(Linearen) Spannungsregler auf 0V bringen

[PlasmaTubeI²C]

Servus zusammen!

Ich plane derzeit ein Projekt, nix besonderes, Standart-Gedöns eben: Ein regelbares Netzteil mit Strombegrenzung, ich lege hierbei jedoch mehr Wert auf Genauigkeit, als auf reine Leistung.
Heißt im Klartext, mit 0-25V bei 0-2A bin ich absolut zufrieden, für diesen Zweck sind lineare Regler ja ganz gut zu gebrauchen, deren extreme Verlustleistung bei niedrigen Spannungen entgegenzuwirken habe ich geplant, vor den LDO-Regler einen Schaltregler zu setzen, der die Ausgangspannung des LDOs misst und seine Spannung auf diese plus einen Offset setzt.
Soweit so gut, ich bin (noch) kein Experte in Sachen E-Technik (Der Physikunterricht in der Oberstufe hilft da nur wenig...), also muss ich leider mit solchen "Anfängerfragen" nerven:

Der bekannte LM317 hat ja bei 0V am Adjust-Pin eine Ausgangsspannung von 1.25V (idealerweise versteht sich), bedingt durch die interne Spannungsreferenz, es gibt aber den Trick, die Ausgangsspannung auf 0V zu bringen, indem man -1.25V an den Adjust-Pin legt, um den Offset wegzubekommen.
Leider ist das aber nicht bei allen Reglern möglich, also fällt die negative Spannung am Set-Pin schon mal ins Wasser. Als Beispiel nehme ich mal den LT3086, dessen minimale Ausgangsspannung bei 0.4V liegt.
Welche Möglichkeiten gibt es nun, diese Spannung weiter zu verringern? Ohne den Regelkreis unnötig zu beeinflussen versteht sich...

Meine Idee war, eine einfache Siliziumdiode zu verwenden, das gibt 0.6V Spannungsabfall, beim maximalen Strom von 2.1A wären das 1.26W, welche in Wärme umgesetzt würden, die Diode könnte man aber problemlos am Hauptkühlkörper anbringen.
(Und: Die Spannungsregler benötigen einen minimalen Laststrom, um eine Stabilität der Spannung sicherstellen zu können, da kann man aber einfach ne Konstantstromquelle direkt an den Ausgang des LDOs setzen.)

Funktioniert das in der Theorie, dass die Diode die Spannung reduziert, ohne dass das Regelverhalten geändert wird? Hab das ganze mal in LTspice simuliert, da hat es problemlos geklappt, aber vielleicht hat von euch jemand ne bessere Idee, oder sonst ne Ladung Senf abzugeben. https://www.roboternetz.de/community/images/icons/icon10.png

[Peter(TOO)]

Hallo Stefan,

So ganz sauber funktioniert das mit der Diode nicht.
Der Spannungsabfall an der Diode hängt vom Strom ab, sieht man im Datenblatt.

Die 0.65V hat man nur bei kleinen Strömen, so um die 10mA bei Gleichrichterdioden.
Bei richten Strömen sind es dann schnell mal 1V.

Das ganze ändert sich dann noch mit der Halbleiter-Temperatur. Wobei die Schwellspannung mit etwa -2.5mV/K abnimmt, dafür steigt der Widerstand mit der Temperatur.
Wie das dann in der Kombination aussieht, weiss das Datenblatt der Diode.

Wenn der Regler auch Ströme gegen Masse ableiten kann, dann ändert sich das regelverhalten zusätzlich, da die Diode dies verhindert.

MfG Peter(TOO)

[RoboHolIC]

@PlasmaTubeI2C
Ganz sicher, dass du bestimmt so bald keine Stromregelung haben willst?
Machbar ist vieles; ob es aber gut funktioniert und Sinn macht, ist eine andere Sache. Der Kurzschlussstrom der LM317er ist temperaturabhängig und recht locker spezifiziert.
Ein Anwendungsbeispiel für das, was du willst, zeigt das Datenblatt von TI auf Seite 8:
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm317.pdf
Für das, was du vorhast, heißt bzgl. Linearregelung der Klassiker "LM723".

