Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannungsbegrenzung mit Z-Diode und PNP


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von Sepp V. (seppde)


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Servus,
Könnte angehängte Schaltung eingesetzt werden um Strom von einem 
Nabendynamo auf ~5V USB zu begrenzen? Prinzip des Minimalladers, bloß 
bin ich mir bei der Umsetzung der Power-Zener Diode mangels einer 
Leistungsdiode unsicher.

Theoretisch vielleicht schon? Könnten Bauteiltoleranzen ein Problem 
sein?
LG Sepp

Edit: Die Z-Diode würde ich ne 4V3 nehmen und der Widerstand ist nur 
dort, weil ich schätze, dass sonst der Strom bei Überspannung auch 
einfach durch die Basis gehen würde

: Bearbeitet durch User
von Sven S. (schrecklicher_sven)


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Diese Schaltung hätte den Nachteil, daß immer Energie einfach verheizt 
wird. Ein Längsregler wäre im Vorteil.

von MaWin (Gast)


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Sepp V. schrieb:
> Die Z-Diode würde ich ne 4V3 nehmen

Kann man so machen, aber die Spannung wird nicht besonders genau. Aber 
dir ist schon klar, dass aus einem Dynamo Wechselspannung kommt und dir 
der Gleichrichter fehlt ? Ausserdem werden USB Geräte es nicht besonders 
mögen, wenn Strom ständig kommt und bei jedem Ampelstop geht. Zum 
Akku-Laden ist USB schlecht, dazwischen ist Lade-Elektronik unbekanntem 
Verhaltens, da lädt man Akkus lieber direkt.


Sven S. schrieb:
> Diese Schaltung hätte den Nachteil, daß immer Energie einfach
> verheizt wird. Ein Längsregler wäre im Vorteil.

Eher ein Kurzschlussregler, denn der Längsregler könnte je nach Dynamo 
durchaus mal 100V abbekommen und arbeitet an einem negativen Widerstand 
als Quelle.

von Sven S. (schrecklicher_sven)


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Sepp V. schrieb:
> sonst der Strom bei Überspannung auch
> einfach durch die Basis gehen würde

Wieso?
Wenn Basisstrom fließt, fließt auch Kollektorstrom, und ein weiteres 
Ansteigen des Basisstroms wird verhindert.
Der Widerstand in Serie zur Z-Diode kann die Regelung nur 
verschlechtern. Wenn, dann würde ich einen Widerstand zwischen Basis und 
Emitter einbauen, weil sich Z-Dioden bei sehr geringem Strom manchmal 
etwas seltsam verhalten.

von Falk B. (falk)


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von Georg M. (g_m)


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Sepp V. schrieb:
> Könnte angehängte Schaltung eingesetzt werden um Strom von einem
> Nabendynamo auf ~5V USB zu begrenzen? Prinzip des Minimalladers

Theoretisch ja, praktisch unpraktisch.

Für nur 149 Franken gibt es was fertiges:

https://www.veloflicki.ch/zubehoer/sinewave-cycles-revolution/

von Germann P. (mattann)


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Anbei eine etwas komplexere Schaltung, aber erprobt. Zenerdiode wird 
wohl am Besten eine 4V3 sein.

von wer (Gast)


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Ich würde noch eine Polyfuse verbauen, für den Extremfall dass z.B. bei 
längerer schneller Bergabfahrt der Dynamo so viel produziert, dass es 
dem T zu heiß wird.

Lieber einige Minuten Ladeunterbrechung als Überspannung am USB.

4V3+0,7V Basisspannung passt schon, auf 0,2V mehr oder weniger kommt's 
ja nicht an.



