Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Feedback Spannungsteiler eines Spannungsreglers absichern?


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von Thomas S. (schlot)


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Hallo zusammen,

ich habe mir gerade Gedanken gemacht, wie ich die Feedback-Schaltung 
eines Schaltreglers absichern könnte. Letztlich funktionieren die ja 
alle gleich - der Feedback-Eingang wird auf eine Konstantspannung 
geregelt.

Das bedeutet aber auch, dass im Fall eines Defekts des oberen 
Widerstands (Fail Open) der Feedback-Eingang gegen Masse gezogen wird 
und der Regler auf Vout = Vin regelt. Bei einer 5 V oder 3.3 V-Schaltung 
an einer 12 V oder gar 24 V-Quelle wird die Schaltung dann wohl in einer 
Rauchwolke aufgehen.

Deshalb denke ich gerade darüber nach, parallel zu dem oberen Widerstand 
eine Z-Diode zu setzen, die sich nach meiner Logik im Normalbetrieb 
passiv verhalten würde und im Fehlerfall des Widerstandes die 
Ausgangsspannung begrenzen würde. Ist der Ansatz so richtig oder habe 
ich da einen Denkfehler?

Ich würde jetzt davon ausgehen, dass bei einer nominalen FB-Spannung von 
1 V und einer Z-Diode von 5.2 V dann die Ausgangsspannung bei etwas mehr 
als 6.2 V begrenzt würde. Ist das so?

Ich habe mal ein Beispielbild angehängt, wo ich da die Diode setzen 
würde.

Gruß
Thomas

: Verschoben durch Moderator
von MaWin (Gast)


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Thomas S. schrieb:
> Ist der Ansatz so richtig

Er ist unsinnig.

Wenn man Befürchtungen hat, dass ein Regler wegen (irgendeinem) Fehler 
zu hoch regelt, und die nachfolgende Elektronik grullt, baut man eine 
CrowBar dahinter  z.B. ein Thyristor der bei Überspannung zündet, und 
eine Sicherung vor den Regler die dann durchbrennt.

von Patrick L. (Firma: S-C-I DATA GbR) (pali64)


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Zu diesem Zweck gibt es übrigens TVS dioden, die können aauch mal einige 
Ampere abkriegen ohne grad zu sterben.
Dann:
MaWin schrieb:
> eine Sicherung vor den Regler die dann durchbrennt.
Und nix mit Elektronik-Grillfest ;-)

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Thomas S. schrieb:
> dass im Fall eines Defekts des oberen Widerstands
Warum sollte gerade der kaputtgehen? In wievielen von einer Million 
Schaltreglern tritt dieser Fehler deiner Meinung nach auf?

Man darf halt nur nicht den oberen Widerstand als Poti/Trimmer sondern 
ausschließlich als Festwiderstand ausführen.

von Wühlhase (Gast)


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Und wie gedenkst du, einen Fehler in den vorgeschalteten Kondensatoren 
abzusichern?

Immerhin hast du da viermal so viele, wie normalerweise plausibel wäre.

von H. H. (hhinz)


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Lothar M. schrieb:
> Man darf halt nur nicht den oberen Widerstand als Poti/Trimmer sondern
> ausschließlich als Festwiderstand ausführen.

Und wenn schon Poti, dann nicht der billige Müll, der auf vielen 
Reglerplatinchen aus China verbaut wird.

von Thomas S. (schlot)


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MaWin schrieb:
> Wenn man Befürchtungen hat, dass ein Regler wegen (irgendeinem) Fehler
> zu hoch regelt, und die nachfolgende Elektronik grullt, baut man eine
> CrowBar dahinter

Du hast Recht, dessen bin ich mir auch bewusst. Oder eine Power-Z-Diode 
(Z-Diode + BJT) zum zeitweisen Klemmen der Ausgangsspannung.

Oder eine Kaskade aus einer SMPS, die 0,3 V "zu hoch" eingestellt ist 
und einem LDO, wobei beide Bauteile die volle Eingangsspannung ab 
könnten. Wenn es ausfallsicher (fail-operational) sein soll.