[White_Fox]

für diesen Zweck sind lineare Regler ja ganz gut zu gebrauchen, deren extreme Verlustleistung bei niedrigen Spannungen entgegenzuwirken habe ich geplant, vor den LDO-Regler einen Schaltregler zu setzen, der die Ausgangspannung des LDOs misst und seine Spannung auf diese plus einen Offset setzt.
Hm...halte ich weniger für eine gute Idee. Schaltregler machen viel HF-Dreck den auch ein Linearregler nicht sauber rauskriegt.
Ein Trafo wäre besser, wenn du es schick machen willst. Das Problem mit der Verlustleistung kannst du durch mehrere Trafoabgriffe lösen.

Außerdem bist du bei 2A schon recht weit über dem, was die meisten Linearregler können.

Allerdings find ich dein Projekt gut. Wenn der Physikunterricht zu mager ist (ich kenne das Problem auch von früher) kannst du dich ja hier mal einlesen:
http://dieelektronikerseite.de/

Insbesondere das hier dürfte für dich interessant sein:
http://dieelektronikerseite.de/Lections/Konstantstromquelle%20-%20Immer%20das%20Gleiche.htm
http://dieelektronikerseite.de/Lections/Spannungsregelung%20-%20Immer%20auf%20gleicher%20Hoehe.htm

[PlasmaTubeI²C]

Danke schonmal für die Antworten!

Das mit der Diode war echt mehr Schein als Sein...habs eben praktisch getestet, der Spannungsabfall ist tatsächlich extrem stromabhängig und eine Grundlast ist dafür ja auch notwendig. War wohl n Denkfehler, danke für den Hinweis.
@RoboHolIC: Ja, das hatte ich vergessen, eine Stromregelung darf natürlich nicht fehlen! Ich möchte eben mein derzeitiges (billig-)Linearnetzteil ersetzen, ich kann ja mal meine geplanten Vorgaben aufzählen:

- Spannung 0-25V (Muss wirklich 0 sein)
- Strom 0-2A
- Einstellungen per Dreh-Encoder
- Messwertdarstellung digital: 2.451V [2.45V] --> Gemessene Spannung [Gesetzte Spannung] und das gleiche für den Strombereich
- Möglichst "genau", was mit Hobbymitteln (-wissen) eben machbar ist.
- Spannungsmessung in 1mV-Schritten, einstellbar in 10mV-Schritten
- Strommessung: Bereich 1: 0-20.48mA (Auflösung 0.01mA, über nen Shunt und OPV)
Bereich 2: 0-2.048A (Auflösung 1mA)
--> 2 Bereiche für kleinere Lasten, vielleicht macht eine dritte Unterteilung (0-204.8mA) auch Sinn

Ja das stimmt, Schaltregler erzeugen echt viele HF-Störungen, auch wenn einige ICs in Sachen Ausgangsripple ziemlich gut sind.
Lässt sich das nicht durch nen Bandsperrfilter (Man kennt ja die Schaltfrequenz) und nen nachgeschalteten Kondensator ausreichend rausfiltern?

@White_Fox: Ein Trafo mit mehreren Abgreif-Spannungen wäre auch keine üble Idee...nur könnte ich mir vorstellen, dass beim switchen zwischen den Spannungen auch eine Spannungsspitze am Reglerausgang messbar ist, oder?
Das ist ja in den Datenblättern als Transient Response angegeben, bei einem Sprung von einem Volt gibt es da teilweise schon ein Delta von 50-80mV am Ausgang. (Ok, bei einer Anstiegszeit im µs-Bereich bezogen auf die 1V :-) )

[PICture]

Hallo!


Welche Möglichkeiten gibt es nun, diese Spannung weiter zu verringern? Ohne den Regelkreis unnötig zu beeinflussen versteht sich...

