Spannungsstabilisierung mit Zenerdiode? Wer erklärts mir ??

[Newman]

Hallo Leutz,

ich hab n kleines Verständnissproblem meinerseits.

Habe mal nen Schaltplan in den "Anhang" getan. Mir gehts um die Stromversorgung des Tiny´s.

Bis vor kurzem habe ich die Schaltung komplett mit 5 Volt aus nem Spannungsregler betrieben. Den Tyni, sowie die LEDs. Alles sollte bei "Stromausfall" mögl. lange, aus den Goldcaps gespeist werden. Leider zeigte sich aber, das, egal welche Last drann hing, die Spannung an den Goldcaps in der ersten Sekunde auf rund 3-3,5V gesunken ist, und die Schaltung dann noch weiter 30-45 Sek. gearbeitet hat. Die 30-45 Sek. sind mir völlig ausreichend, aber den Spannungsabfall um 1,5-2 Volt kann ich überhaupt nicht gebrauchen, da sich diese bei den LEDs als deutlicher Helligkeitseinbruch bemerkbar machen.

Deshalb habe ich mir überlegt, zwei Goldis in Reihe zu schalten, und die Schaltung mit 10-11 Volt zu betreiben, um somit genügend "Restspannung" für die LEDs zu haben. Weiterer Vorteil wäre, das der Spannungsregler nicht mehr so sehr heizt. Nun ist aber das Problem, das der Tiny nur 5-5,5V verträgt.

Und da liegt derzeit mein Problem. Das fehlende Wissen zu Zener-Dioden. Ich hatte mir nämlich überlegt, keinen zweiten Spannungsregler zu spendieren, sondern die Spannung an ner Zenerdiode abfallen zu lassen.
Nu hab ich schon bei Wikipedia usw. gelesen, aber der Groschen ist noch nicht so richtig gefallen. Reicht es, die Verbindung zwischen Punkt 1 und 2 (Siehe Schaltplan) herzustellen, und die Z-Diode parallel zum Kondensator zu schalten, oder wie läuft das ab?

Hier mal der Schaltplan. (http://www.helicrusher.de/Bilder/Tiny.GIF)

PS: Ruhig mal den gesammten Plan durchschauen, ob noch andere grundlegende Fehler sind.

MFG Andy

[021aet04]

Zwischen 1 und 2 musst du einen Widerstand hineingeben, damit die Differenzspannung (10V-5,1V) irgendwo abfallen kann. Hier ist alles beschrieben http://www.elektronik-kompendium.de/sites/slt/1012151.htm

[wkrug]

Ich würde das mit der Z-Diode bleiben lassen und zwischen Punkt 1 und 2 trotzdem einen 5V Spannungsregler einbauen.

Grund:
Der Vorwiderstand für die Z-Diode muß immer für minimale Eingangsspannung bei maximalem Strom berechnet werden.
An der Z-Diode wird bei geringerer Last und höherer Spannung der restliche Strom in Wärme umgesetzt.

Das bedeutet deine Schaltung zieht in etwa immer den gleichen Strom.
Mit einem zusätzlichen Spannungsregler wird nur die Leistung verheizt, die über dem Spannungsregler anfällt.

Eventuell wäre für dein Problem auch ein DC/DC Wandler geeignet, der bei 3...7 V Eingangsspannung stabile 5V am Ausgang macht.
Als Zuckerl kriegst Du dabei auch gleich eine galvanische Trennung mitgeliefert.
Ich hab jetzt auf die Schnelle kein passendes Objekt gefunden.
Guck mal bei www.reichelt.de unter SIM5-0505S rein, auch wenn dieser Wandler nur 10% Eingansspannungsänderung verträgt.

[Newman]

@ 021aet04, danke für den Link. Werde mich mal einlesen.

@wkrug, nen 2ten Spannungsregler wollte ich nicht nur "der Kosten" wegen sparen. Auch der Platzverbrauch macht mir etwas zu schaffen. Und wo die Leistung im Endeffekt verbraten wird, ist doch eigentlich egal, oder? Fakt ist, das über die ZD-Stabilisierung ausschließlich der Strom für den Tiny und der Steuerstrom der Fets läuft, und der ist doch recht gering. (Hab den korrekten Wert im Datenblatt grad nicht gefunden.) Die LEDs werden direkt aus dem Cap versorgt.

