arbeite ich an einem Prüfsystem für eine Produktfamilie in R&D. 
Das  aktuelle Konzept sieht vor, das es einen 19 Zoll Rahmen mit 24V und 
5V Netzeil gibt und jede Produktklasse einen eigenen Einschub bekommt. 
Der Prüfling wird dann über Stecker an der Frontplatte des Einschubs 
adaptiert. Alle Daten gelangen per SPI über die Backplane zu einem 
Host-Controller-Einschub, der die Verbindung zum PC mit der Prüfsoftware 
herstellt.

Nun möchte ich die Versorungsspannung für die Prüflinge (24V) auf 200mA 
begrenzen, damit im Fehlerfall weder der Prüfling noch mein Einschub 
überlastet werden.

Folgende Ideen habe ich bereits durchgespielt:

1. 24V-Netzeil mit regelbarer Strombegrenzung -> Teuer und nicht 
zweckmäßig, da mehrere Einschübe gleichzeitig aktiv sein können, d.h. 
die Strombegrenzung muss auf jedem Einschub selbst implementiert sein.

2. Einfache Trasnsitor-Strombegrenzung (siehe Bild 1). Nachteil: 
Verlustleistung von ~24V*0,2A = 4,8W liegt im Fehlerfall über dem NPN 
an. Dazu kommt noch der verhältnismäßig hohe Spannungsabfall von min. 
0,7V. Da ich die Stromaufnahme des Prüflings bei 24V messen will, würde 
ich mir ca. 3% Messfehler reinholen. Dem könnte mit einer Erhöhung der 
Ausgangsspannung des Netzteils begegenet werden. Die meisten können bis 
26V getrimmt werden.

3. High Side Current Control mit OPV (Bild 2). Auch hier liegt die 
Verlustleistung am MOSFET an. Kennt jemand einen passenden OPV? Er muss 
24V am Ausgang liefern können.

4. Linear-Regler mit 24V Output (z.B. LT3013). Problem hierbei wieder 
die Verlustleistung im Fehlerfall.

5. Fallback current limiter: Darauf bin ich beim googlen gestoßen (siehe 
Bild 3). Bei Überschreitung des Maximalstroms wird die Spannung 
zurückgefahren, d.h. Verlustleistung sinkt.

6. Hot Swap ICs (z.b. LM5069). Die sind für den sanften Anlauf beim 
Hineinstecken der Einschübe in das Rack gedacht, haben aber auch 
Überstromschutz integriert.




Hat jemand eine Idee in welche Richtung ich weiter gehen sollte? 
Anforderungen / Rahmenbedingungen sind:

- 24V auf max. 200mA begrenzt.
- Möglicht geringe Dropout Voltage.
- Einzelanfertigung -> Preis (fast) egal.
- Händisch lötbar.

Grüße

[Stefan F. (Gast)]

> Hat jemand eine Idee in welche Richtung ich weiter gehen sollte?

Finde heraus, ob der Strom begrenzt oder abgeschaltet werden soll. Und 
wenn er abgeschaltet wird, wie wann und durch wen soll er wieder 
eingeschaltet werden?

Finde heraus, ob ein höherer Einschaltstrom toleriert werden soll und 
wie der genau aussieht (Höhe, Zeit, etc).

Finde heraus, mit welcher Charactersitik die Schutzschaltung ansprechen 
soll. Also nach welcher Zeit bei welcher Stromstärke.

Finde heraus, wie viel Zeit zwischen den Auslösungen besteht, wegen 
Abkühlphase.

Finde heraus, wie du das Ding kühlen kannst. Kommt z.B. ein Lüfte in 
frage?

Kurz gesagt: Trage die Anforderungen und Rahmenbedingungen zusammen.

[Parteipropaganda entlarvt (Gast)]

> Hat jemand eine Idee in welche Richtung ich weiter gehen sollte?
Optokoppler

[Possetitjel (Gast)]

Simon T. schrieb:

> Hat jemand eine Idee in welche Richtung ich weiter
> gehen sollte?

Warum fragst Du? Brauchst Du Schützenhilfe gegen Deinen
Chef?

[Falk B. (falk)]

@Simon T. (narfinus)

>Nun möchte ich die Versorungsspannung für die Prüflinge (24V) auf 200mA
>begrenzen, damit im Fehlerfall weder der Prüfling noch mein Einschub
>überlastet werden.