Alternativ Zenerspannung deutlich höher wählen (z.B. 30V) und dahinter 
einen Buckconverter auf 5V verbauen.

von min (Gast)


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Der Dynamo produziert Wechselstrom. Da fehlt noch ein Gleichrichter am 
Eingang der Schaltung.

von 2 Cent (Gast)


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MaWin schrieb:
> Sven S. schrieb:
>> Diese Schaltung hätte den Nachteil, daß immer Energie einfach
>> verheizt wird. Ein Längsregler wäre im Vorteil.
>
> Eher ein Kurzschlussregler, denn der Längsregler könnte je nach Dynamo
> durchaus mal 100V abbekommen und arbeitet an einem negativen Widerstand
> als Quelle.
Best of both worlds:
Brückengleichrichter, spannungsfester fetter Elko, als Last der 
angesprochene "Längsregler", viel bessre noch ein Schaltregler für die 
geforderten 5V, und den Kurzschlussregler nur zur Spannungsbegrenzung 
auf die maximal zulässige Eingangsspannung des "Längsreglers". Hohe 
Spannungen werden sowieso nur bei Lastfall Last=0 erreicht.

von MaWin (Gast)


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2 Cent schrieb:
> viel bessre noch ein Schaltregler

Warum kommt immer so ein Unsinn. Ein Fahrraddynamo ist eine Stromquelle, 
normale step down Schaltregler kommen damit nicht zurecht.

von TL431-Fan (Gast)


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Mit dem bewährten TL431 lässt sich ein Längsregler mit nur wenigen 
Bauteilen aufbauen:
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl431.pdf?ts=1593017815813&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F

Schaltung siehe Figure33.

Vorteil: Billig, einfach und präzise, verheizt keinen Strom im Leerlauf.

von 2 Cent (Gast)


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MaWin schrieb:
> 2 Cent schrieb:
>> viel bessre noch ein Schaltregler
>
> Warum kommt immer so ein Unsinn. Ein Fahrraddynamo ist eine Stromquelle,
-Nein, nicht wirklich.

> normale step down Schaltregler kommen damit nicht zurecht.
Bitte:
-Lesen.
-Verstehen.
-Richtig zitieren. Zusammenhang beachten.

von Elektrofurz (Gast)


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TL431-Fan schrieb im Beitrag #6315331:
> verheizt keinen Strom im Leerlauf.

Doch, auch im Leerlauf.

von TL431-Fan (Gast)


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Elektrofurz schrieb:
> TL431-Fan schrieb im Beitrag #6315331:
>> verheizt keinen Strom im Leerlauf.
>
> Doch, auch im Leerlauf.

Spalt-N spaltet zuverlässig jedes Haar!

Gemeint ist natürlich, dass nicht soviel Energie verbrannt wird, bis die 
Spannung auf den Sollwert zusammenbricht.

99% allen Lesern war das sofort klar. Aber nicht jede Kerze brennt 
hell...

von Manfred (Gast)


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Sven S. schrieb:
> Diese Schaltung hätte den Nachteil, daß immer Energie
> einfach verheizt wird.

Prinzip des Shuntreglers: Es wird nur verheizt, wenn die Spannung 
oberhalb ist.

> Ein Längsregler wäre im Vorteil.

Da hat jemand etwas nicht verstanden: Ein Längsregler hat in jedem 
Betriebszustand Verluste und ist hier nicht sinnvoll.

Bitte, Herr, wirf Grundlagenwissen vom Himmel!

Zum Nachdenken:
MaWin schrieb:
> Ein Fahrraddynamo ist eine *Stromquelle*

von batman (Gast)


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Naja im Prinzip verheizt der Längsregler auch nur, wenn die Spannung 
"oberhalb" ist.

von Sven S. (schrecklicher_sven)


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Manfred schrieb:
> Ein Längsregler hat in jedem
> Betriebszustand Verluste

Nur wenn der Verbraucher auch wirklich was verbraucht.

Manfred schrieb:
> Bitte, Herr, wirf Grundlagenwissen vom Himmel!

von Harald W. (wilhelms)


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Manfred schrieb:

> Bitte, Herr, wirf Grundlagenwissen vom Himmel!

Das hört sich irgendwie wie MaWin (der Echte) an. :-)

von Manfred (Gast)


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Sven S. schrieb:
>> Ein Längsregler hat in jedem
>> Betriebszustand Verluste
>
> Nur wenn der Verbraucher auch wirklich was verbraucht.

Datenblatt "Dropout", ein Längsregler hat in jedem Betriebszustand einen 
Spannungsabfall. Abhängig vom Typ kommt noch sein Querstrom (DB 
"Quiescent current") dazu.