[Besserwessi]

Die Diode am GND anschluß des Spannungsreglers ist falsch. Wenn überhaupt, dann andersherum. Der Elko vor dem Regler ist zu klein, der dahinter könnte kleiner oder ganz weg. Es sollten auch noch Keramische Kondensatoren dazu. Im Datenbaltt sethen >= 100 nF vorher und 330 nF dahinter. Oft werden aber auch 2 mal 100 nF genommen.

Die Ladeschaltung für die Speicherkondensatoren ist auch nicht so richtig. Eine extra Diode zum Regler hin wäre sinnvoll, die Diode zur Last ist eher unnötig.

Für die LEDs wäre es eventuell besser den Strom nicht über den Widerstand, sondern z.B. über den FET. Dann könnte die Helligkeit trotz fallender Spannung gleich bleiben. 3 weisse LEDs hintereinander bauchen schon run 9 V, da wird man nicht viel ladung der ELKOs nutzen können. Die sollte man besser als 2 + 1 LED extra aufteilen

Als Spannunsstabilisierung hinter den Kondensatoren wäre eventuell ein kleiner Schaltregler wie ein LM2574 sinnvoll, eventuell auch auf 4 V, und dann alle LEDs einzeln, bzw parallel. Die meisten DCDC Wandler haben keine Stabilisierung und helfen nicht weiter.

Edit: Das schalten der einzelnen LEDs könnte man auch direkt vom µC machen, ohne die FETs.

[Newman]

Sooooooo, hab jetzt mal n Update des Plans gemacht.

* Diode am Regler "verdreht"
* Schottky-Diode hinterm Regler versetzt
* Kondensatoren vor/nach Regler angepasst
* Widerstand vor ZD eingesetzt
* LED raus genommen.

Schaltplan 2 (http://www.helicrusher.de/Bilder/Tiny1.GIF)

Die drei LEDs waren in erster Linie auch nur Symbolisch dargestellt. Wären im Feldversuch eh nur max. zwei geworden.

Was das verwenden von Fets als Konstantstromquelle angeht, das habe ich versucht, und es bei den Versuchen belassen. Hatte dazu nen BF511 genutzt, der sollte 5mA oder raus lassen. Auf der einen Platine hat ers gemacht, auf der zweiten BAUGLEICHEN!!! Platine hat er volle 250mA durch die LED geschickt. Für mich absolut nicht nachvollziehbar. Und da i.d.R. eh immer die volle Spannung anliegt, hab ich den Entschluss gefasst, auf normale Widerstände zurück zu greifen. Für nen Hochstromtot ist mir ein LED-Preis von 50 Cent einfach zu happig.

Was die Fets als Schalter angeht, die habe ich verwendet, weil pro Fet doch mal 10-12 LEDs parallel geschaltet werden. Insgesammt werden an der Schaltung später max. 24 LEDs an max. 9 Fets angeschlossen.

Was den LM2574 angeht, den würde ich mir wirklich gern sparen wollen. Weil das Problem ist, das ich deils für die Schaltung keine 10cm² Platz habe. Da zählt jedes Bauteil. Und mit dem LM2574 isses ja nicht getan. Auch der braucht wieder ne externe Beschaltung.

Ich hab mal grob durchgerechnet. 24 LEDs mit 4mA macht ne Last von knapp 100mA. Steuerstrom für die 9 Fets gehe ich mal mit insgesammt 10mA ran. Die 300µA vom Tiny kann man schon wieder fast vernachlässigen. Und für 10mA Last nen extra Spannungsregler....Ich meine, ich bin Dumm was dieses thema angeht, ich gebs zu, aber ich finds übertrieben. Berichtigt mich, wenn ich mit meiner Überschlagsrechnung falsch liege....

Die LEDs mit 4 Volt betreiben habe ich hinter mir. Bzw. habe mit 5V gearbeitet, die dann doch nur 4,5 waren, und nach wegbleiben der Versorgungsspannung auf 3 Volt abgesunken ist. Wenn dann die Vorwiderstände der LEDs auf 3-4 mA LED-Strom berechnet sind, bleibt nach dem Spannungsabfall nicht mehr viel Strom über. Ein weiteres Problem des BF511 betreffent war, das die geringe Spannung nicht mehr ausreichte, um vernünftig zu regeln.

Das ist ja der Grund, warum ich nun mit 10V arbeiten will.