Lothar M. schrieb:
> Warum sollte gerade der kaputtgehen? In wievielen von einer Million
> Schaltreglern tritt dieser Fehler deiner Meinung nach auf?

Wenn man bei 0603er Metallschichtwiderständen von FIT-Raten < 0,1 
ausgeht, spielt der Fall bei meiner Stückzahl (2) und geplanten Lifetime 
absolut keine Rolle. Widerstände haben in der Bauteilbetrachtung 
wahnsinnig kleine Ausfallraten. Da ich aber bei meinen handbestückten 
PCBs nicht genau das JEDEC-Temperaturprofil fahren kann und mal ein µ zu 
viel oder zu wenig Lot aufbringe, ist eine gebrochene Lötstelle um 
Größenordungen wahrscheinlicher. Lötstellen haben, sogar professionell 
verarbeitet, eine - mit Widerständen verglichen - sehr hohe 
Ausfallwahrscheinlichkeit. Wesentlich wahrscheinlicher sogar als ein 
thermischer Durchbruch des Schaltreglers oder des (hier integrierten) 
FETs selbst.

Wühlhase schrieb:
> Und wie gedenkst du, einen Fehler in den vorgeschalteten Kondensatoren
> abzusichern?

Durch die Reihenschaltung je zweier der Kondensatoren, siehe Schaltbild. 
Dadurch ergibt sich eine "Open Mode"-Konstruktion. Wird noch sicherer, 
wenn man die im Layout orthogonal anordnet, weil eine Platine vom 
Schwingungsverhalten selten in beiden Achsen gleichermaßen beansprucht 
wird. Und die Notiz "FE" im Schaltplan soll darauf hinweisen, dass ich 
"flex term"-Typen verbauen möchte. Wenn trotz flex term einer der 
Kondensatoren defekt ist, kann es so keinen Kurzschluss der Versorgung 
geben und die noch übrigen Kondensatoren erfüllen weiterhin die 
Anforderungen der Schaltung.

> Immerhin hast du da viermal so viele, wie normalerweise plausibel wäre.

Wenn man die Anforderungen an die Rippleströme mit den Datenblättern der 
MLCCs vergleicht, finde ich die Dimensionierung gar nicht so wahnsinnig 
übertrieben. Mehrere kleine MLCCs (0805) haben IMHO auch den Vorteil, 
dass sie weniger wahrscheinlich brechen als große Klötze und dass man 
noch eine Restkapazität hat, wenn doch mal einer ausfällt.



Die Schaltung oben ist tatsächlich nicht so wahnsinnig weit weg von der 
TI Application Note. Außer, dass ich die Eingangskapazität aus o. g. 
Gründen in Reihenschaltungen ausgeführt habe. Gebrochene MLCCs, die 
knapp unter dem Auslösestrom der Sicherung vor sich hin kokeln, sind 
wirklich eine blöde Sache.

Ihr habt völlig Recht mit der Aussage, dass der Widerstand nicht der 
einzige Fehler ist, der zu einer Fehlregelung führen kann.

Meine Frage zielte aber nur darauf ab, ob eine parallel geschaltete 
Z-Diode (ein paar Cent) den Ausfall des konkreten Widerstands mitigieren 
könnte, ohne die Schaltung im Normalbetrieb zu beeinflussen. Rein 
interessehalber.
Dass damit weder die Schaltung komplett abgesichert, noch der Hunger in 
der Welt beseitigt ist, mal ganz dahingestellt ;-).

Gruß
Thomas

von Anja (Gast)


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Thomas S. schrieb:
> ohne die Schaltung im Normalbetrieb zu beeinflussen.

Hallo,

warum probierst Du das nicht einfach aus.
Vermutlich wirst Du feststellen daß bei deiner sehr hochohmig 
ausgelegten Schaltung die (temperaturabhängigen) Leckströme der Z-Diode 
bereits bei Raumtemperatur einen Einfluß auf die Ausgangsspannung hat.

Abgesehen davon ist 5V2 keine Normspannung bei Z-Dioden.
Du wirst also entweder 5V1 oder 5V6 nehmen müssen.