Eine davon: https://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=44150 . ;)

[Besserwessi]

Wenn man auch eine Stromregelung haben will, helfen der LM317 und ähnliche Regler ICs nicht wirklich weiter. Die passende Basis sind dann eher OPs als Regler und Transistoren / MOSFETs als Leistungselemente. Für den Bereich bis 25 V geht das auch noch relativ gut, weil es genügend OPs gibt die etwa den Bereich bis 30 V Abdecken. Wenn man wirklich wert auf eine saubere Spannung legt ist ein Trafo (ggf. mit Mittelabgriff) die bessere Wahl - die Störungen eines Schaltreglers kann man zwar filtern, aber das ist nicht wirklich trivial, sowohl vom Schaltungsentwurf als auch vom Layout. 25 V und 2 A sind sogar noch von einem Transistor / MOSFET zu verkraften.

Wegen dem Bereich kleiner Ströme ist es ggf. einfacher einen 2. kleinen Regler bis etwa 100 mA Aufzubauen, als zu versuchen den Strom über einen sehr großen Bereich zu variieren. Das Umschalten des Shunts beeinflusst halt auch den Regelkreis und ein großer Transistor geht nicht gut bei kleinen Strömen und kann gut einen gewissen Ruhestrom vertragen. Für den Anfang könnt man da auch mit dem kleinen Regler anfangen - das ist etwas einfacher, aber im Prinzip das gleiche.

Gerade für den Ruhestrom für die Endstufe hilft es sehr wenn man eine negative Hilfsspannung zu Verfügung hat.

Schaltungen zu Labornetzteilen findet man zu Hauf im Netz - nur leider sind da auch sehr viele schlechte dabei.

[PlasmaTubeI²C]

Schaltungen zu Labornetzteilen findet man zu Hauf im Netz - nur leider sind da auch sehr viele schlechte dabei.

Das stimmt leider und auch wenn sich der LM317 häufig gewährt hat, möchte ich eben auf genauere/stabilere ICs zurückgreifen.
Achso, die Regelung selbst entwerfen? Hmm, das würde natürlich mehr auf meine Ansprüche zurechtgeschnitten sein, allerdings ist das doch einen Ticken aufwändiger. (Überlast und Temperaturschutz)
Werde mich dennoch mal genauer informieren, das Grundschaltbild eines LDO-Regler besteht ja nur aus einem OPV, nem Transistor und einer Referenzspannungsquelle.


Gerade für den Ruhestrom für die Endstufe hilft es sehr wenn man eine negative Hilfsspannung zu Verfügung hat.
Das musst du mir jetzt noch mal genauer erläutern, stehe aufm Schlauch...

Achja, nochmal zurück zur eigentlichen Frage: Ist es denn nun möglich, wenn die minimale Ausgangsspannung des Reglers nicht 0V beträgt, diese durch externe Beschaltung runterzubringen? Oder eignet sich ein solcher Spanungsregler dann einfach grundsätzlich nicht für diesen Anwendungszweck?

[Besserwessi]

Der LM317 ist für so ein Projekt kaum geeignet, einfach wegen der Mindestlast. Da tut man eher keinen Gefallen und fängt gleich bei OPs und Transistoren an. Wenn es nur um eine Spannungsregelung (also ohne Präzise Strombegrenzung und Messung) geht, könnte man den LM317 ggf. noch nutzen. Bei mehr als 1,2 A ist auch das eher ein problem als eine Hilfe. Ein Problem beim LM317 ist schon, dass die Spannung direkt am Ausgang gemessen wird.

Ein Besserer Ansatzpunkt wäre schon der LT3080 oder der alte LM723 (auch wenn es da mit der genauen Stromregelung schwer wird).

Vermutlich wird man nicht drum rum kommen den Regler selber zu entwerfen, bzw. wenigstens einen Plan anzupassen.