MFG Andy

[Besserwessi]

Mit einem Schaltregler nutzt man die Energie in den Pufferselkos wesentlich besser aus. Der Regler soll vor allem für die LEDs sein, denn brauchen den meisten Strom. Die FETs brauchen praktisch keinen Strom ( < 1 µA), da braucht der Tiny.. schon mehr. Mit Schaltregler kann man bei den LEDs dann auch wieder Widerstände nutzen. Bei je 2 LEDs in Reihe wären dann etwa 7 V richtig, bei je 1 LED etwa 4 V. Nur eine Mischung ist nicht ideal. Der Tiny... braucht dann eventuell noch einen extra Regler (z.B. LP2950) oder was ähnliches. Die Widerstands ZD kombination ginge auch, aber man muß wohl den Widerstand ausmessen damit der Stromverbrauch nicht unnötig groß ist.

Wenn wirklich klein sein muß gibt es auch Schaltregler die mit höheren Frequenzen arbeiten und entsprechend mit kleineren Induktivitäten und Kondensatoren auskommen, vermutlich sogar im SOT23-x Gehäuse.
Wenn alsolut keinen Schaltregler haben will, dann halt ein Linearregler wie LM2940. Man braucht dann aber etwa 2-3 mal so große Elkos.

[Newman]

Sehe ich das jetzt richtig, das du bei deiner Beschreibung jetzt schon beim dritten Regler angekommen bist? Einen für 10V für die Caps, einen für die LEDs, und "einen" (ggf. ZD+R) für den Tiny? Wo soll das alles hin?

Könn wir nich mal die Bauteile auf ein Minimum reduzieren?

[Besserwessi]

Wenn man jeweils nur eine LED nimmt, kommt man mit etwa 4 V für LEDs und den µC aus. Dann reichen 2 Regler. Ein kleiner Regler im TO92 (oder SM8 wenn man SMD mag) oder ähnlich ist ja noch nicht wirklich groß, kaum mehr als Widerstand + Zenerdiode.

Die Schaltung so ähnlich gezeigt, mit 2 Reglern aber ohne Regelung für die LEDs geht ja noch nicht richtig gut. Man könnte die abnehmende Helligkeit höchstens durch PWM Schaltung der LEDs kompensieren.

[Newman]

@ Besserwessi, versteif dich mal bitte nicht so sehr auf die nicht abnehmende Helligkeit. Wenn diese nach 5-10 Sek langsam abnimmt, kann ich damit leben. Die genannten 30-45 Sek. waren beziffert auf die Zeit, bis die LEDs völlig abgeschaltet haben.

Mir geht es primär darum, mit geringsmöglichen Bauteilaufwand eine Spannung für den Tiny bereit zu stellen. Mein allergrößtes Problem ist der Platz, und danach kommt sofort die Wärmeableitung der Verlustleistung. (Wegen dem geringen Platz.)

Hier mal ein Bild (http://www.helicrusher.de/Bilder/Tiny.JPG) damit ihr wisst, worum es geht, und wie eng es zugeht. Das ist eine Platine eines Vorgängers, auf der noch relativ viel Platz ist. Im Prinzip ein "Prototyp". Ihr seht, für nen To92 ist da kein Platz. Und selbst als So08 komm ich da nicht weit, wenn ich die externe Beschaltung da noch mit zunehme. Eine ZD als Minimelf und nen Widerstand, selbst in 1206 sind da entscheident kleiner.

Das ist auch der Grund, warum ich für die 1-2 mA keinen Spannungsregler spendieren will. Der nimmt mit der restlichen Beschaltung auf der Platine nämlich schon 1/4tel der Gesamtfläche ein.

MFG Andy

[Bernhard667]

Ja wenn es denn so sein soll ohne sauberen Spanungsregler.
Mach zwischen 1 und 2 einen Widerstand. Der muß ~ 5V aufnehmen (10V Input - 5.2V Output.
Bei Maximalstrom darf er aber auch nicht mehr als die 5V aufnehmen.
Also:
-Maximalstrom festlegen, die AT-Tiny + FET´s auf der 5V Schiene verbrauchen werden
-Noch was zugeben für die Zenerdiode, so vielleicht 3mA
-R = U/I = 5V / Maxstrom

Funktionsweise, wenn evlt nicht klar:
-I max Beispiel 10mA
-R = 5V / 10mA = 500 Ohm
-Wenn nun AT Tiny nicht 10mA zieht, sondern 0.
-An R fiele nun 0V ab
->an 2 liegen die vollen 10V
-das mag die Zenerdiode aber nicht und leitet
-die zieht nun Strom, bis an R wieder die 5V abfallen.