Gruß Anja

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Thomas S. schrieb:
> Oder eine Power-Z-Diode
> (Z-Diode + BJT) zum zeitweisen Klemmen der Ausgangsspannung.

Wie lange ist denn die Zeit und wie lange hält die Diode das aus?

Und was ist, wenn der Feedback Eingang vom Regler kaputt geht, oder 
irgend etwas anderes im Regler? Die Wahrscheinlichkeit ist doch 
geschätzt um Faktor 1000 höher, als das dein simpler Widerstand versagt.

Die vernünftigste Lösung wurde bereits genannt: Crowbar.

Aber: Ich habe in 40 Jahren noch kein einziges Netzteil gesehen, das 
Überspannung ausgab - ausgenommen welche mit Poti im Feedback Zweig.

von Stefan ⛄ F. (stefanus)


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Thomas S. schrieb:
> Meine Frage zielte aber nur darauf ab, ob eine parallel geschaltete
> Z-Diode (ein paar Cent) den Ausfall des konkreten Widerstands mitigieren
> könnte, ohne die Schaltung im Normalbetrieb zu beeinflussen. Rein
> interessehalber.

Schau dir die Kennlinie der Z-Diode an, dann kommst du auf die Antwort 
"nein, das geht nicht ohne zu beeinflussen".

von Wühlhase (Gast)


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Thomas S. schrieb:
> Wühlhase schrieb:
>> Und wie gedenkst du, einen Fehler in den vorgeschalteten Kondensatoren
>> abzusichern?
>
> Durch die Reihenschaltung [..]

Mein Post war eigentlich ironisch gemeint. Du gehst mit deiner 
Absicherung da ziemlich naiv rein, und treibst weitaus mehr Aufwand als 
man es gewöhnlich tun würde.

Und würdest du etwas bauen was tatsächlich ausfallsicher sein muß, dann 
würdest du hier a) nicht in dieser Form fragen und b) es anders lösen.

Beschreib doch mal dein Problem etwas näher...vielleicht kann man dir 
dann besser helfen.

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Thomas S. schrieb:
> Wenn man bei 0603er Metallschichtwiderständen von FIT-Raten < 0,1
> ausgeht, spielt der Fall bei meiner Stückzahl (2) und geplanten Lifetime
> absolut keine Rolle. Widerstände haben in der Bauteilbetrachtung
> wahnsinnig kleine Ausfallraten. Da ich aber bei meinen handbestückten
> PCBs nicht genau das JEDEC-Temperaturprofil fahren kann und mal ein µ zu
> viel oder zu wenig Lot aufbringe, ist eine gebrochene Lötstelle um
> Größenordungen wahrscheinlicher. Lötstellen haben, sogar professionell
> verarbeitet, eine - mit Widerständen verglichen - sehr hohe
> Ausfallwahrscheinlichkeit.
Wenn ich diese Worte so lese, kommt mir eines in den Sinn: dir kann man 
sicher auch ganz leicht eine unnötige Versicherung andrehen... 😉


Wenn du solche Sorgen und dermaßen wenig Vertrauen in deine Lötkunst 
hast, dann nimm für derart "kritische" Stellen bedrahtete Bauteile.

: Bearbeitet durch Moderator
von Helmut -. (dc3yc)


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Ich würde mir eher Sorgen um die hintereinandergeschalteten Caps machen. 
Wo sind da die Symmetrierwiderstände? Oder hält jeder für sich die 
Eingangsspannung aus?

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Helmut -. schrieb:
> Oder hält jeder für sich die Eingangsspannung aus?
Im Prinzip schon, wenn die Kondensatoren 25V aushalten und die höchste 
zur Diskussion stehende Spannung 24V ist.
Trotzdem sieht dieser Schaltungsteil auch arg seltsam aus...

Und natürlich sehen auch 2 hintereinandergeschaltete 0.1% Widerstände 
I'm Feedbackzweig  eigenartig aus. Im Besonderen, wenn die Referenz des 
Schaltreglers uber den gesamten Temperaturbereich nur auf +-2% stabil 
ist.

: Bearbeitet durch Moderator
von Bauform B. (bauformb)


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Lothar M. schrieb:
> Und natürlich sehen auch 2 hintereinandergeschaltete 0.1% Widerstände
> I'm Feedbackzweig  eigenartig aus.