Damit die Endstufe gut Regeln kann brauchen die Leistungstransistoren (oder MOSFETs) fast immer einen Ruhestrom. Für sehr kleine Ströme werden sie oft langsam und haben andere Eigenschaften. Es wird also viel Einfacher wenn man den Ausgang mit einem konstanten Strom (z.B. 10 mA für das 2 A Netzteil) belastet. Diesen Strom kann man vernünftig nur mit einer negativen Hilfsspannung (vor dem Regler - nach Außen sieht man davon nichts) erzeugen, wenn die Ausgangsspannung bis 0 runter soll.

Ein Projekt so etwa in die Richtung wäre das hier:
http://www.heise.de/ct/artikel/Kleinkraftwerk-291224.html

[PlasmaTubeI²C]

Ah, über das Netzteil-Projekt von Heise bin ich vor knapp zwei Jahren mal gestolpert, war mir damals aber zu kompliziert. Vielleicht lässt sich da einiges aus dem Schaltplan an Ideen übernehmen, dankeschön.
(Auch hier das Problem: Spannungsspitzen beim Umschalten der Versorgungsspannung, aber darüber kann man sich auch später Gedanken machen.)

Hab mich eben mal durch die ganzen Regler bei Digi-Key gewühlt, letztendlich hatte der LT3080-1 die besten Spezifikationen für dieses Projekt.
Falls jemand den EEV-Blog schaut: Dave hat vor zwei Jahren eine Videoreihe bezüglich eines Eigenbau-Netzteils veröffentlicht, wobei er auch den LT3080 verwendete.
Der LT3080-1 hat nen integrierten Widerstand von 25mOhm, um die Regler parallel verwenden zu können und die Ausgangsspannung geht bis (knapp) 0V runter, der maximale Strom in dieser Konfiguration beträgt 2.2A.

Also, dass ich das richtig festige, durch die negative Hilfsspannung kann auch bei 0V Reglerausgang ein Strom fließen?

[RoboHolIC]

Achja, nochmal zurück zur eigentlichen Frage: Ist es denn nun möglich, wenn die minimale Ausgangsspannung des Reglers nicht 0V beträgt, diese durch externe Beschaltung runterzubringen?

Lies doch meinen Post. Ich hab sogar die Seitenzahl dazugeschrieben.

[Besserwessi]

Ja, die negative Hilfsspannung erlaubt auch bei 0 V einen Strom, und den Ruhestrom (Parallel zur Last) kann auch noch konstant gehalten werden.

Das Heise Netzteil hat zusätzlich Sense Leitungen, die man eher selten braucht und die Schaltung komplizierter und anfälliger für Schwingungen macht - den Teil könnte man wohl einsparen. Ohne die Extra Sense Eingänge könnte man wohl 2 der OPs einsparen. Ein wenig komplizierter wird es halt durch die Umschaltung der Shunts. Von der Schaltung her ist es sonst ein relativ klassische Schaltung als ein konventioneller positiver Regler mit Shunt auf der low side. Das geht normal ganz gut, nur für so etwas wie ein Mehrfachnetzteil ist die Ausführung unpraktisch.
So etwa die Schaltung passt sonst auch schon ganz gut. Auch wenn man es anders aufbaut wird man mit etwa dem Aufwand rechnen müssen. Bei den Teilen könnte man ggf. noch günstigere CMOS Schalter und DACs und ggf. auch den ADCs finden.

[PlasmaTubeI²C]

Lies doch meinen Post. Ich hab sogar die Seitenzahl dazugeschrieben.