Shuntregler habe ich schon vor 30 Jahren gestrickt, NPN plus Z-Diode, um 
den Leerlaufbetrieb gewisser Aufbauten zu schützen. Passend ausgelegt, 
sind die im Betriebsfall komplett leistungsfrei.

Harald W. schrieb:
>> Bitte, Herr, wirf Grundlagenwissen vom Himmel!
> Das hört sich irgendwie wie MaWin (der Echte) an. :-)

Danke, aber ich bin es nicht :-)

von Sepp V. (seppde)


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Ich glaub es wird eine 9v Leistungs-Z-Diode als Kurzschlussregelung und 
danach ein Linearregler 
https://www.conrad.de/de/p/stmicroelectronics-l7805cv-spannungsregler-linear-typ78-to-220ab-positiv-fest-5-v-1-5-179205.html

Würde mir gerne keine Gedanken machen müssen, wenn ich nichts 
angeschlossen hab am usb Port, aber der Dynamo trotzdem steckt. Der 
verlinkte Regler schaltet angeblich selbst bei zu hoher Temperatur ab 
und für die zenerdidode verbinde ich die mit einer rückstellenden 
temperatursicherung. Mehr als 5W sollten über der 9V z-Diode ja nicht 
anfallen, schätze ich.

Ich glaube, wenn was am usb Port steckt und tatsächlich Strom zieht ist 
es vielleicht bald egal, welchen Regleraufbau man benutzt...

von wer (Gast)


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Sepp V. schrieb:
> danach ein Linearregler
> 
https://www.conrad.de/de/p/stmicroelectronics-l7805cv-spannungsregler-linear-typ78-to-220ab-positiv-fest-5-v-1-5-179205.html

Grundsätzlich ok, aber da wäre ein LDO angebracht, sonst lädt unter ~7V 
Eingangsspannung garnichts.

von Sepp V. (seppde)


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irgendwie war das gestern Abend ne super Idee, aber Linearregler kommt 
jetzt nach einmal drüber schlafen eigentlich doch nicht in Frage... 
selbst bei LDO Modellen wird man nicht >90% Effizienz haben.

Da ich den Minimallader mit der 5V Z-Diode in Betrieb hatte und da top 
zufrieden bin, wird es vielleicht auch einfach eine 5-fach 
Serienschaltung von 1V (Ptot 1W) Z-Dioden tun.

von TL431-Fan (Gast)


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Sepp V. schrieb:
> Da ich den Minimallader mit der 5V Z-Diode in Betrieb hatte und da top
> zufrieden bin, wird es vielleicht auch einfach eine 5-fach
> Serienschaltung von 1V (Ptot 1W) Z-Dioden tun.

Und das hat >90% Wirkungsgrad?
Wie kommst du denn auf dieses dünne Brett?
Das hat beides den exakt gleichen Wirkungsgrad. Der Shuntregler verbrät 
den Strom im Generator, der Linearregler im Transistor. Identisch.

Willst du einen höheren Wirkungsgrad, ist ein Schaltregler nötig. Gibt 
es. Dort sollte man einen verwenden, der ein sehr hohes Tastverhältnis 
kann, ideal ist einer, der bis 100% kann. Das Tastverhältnis bestimmt 
das Verhältnis Eingangsspannung zu Ausgangsspannung.

von Sepp V. (seppde)


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TL431-Fan schrieb im Beitrag #6315826:
> Und das hat >90% Wirkungsgrad?

Halte ich nicht für unmöglich.

von wer (Gast)


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Sepp V. schrieb:
> selbst bei LDO Modellen wird man nicht >90% Effizienz haben.

LDO oder nicht hat hier nichts mit der Effizienz zu tun.

Du willst die überschüssige Spannung bei einem gegebenen Strom 
"verheizen", damit ist die Effizienz schon fix, egal wie du das machst.

Effizienter wird es nur, wenn du stattdessen das zuviel an Spannung 
nutzt um den verfügbaren Strom zu erhöhen.