Vor allem, weil das 2 Lötstellen in Reihe mehr sind. Was bedeutet das 
für die Ausfallwahrscheinlichkeit? Von den 5 Möglichkeiten für krumme 
Teilerverhältnisse scheint mir das die schlechteste zu sein. Alle 
anderen sind niederohmiger und manche sind auch näher an GND.

Die Zenerdiode würde ich nicht riskieren, auch wegen ihrer nichtlinearen 
Kapazität. Die BZX84 z.B. steht mit 300pF @0V im Datenblatt, das könnten 
gerade die 47pF bei 5V werden ;) Ja, ok, man könnte den Teiler auch 
niederohmiger machen.

Thomas S. schrieb:
> Wenn trotz flex term einer der Kondensatoren defekt ist, kann es
> so keinen Kurzschluss der Versorgung geben und die noch übrigen
> Kondensatoren erfüllen weiterhin die Anforderungen der Schaltung.

flex term sollte eigentlich überall Standard sein. Allerdings finde ich 
einen Kurzschluss angenehmer als einen Kapazitätsverlust, von wegen 
"kaputt" vs "die Kiste spinnt manchmal". Wie viele Schaltungen (mit so 
kleinen Keramik-Cs) hängen denn ohne Sicherung direkt am Akku?

von Jens G. (jensig)


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Lothar M. schrieb:
> Im Prinzip schon, wenn die Kondensatoren 25V aushalten und die höchste
> zur Diskussion stehende Spannung 24V ist.
> Trotzdem sieht dieser Schaltungsteil auch arg seltsam aus...

Ist vermutlich Teil seiner "Hochverfügbarkeits-Lösung". Wenn ein C 
kurzschließt, übernimmt der andere voll - dann hat er sogar mehr C drin 
...

von Anja (Gast)


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Jens G. schrieb:
> Ist vermutlich Teil seiner "Hochverfügbarkeits-Lösung".

Hallo,

ich kenne das gar nicht anders für Leiterplatten bei denen Vibrationen 
auftreten können.

Eingangs-Cs ohne Strombegrenzung (direkt nach Hochstromsicherung 20/30A 
am Blei-Akku) werden grundsätzlich 2 in Reihe und orthogonal auf der 
Leiterplatte angeordnet (trotz Flex Terminierung).

Gruß Anja

von Thomas S. (schlot)


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Anja schrieb:
> warum probierst Du das nicht einfach aus.

Oft der beste Ansatz, aber ich habe die Schaltung noch nicht aufgebaut. 
Bei den meisten meiner (Hobby)-Projekte nehme ich nicht viele Anläufe, 
sondern lese, simuliere, frage, lese, ..., und am Ende kaufe ich einmal 
ein und baue es einmal auf. Und in der Regel funktioniert es dann auch - 
es gibt mal kleinere Bugs, aber meist keine kritischen.

Ausprobieren ergibt meist die deutlich schnellere Lernkurve, ist aber 
bei speziellen Bauteilen auch recht teuer, wenn man z. b. privat bei 
Mouser bestellen muss.

> Abgesehen davon ist 5V2 keine Normspannung bei Z-Dioden.

Stimmt, es war spät, als ich das eingetragen habe.

> Vermutlich wirst Du feststellen daß bei deiner sehr hochohmig
> ausgelegten Schaltung die (temperaturabhängigen) Leckströme der Z-Diode
> bereits bei Raumtemperatur einen Einfluß auf die Ausgangsspannung hat.

Das ist letztlich der Denkanstoß, auf den ich gewartet habe, danke. Auch 
Stefan beantwortet es wenige Posts weiter. Ich habe die Z-Diode in 
meinen Überlegungen stark idealisiert betrachtet. Müsste also den Teiler 
sehr viel niederohmiger auslegen und dann macht es wieder keinen Sinn, 
einen "low Iq regulator" zu verwenden. Da war mein Denkfehler.
Die Antwort ist damit gegeben und wir können den Thread an sich zu den 
Akten legen.