Einfacher Linearregler ala LM317 + Strombegrenzung, siehe Anhang. Oder 
gleich eine L200, der hat das eingebaut.

>2. Einfache Trasnsitor-Strombegrenzung (siehe Bild 1). Nachteil:
>Verlustleistung von ~24V*0,2A = 4,8W liegt im Fehlerfall über dem NPN
>an.

Aber nur dann.

> Dazu kommt noch der verhältnismäßig hohe Spannungsabfall von min.
>0,7V. Da ich die Stromaufnahme des Prüflings bei 24V messen will, würde
>ich mir ca. 3% Messfehler reinholen.

Die Strombegrenzung gehört VOR einen Spannungsregler bzs. ist in diesem 
integriert.

>4. Linear-Regler mit 24V Output (z.B. LT3013). Problem hierbei wieder
>die Verlustleistung im Fehlerfall.

So what!

>5. Fallback current limiter: Darauf bin ich beim googlen gestoßen (siehe
>Bild 3). Bei Überschreitung des Maximalstroms wird die Spannung
>zurückgefahren, d.h. Verlustleistung sinkt.

Nützt aber nix, denn der REGLER muss immer noch die Differenzspannung 
verbraten.

>- 24V auf max. 200mA begrenzt.
>- Möglicht geringe Dropout Voltage.

L200. Der braucht dann aber um die 26-28V am Eingang.

[OS (Gast)]

Du könntest auch so ein fertiges DC/DC Wandler Modul mit einstellbarer 
Strombegrenzung verwenden.

So was z.B.
http://www.ebay.de/itm/DC-DC-Step-Down-Voltage-Constant-Current-Buck-Regulator-CCCV-Module-5V-6V-12V-5A-/272794779120?hash=item3f83d5fdf0:g:clsAAOSwc1FXaOuU

Aber es gibt auch hier Nachteile, wenn Du 24 Volt am Ausgang brauchst, 
dann muss die Eingangsspannung schon höher sein z.B. 30 Volt.
Die Module haben auch noch den Nachteil, dass der Shunt Widerstand in 
der Minus Leitung ist.
Oder gleich eine Neue Schaltung entwerfen, mit einem SEPIC z.B.
Dann geht auch 24 Volt rein und 24 Volt raus.
Den Shunt in der Minus Leitung würde man auch noch nach Plus verlegen.

Ansonsten bleibt fast nur noch so eine Lösung mit dem FET un OP wie Du 
eingefügt hast. Habe gerade gesehen, die Gate Source Spannung kann in 
der Schaltung über 20 Volt sein, das mögen die meisten FETs nicht, das 
könnte man noch Nachbessern.

Ansonsten Verluste mit einem Linear Regler hast Du immer.
Aber wurde ja schon beschrieben.

[Possetitjel (Gast)]

Falk B. schrieb:

>>5. Fallback current limiter: Darauf bin ich beim googlen
>>gestoßen (siehe Bild 3). Bei Überschreitung des Maximalstroms
>>wird die Spannung zurückgefahren, d.h. Verlustleistung sinkt.
>
> Nützt aber nix,

Natürlich nützt das was.

Die Beschreibung ist nur falsch: Beim Überschreiten des
Maximalstromes wird der SollSTROM reduziert. Dadurch
sinken Spannung UND Strom (--> negativer differenzieller
Widerstand). "Kippmoment".

> denn der REGLER muss immer noch die Differenzspannung
> verbraten.

Stimmt - aber nicht beim vollen Strom. Die Verlustleistung
geht stark runter.

Nachteil: Zum Wiedereinschalten muss die Verbindung kurz
unterbrochen werden.

[Klaus (Gast)]

OS schrieb:
> So was z.B.
> Ebay-Artikel Nr. 272794779120

Das geht auch viel schöner mit Display und so

http://www.ebay.de/itm/50V5A-Einstellbare-Spannung-Regler-Step-Down-Stromversorgungsmodul-DPS5005TE682-/132107270226?hash=item1ec234f852:g:Zc4AAOSw32lYsQIE

Da gibts auch Modelle mit USB Schnittstelle zum PC. Dazu für alle eine 
gemeinsames Netzteil mit 30V oder mehr. Kann auch eins mit 48V sein wenn 
das günstiger ist.