Das geht nur mit einem Schaltregler.

von Harald W. (wilhelms)


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wer schrieb:

> Effizienter wird es nur, wenn du stattdessen das zuviel an Spannung
> nutzt um den verfügbaren Strom zu erhöhen.
>
> Das geht nur mit einem Schaltregler.

...und bei Anschluss an einem Dynamo nur mit einem speziellen
MPPT-Regler.

von Sepp V. (seppde)


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Sven S. schrieb:
> Diese Schaltung hätte den Nachteil, daß immer Energie einfach verheizt
> wird. Ein Längsregler wäre im Vorteil.

Das hat sich als richtig heraus gestellt. Hab es einmal aufgebaut, auch 
2% geladen auf knapp einem km aber der Transistor wurde trotzdem seehr 
warm.

von batman (Gast)


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Ein linearer Längsregler wird auch heiß werden. Prinzip 
Kurzschluß-/Thyristor-Shuntregler könnte es bringen aber bei der 
Spannung schwierig.

von Sepp V. (seppde)


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Um es mal noch abzuschließen: Die Schaltung aus dem ersten Post 
erweitert um einen Parallelwiderstand 510Ohm, der den Z-Dioden 
Sperrstrom liefern sollte (dass dieser nicht durch den Transistor 
fließen muss) hat mäßig gut funktioniert:
Handy ließ sich laden, aller 5-10min musste ich den ganzen apparat vom 
Dynamo abstecken, weil doch bisschen Strom in den Transistor geflossen 
ist, der sich infolge dessen erwärmt hat und die notwendige BE-Spannung 
gesunken ist (also noch mehr Strom "verheizt" wurde)
Hat aber für meine Zwecke funktioniert.
Gruß

: Bearbeitet durch User
von wer (Gast)


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Sepp V. schrieb:
> weil doch bisschen Strom in den Transistor geflossen
> ist

Na, das ist ja auch die Funktionsweise der Schaltung. So viel Strom 
ziehen, dass die Spannung auf 5,2V sinkt.

Sepp V. schrieb:
> der sich infolge dessen erwärmt hat und die notwendige BE-Spannung
> gesunken ist (also noch mehr Strom "verheizt" wurde)

Ja... und? Auf 0,1V Ube hin oder her wird's ja nicht ankommen, das 
Smartphone wird ja auch bei 5,1V noch laden. Die im worst-case ~3W (ohne 
USB-Verbraucher) muss der Transistor natürlich loswerden können.

von Fire Heart (Gast)


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Also bei Fahrraddynamoanwendungen würde ich heutzutage einen 
Schaltregler verwenden. Sollte der Dynamo sich als Stromquelle 
verhalten...auch egal, bis 40V halten das die Schaltregler aus. Sollten 
höhere Spannungen auftreten, würde ich die halt dann klassisch 
begrenzen.
Ich könnte nur nicht damit leben, bei höheren Geschwindigkeiten Energie 
zu verheizen...das macht in dem Fall mein Körper schon zur Genüge

von A. S. (achs)


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Ein Dynamo liefert einen Strom. Er läuft leicht, wenn der Strom 0 ist, 
oder die Spannung. Wenn man den Strom klein macht, können Höhe spg 
auftreten.

Ein Längsregler ist damit immer ungeeignet, da er die spg erhöht.

Ein paralleler shunt wie im ersten post ist schon sehr nah am Optimum. 
Gleichrichter und (nach Diode) Kondensator am Ausgang können es 
verbessern. Das Optimum wäre Kurzschluss des Dynamos,  solange die 
Ausgangsspannung OK ist. Dann wird auch nichts warm.

Dimensionierung so, dass eine Halbwelle den Kondensator nicht mehr als 
z.b. 50mV lädt. Dann bei > 5V die Halbwelle kurzschließen, bei < 5V 
nicht. Also Komparator plus Thyristor, fertig.

: Bearbeitet durch User
von MaWin (Gast)


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Fire Heart schrieb:
> Also bei Fahrraddynamoanwendungen würde ich heutzutage einen
> Schaltregler verwenden

Ja, solche Versuche von ahnungslosen Anfängern gibt es immer wieder. 
Hier im thread weiter oben hat es auch 2 cent probiert.

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