[ab hier noch etwas zu mir und dem Projekt, falls es interessiert]

Vielleicht noch eine Erklärung zu den Hintergründen, über die so viel 
spekuliert wurde:

Erst zu meinem - ich komme aus der Automotive-Branche, entwerfe 
beruflich aber weder Schaltpläne noch Layouts. Elektronik ist bei mir 
ausschließlich Hobby, sonst würde ich nicht hier nachfragen. Damit bin 
ich natürlich in Sachen Erfahrung, Werkzeuge, Prozesse und Budget 
limitierter als jemand, der diese Lösung beruflich herbeiführt. Es macht 
mir aber Spaß, mich damit zu befassen und (auch mal unsinnige) Lösungen 
zu verstehen.

Das Projekt soll im KFZ vom Bordnetz betrieben werden. Natürlich habe 
ich mir ein paar Gedanken über die Betriebssicherheit meines Projektes 
gemacht. Zuerst einmal geht es nur um Komfortfunktionen; ich baue hier 
nichts, was in die Fahrdynamik eingreift. Das Auto stellt die Energie 
und den Bauraum. Damit muss ich für die Sicherheit beachten, keine 
Rückwirkung auf das Bordnetz zu haben (Sicherung + grundlegende 
EMV-Maßnahmen). Und dass ich die Hütte nicht anzünde (schmorende MLCCs, 
anhaltende Überspannungen).

Das wird im Automotive-Bereich, wie Anja schon schrieb, gängig durch 
Reihenschaltungen ausreichend spannungsfester Flexterm-Kondensatoren in 
der Eingangssektion gelöst. Symmetrierung braucht man dafür nicht, weil 
man keine anhaltenden Spannungen > 15 V hat. Kurzzeitig muss man bis ca. 
30 V bei grober Fehlbedienung aushalten und sehr kurzzeitig durch 
Umschaltvorgänge auch mal ~100 V, die über TVS abgeleitet werden.

Crowbars sind mir wie Sicherungen auf der Leiterplatte (bis auf 
Ausnahmen) im Automobilbereich sehr selten untergekommen, weil man da 
gerne nach Ende des Fehlerzustandes ein selbstheilendes Verhalten haben 
möchte. Heute sind die Bordnetze dank Power Management beiweitem nicht 
mehr so übel wie früher, aber dennoch will man ja nicht ständig 
durchgeballerte Sicherungen tauschen. Bei Überspannung und Überstrom 
"öffnet" man da lieber einen FET in der Versorgung. Ist natürlich ein 
höherer Schaltungsaufwand als eine Crowbar mit 4 Bauteilen.

Meine Schaltung hat eingangsseitig einen LC-Tiefpass zweiter Ordnung und 
einen LTC4368 für anhaltende Überspannung und Verpolung. Letzteren würde 
man in Automotive-Stückzahlen wohl eher vermeiden, weil er 
vergleichsweise teuer ist. Für meine Zwecke passt er aber, weil ich dann 
keinen Komplexen Fensterkomparator selbst entwickeln muss, wobei ich 
sicherlich Fehler machen würde.

Die MLCC-Reihenschaltungen habe ich bis zum Spannungsregler beibehalten; 
wahrscheinlich hätte es auch gereicht, das nur bis zum LTC4368 zu 
machen. Und ab dort habe ich die 5 V für meine Spielwiese. Ist nichts 
anderes als ein Handy oder RasPi am China-Bordsteckdosen-Netzteil zu 
betreiben, nur dass meine Schaltung fest angeschlossen werden soll und 
deshalb höhere Anforderungen an Robustheit und Ruhestrom hat als das 
China-Netzteil, das nach dem 10. Cranking oder nach dem 1. Jump Start 
ausfällt.

Hochverfügbarkeit brauche ich nicht. Ich weiß auf Blockschaltbildebene 
(wie gesagt aber weder auf Schematic noch Layout-Ebene), wie man 
hochverfügbar wird. Aber das ist hier nicht der Anspruch. Es soll nur 
einfach nicht gleich kaputt gehen und nicht in Flammen aufgehen.

Genug geschrieben. Das muss ja auch irgendwer wieder lesen.

Gruß
Thomas

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