MfG Klaus

[Parteipropaganda entlarvt (Gast)]

Von welchem maximalen Laststrom reden wir hier eigentlich? 250mA, 1A, 
10A ?
Wieso ist die Verlustleistung so wichtig ?

[Lurchi (Gast)]

Die Strombegrenzung sollte mit der Spannungsregelung kombiniert werden. 
24 V mal 200 mA sind rund 5 W (ggf. etwas mehr je nach 
Eingangsspannung). Das ist nicht so übermäßig viel. Einige 
Spannungsregler haben als Schutz auch eine thermische Begrenzung, d.h. 
wenn es zu heiß wird, wird der Strom dann reduziert.

Für weniger Verlustleistung wäre eine Foldback Variante sinnvoll. Da 
wird je nach tatsächlicher Ausgangsspannung das Stromlimit reduziert. 
Auch da gibt es noch verschiedene Optionen, je nachdem wie viel 
Verlustleistung man zulassen will.

Passende Spannungsregler mit anpassbarem Stromlimit gibt es einige, etwa 
L200, oder als low drop von LT.

[OS (Gast)]

Klaus schrieb:
> OS schrieb:
>> So was z.B.
>> Ebay-Artikel Nr. 272794779120
>
> Das geht auch viel schöner mit Display und so
>
> Ebay-Artikel Nr. 132107270226
>
> Da gibts auch Modelle mit USB Schnittstelle zum PC. Dazu für alle eine
> gemeinsames Netzteil mit 30V oder mehr. Kann auch eins mit 48V sein wenn
> das günstiger ist.
>
> MfG Klaus

Ja klar gehts auch schöner, zum 10 fachen Preis, aber das ist hier auch 
nicht ersichtlich, ob Display gebraucht wird, oder eben nur eine 
einfache Schaltung. Ich war mehr auf der einfachen Lösung wenn der TE 
mit solchen Grundschaltungen anfängt.

[Klaus (Gast)]

OS schrieb:
> Ja klar gehts auch schöner, zum 10 fachen Preis, aber das ist hier auch
> nicht ersichtlich, ob Display gebraucht wird, oder eben nur eine
> einfache Schaltung. Ich war mehr auf der einfachen Lösung wenn der TE
> mit solchen Grundschaltungen anfängt.

Hast schon recht.

Simon T. schrieb:
> Das  aktuelle Konzept sieht vor, das es einen 19 Zoll Rahmen mit 24V und
> 5V Netzeil gibt und jede Produktklasse einen eigenen Einschub bekommt.
> Der Prüfling wird dann über Stecker an der Frontplatte des Einschubs
> adaptiert. Alle Daten gelangen per SPI über die Backplane zu einem
> Host-Controller-Einschub, der die Verbindung zum PC mit der Prüfsoftware
> herstellt.

Aber bei Testgeräten ist ein Display oft "vertrauenswürdiger" als nur 
eine rot/grüne Lampe. Und selbst der 10 fache Preis ist bei den Preisen 
von 19" und "eigener Einschub" Peanuts. Anyway

MfG Klaus

[OS (Gast)]

Klaus schrieb:
> OS schrieb:
>> Ja klar gehts auch schöner, zum 10 fachen Preis, aber das ist hier auch
>> nicht ersichtlich, ob Display gebraucht wird, oder eben nur eine
>> einfache Schaltung. Ich war mehr auf der einfachen Lösung wenn der TE
>> mit solchen Grundschaltungen anfängt.
>
> H

>
> Aber bei Testgeräten ist ein Display oft "vertrauenswürdiger" als nur
> eine rot/grüne Lampe. Und selbst der 10 fache Preis ist bei den Preisen
> von 19" und "eigener Einschub" Peanuts. Anyway
>
> MfG Klaus

Ja möglich ist alles, ich kenne solche Aufbauten, war in einer Firma wo 
es Testsysteme mit Einschüben von Agilent und der gleichen,gab, da geht 
es um Preise im Bereich eines Mittelklasse Autos, war auch HF Technik, 
ist richtig teuer, wo auch mal ein Relais 1500€ kostet. Nur hier sind 
dafür zu wenig infos vorhanden.

[Gerd E. (robberknight)]

Simon T. schrieb:
> - Einzelanfertigung -> Preis (fast) egal.

Warum dann nicht für jeden Einschub ein eigenes, fernsteuerbares 
Labornetzteil verwenden?