Wie einer der Vorredner schon schrieb, es fliest immer Imax. Entweder nimmt den Strom die Schaltung oder die Z-Diode.

PS:
Die 1N4148 unter dem 7810 ist immer noch falsch (hatte ein Vorredner schon geschrieben). Die muß in Flussrichtung. Ich nehme an, Du willst damit die Ausgangspannung etwas anheben auf 10,7V
Bernhard

[Besserwessi]

Wenn sein muß tuts ja auch die Zenerdiode für den Tiny. Für 300 µA sollte das noch gehen, schließlich geht der µC ja auch noch mit 3 V.
Für die LEDs wäre ein Schaltregler aber wirklich sinnvoll. Zum einen reduziert man so die Verlustleistung (und nebenbei die Kapazität den Pufferelkos) und zum anderen ist das bei so vielen LEDs der einfachste Weg um ein einigermaßen konstante Helligkeit zu kriegen. Wenn man den Schaltregler für 4-5V Auslegt, kann der µC auch damit laufen. Wenn so klein sein soll, dann müßte man nach was modernem mit relativ hoher Frequenz suchen. Dann werden auch die Spule und Kondensatoren klein. Eine sehr stabile Spannung braucht man ja nicht und kann den Kondensator am Ausgang wohl auch kleiner wählen (z.B. 10 µF Keramik)

Ohne Regler nimmt die Helligkeit gleich von Beginn an ab. Die alternative wäre höchstens das über den µC und PWM zu kompensieren.

[Newman]

Sorry @ All, hatte den falschen Schaltplan 2 verlinkt. Hier nun der richtige.

Schaltplan 2 reloaded (http://www.helicrusher.de/Bilder/Tiny1.GIF)

Was ich sagen wollte, wenn da 3-4 mA in ner ZD verheizt werden, dann kann ich damit leben. Wenns weniger ist, isses auch OK. Für mich ist das aber "nur eine (virtuelle) LED" mehr. Wichtig ist für mich, das die sache so diemensioniert wird, das die Teile nicht so heiß werden. Bei 5mA und 5Volt macht das 0,25 mW, die verheizt werden. Richtig gerechnet? Die Minimelf-ZD bei Segor.de vertragen 1W. Sollte passen, oder?

Allerdings ham se nur 5,6V als Lagertyp. Problematisch für den Tiny, oder nicht? Im Datenblatt steht max. 6V. Was sagt die Realität/Erfahrung?

Ich werd mir mal den Widerstand ausrechnen, und dann mal nen Testaufbau starten.

MFG Andy

[wkrug]

Allerdings ham se nur 5,6V als Lagertyp
Ne 4,7V sollte ja auch gehen, wenn das als Gate Spannung für die FET's reicht.
Du solltest aber den Querstrom für die Z-Diode und den ELKO danach nicht zu knapp bemessen.
Die FETS's brauchen für die Umladung am Gate dann doch eine gewisse Ladungsmenge = Strom.

Den 78L05 Spannungsregler gibts auch in SOT89 Bauform und dürfte dann auch nicht mehr größer sein als deine Z-Diode.
Vom Bauteileaufwand her brauchst du einen Widerstand weniger und 2x 0805 Kondensatoren mehr - nur mal so als Vorschlag

[PICture]

Hallo!

Am einfachsten wäre die Versorgunsspannung von 15V~ auf 9V~ zu senken, so dass die gleichgerichtete Spannung ca. 10...11V beträgt. Dann entfällt der Spannungsregler und mehrere Bauteile.

MfG

[Newman]

Leider nicht Möglich, da die Systemspannung auch für andere Schaltungen mit den 15V gebraucht wird. Es handelt sich hierbei um das Digitalsystem einer Modellbahn, und das arbeitet nun mal mit den 15V.

[PICture]

Das wusste ich nicht. Dann könnte man höchstens noch die 1N418 Diode am GND Anschluß des 7810 entfernen und dia Schaltung ist minimal.

MfG

[Newman]

Die hab ich extra eingeplant, um die Ausgangsspannug des Reglers nochmal um 0,5-0,7V anzuheben.

[PICture]

Wenn die Ausgangsspannung wirklich so genau seien muss, dann passt es.

MfG