Habe ich, aber das bezieht sich doch nur auf den LM317? Also beim Schaltbild 2 auf Seite 8 ist ja eine Spannungsquelle von -10V verwendet, welche dann über den Spannungsteiler (einstellbar per Poti) auf den SET-Pin des LM317 geht,
was ja kein Problem ist, da dieser Pin auch mit negativen Spannungen zurecht kommt, somit lässt sich der Offset der Referenzspannung wegregeln.
Den LM317 möchte ich ja eigentlich nicht verwenden, vielleicht hab ich das nicht so deutlich gesagt... :rolleyes:

Jedenfalls als Beispiel, der SET-Pin des LT3086 lässt einen maximalen Spannungsbereich von -0.3V bis 36V zu, nachlesbar auf Seite 2:
http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/3086fa.pdf
Eine negative Hilfsspannung bringt da also nichts, oder? Das meinte ich eigentlich, was man mit einem solchen Regler macht, wenn der ADJ-Pin keine negativen Spannungen annimmt und Vout nicht 0 ist,
wahrscheinlich ist das dann das Ende der Fahnenstange.

Mal ne Frage: Wie wichtig ist es für den allgemeinen Hobbybastler, dass ein Labornetzteil runter bis auf 0V regeln kann? Ich kann aus Erfahrung sagen, gebraucht habe ich Spannungen unter 1V seltenst.
Ich habe aber auch kein regelbares NT rumfliegen, welches das nicht könnte...wäre diese Funktion u.U. vernachlässigbar?

[Besserwessi]

So wirklich wichtig ist eine Spannung unter 1 V nicht. Es gibt einige seltenen Fälle, aber da kann man sich meist mit einem Widerstand behelfen. Die Einstellung ist bei so kleinen Spannung meist auch nicht mehr gut.

Der Aufbau sollte aber so sein, dass die Strombegrenzung auch bei einem wirklichen Kurzschluss funktioniert - die Endstufe muss also in jedem Fall die kleinen Spannungen vertragen. Nur die Regelllung kann ggf. einen kleine Mindestspannung voraussetzen - der Aufwand dann gleich ganz bis 0 V runter zu gehen ist aber relativ gering.
Einige der eher schlechten Netzteilschaltungen variieren den Spannungsteiler an der Ausgangsspannung und vergleichen dann mit einer Konstanten Ref. Spannung (etwa so wie die Schaltungen mit dem LM317) - dadurch ergibt sich die Mindestspannung von etwa 1-2 V. Es ist aber sowieso (wegen der Stabilität) besser den Teiler (sofern man überhaupt einen braucht) an der Ausgangsspannung fest zu lassen, und die Ref. Spannung runter zu teilen und dann den Regelverstärker vergleichen zu lassen. Damit bekommt man ohne großen Aufwand dann auch einen Regelbereich bis praktisch 0 V, sofern man einen passenden (Signle Supply oder Rail-Rail) OP wählt.


Der Erlaubte Bereich (Absolute Maximum Ratings) bei der SetPin Spannung am LT3080 sagt nicht viel über die Funktion aus. Das heißt nur davon geht er nicht kaput. Die nagative Hilfsspanung erlaubt einen Ruhestrom auch bei Spannung nahe 0 V. Mit einem Widerstand als Grundlast wird der Strom halt recht gering und die Regeleigenschaften werden schlechter. Bis einige 10-100 mV runter kann man ggf. den Strom auch noch ohne negative Hilfspannung bereitstellen. Absolut notwendig ist die negative Hilfsspannung nicht, aber sie macht es ggf. einfacher. Mit einer negativen Spannung kann man auch Regler bauen, die eine negative Spannung erlauben, man muss es aber nicht.

[PlasmaTubeI²C]

Hallo,

Danke für eure Infos. Habe nun 2 Schaltungen simuliert, einmal mit dem LT3080 und einmal mit einem normalen Transistor als Spannungsregler, passt soweit alles. Die Strombegrenzung per OpAmp als Differenzverstärker funktioniert auch ganz gut,
was noch fehlt, sind ein paar Anpassungen bzgl. der Regelstabilität und Schutz gegen Spannungsspitzen und Übersteuern, das muss ich erst mal am Breadboard testen.
Vielleicht berichte ich dann in einem separaten Post von den Fortschritten, wenns denn funktioniert (virtuell tut es das).