Da gibst Du z.B. per LXI oder RS232 etc. beim Anschalten langsam 
steigende Spannungen vor und liest den gezogenen Strom aus. Wenn das 
nicht passt gehst Du sofort auf Fail.

Hinterher im Betrieb hast Du entweder ein Stromlimit oder gleich OCP 
programmiert und das Netzteil begrenzt oder schaltet ab. Immer hast Du 
von Deiner Steuersoftware aus die Kontrolle.

[Simon T. (narfinus)]

Danke euch für die Anregungen: Ich versuche sie mal etwas 
aufzuschlüsseln:

Strombegrenzung vor Spannungsstabilisierung:
 -> Schlecht umsetzbar, da das Netzteil eben alle Einschübe versorgen 
soll. Daher auch die zwingenden 24V-Versorgung.

Foldback-Variante: Würde wohl so funktionieren.

Einfacher Linearregler (L200). Dank Thermal Shutdown simpelste Lösung.

Fernsteuerbares Labornetzteil: Wieder das Problem, dass ein Netzteil für 
jeden Einschub nötig ist.

Vielleicht hab' ich mich auch etwas falsch ausgedrückt als ich schrieb, 
dass der Preis egal wäre. Dies bezog sich auf eventuelle ICs, nicht im 
Sinne das ich das komplette Rack mit Fertig-Hardware ausrüste ;) Die 
Endprüfung in der Produktion hat diese Lösung und fährt auch sehr gut 
damit. Für die R&D stellen sich allerdings andere Anforderungen 
(insbesondere Kompatibilität mit bestimmten Entwicklungstools), daher 
die Eigenentwicklung.


Danke euch allen für das Feedback!

[der schreckliche Sven (Gast)]

Simon T. schrieb:
> Nun möchte ich die Versorungsspannung für die Prüflinge (24V) auf 200mA
> begrenzen, damit im Fehlerfall weder der Prüfling noch mein Einschub
> überlastet werden.

"Im Fehlerfall" wird doch die Prüfung in der Regel abgebrochen, oder?
Sind da 5Watt für kurze Zeit (und nur im Fehlerfall) nicht schnurz?

[Gerd E. (robberknight)]

Simon T. schrieb:
> Fernsteuerbares Labornetzteil: Wieder das Problem, dass ein Netzteil für
> jeden Einschub nötig ist.

Kannst Du festlegen, daß nur n Einschübe gleichzeitig aktiv sein dürfen, 
mit n < der Gesamtzahl der Einschübe?

Dann könntest Du n Labornetzteile verwenden und die mit einer 
Relaismatrix auf die gerade aktiven Einschübe schalten.

> Vielleicht hab' ich mich auch etwas falsch ausgedrückt als ich schrieb,
> dass der Preis egal wäre. Dies bezog sich auf eventuelle ICs, nicht im
> Sinne das ich das komplette Rack mit Fertig-Hardware ausrüste

Nu denn.

Ich werf mal noch die LT3055 und LT3065 in den Ring. Die haben ein 
einstellbares Stromlimit. Der LT3055 auch noch einen 
Current-Mirror-Output mit dem man so Dinge wie Foldback oder ähnliches 
leicht umsetzen kann.

Wenn die nicht gefallen, vielleicht selbst nochmal ein wenig durch den 
Linar-Katalog stöbern.

[Parteipropaganda entlarvt (Gast)]

> Einfacher Linearregler (L200). Dank Thermal Shutdown simpelste Lösung.
der braucht (wenn ich Falk mal glauben darf) aber 26 bis 28V am Eingang, 
also Frickellösung

> Fernsteuerbares Labornetzteil: Wieder das Problem, dass ein Netzteil für
> jeden Einschub nötig ist.
Frage: Ist Sicherheit auch ein Aspekt bei dem Projekt oder spielt die 
keine Rolle? Ansonsten wäre das die Lösung.

> Die Endprüfung in der Produktion hat diese Lösung und fährt auch sehr gut
> damit.
okay, verstehe.

[Lurchi (Gast)]

Von der Funktion her ist der LT3055 passend. Die Bauform ist ggf. nicht 
Jedermanns Ding zum löten von Hand.

Je nach Lötfähigkeiten dann ggf. den größeren LT3086. Da wären ggf. auch 
5 W auf Dauer kein Problem.