LM317 mit elektronischer Sicherung
- Elektronik-Minikurse: Inhaltsverzeichnis WICHTIG: Diverse technische Infos
- Elektronik-Minikurse: Philosophie (Sinn, Vorwissen, Praxisbezug)
- Hilfe bei Leserfragen. (WICHTIG: Unbedingt zur Kenntnis nehmen!)
- Simulieren und Experimentieren, ein Vorwort von Jochen Zilg
- Autor: Thomas Schaerer Opamp-Buch Timer555-Buch
Einleitung
Es gibt viele Schaltungen zum Thema elektronische Sicherung für
DC-Spannungen. Ein Blick in die Bilderseite von
Google
zeigt es. Viele Schaltungen sind diskret mit wenig Transistoren
realisiert. Allen gemeinsam ist die Strombegrenzung mittels eines
Shuntwiderstandes. Als Referenzspannung für den Maximalstrom dient die
Basis-Emitter-Spannung von einem dieser Transistoren. Ein praktisches
Bespiel zeigt und erklärt dieser
Link.
Es gibt Netzgeräte und Netzteile mit fixer oder einstellbarer
Ausgangsspannung und ebenso mit fixem oder einstellbarem Maximalstrom
(elektronische Strombegrenzung). Damit sich die Schaltung im Falle eines
Kurzschlusses thermisch nicht überlastet, müssen entsprechende
Massnahmen integriert sein. Bei einem diskreten Schaltungsaufbau ist das
keine leichte Aufgabe. Deutlich einfacher ist es, wenn ein integrierter
(Leistungs-)Spannungsregler zum Einsatz kommt. Bei Überlastung oder
Kurzschluss sorgt ein Teil der IC-internen Schaltung dafür, dass die
Chip-Temperatur nicht zu hoch werden kann und das Leistungs-IC zerstört.
Dies bedeutet, je höher die Chip-Temperatur um so niedriger der
geregelte Kurzschluss-Strom.
Man nennt dieses Verhalten
Safe-Operating-Area (SOA).
Es gibt eine maximal zulässige Chiptemperatur, die nicht überschritten
werden darf. Geregelt wird dabei der Strom und bzw. die Verlustleistung
so, dass die maximale Chiptemperatur nicht überschritten werden kann. Je
grösser die Dropoutspannung über dem Spannungsregler
(Leistungs-Transistor) ist, um so niedriger ist der maximale Strom, wie
es
Figure 6,
hier vergrössert dargestellt, aus dem Datenblatt des
LM317 zeigt.
Man beobachte den Parameter Tj=25ºC (Tj ist die Chip-Temperatur), so
erkennt man, dass bei 25ºC etwa maximal 2.2 Ampere möglich sind bis zu
einer Dropoutspannung von knapp 11 VDC. Um diese niedrige Temperatur zu
halten, ist eine extrem massive Kühlung notwendig und da gibt es den
thermischen Widerstand zwischen Chip und Gehäuse als auch zwischen Chip
und Umgebung.
Wird dies nicht berechnet für eine optimale Kühlung und dies nicht
umgesetzt, dann wird der Strom (bzw. Leistung) automatisch auf einen so
niedrigen Wert geregelt, dass die Chip-Temperatur keinen Schaden
anrichten kann. Selbstverständlich ist ein Betrieb bei Tj=25ºC völlig
unrealistisch. Im Kapitel Features liest man dazu passend:
-
* Internal thermal overload protection
und
* Internal short-circuit current limiting constant with temperature
Ein kleines Experiment mit dem LM317
Bild 1 zeigt die typisch einfache Schaltung des Spannungsregler LM317.
R1 und R2 erzeugen die gewünschte Ausgangsspannung an Ua, wobei die
Spannung über R1, gemäss der IC-internen
Bandgap-Referenz,
sehr konstant ist. Ua wird aber für das Experiment mit GND
kurzgeschlossen. An den Eingang Ue schaltete ich ein Akku-Ladegerät, das
bei 12 VDC etwa 4 Ampere liefert. Kaum angeschlossen sank der Strom auf
120 mA. Am Montageteil des LM317 stieg die Temperatur ebenso schnell auf
130 ºC und blieb konstant. Die Chip-Temperatur ist um einiges höher.
Dies zu errechnen ist möglich mit dem thermischen Widerstand "Junction
to Case", definiert in "Electrical Characteristics -
LM317" auf Seite 2 im LM317-Datenblatt mit 5 °C/W.
Das Mass der zulässigen Verlustleistung ist abhängig von der
Wärmeableitung, z.B. mit einem Alu-Kühlprofil mit Rippen. Die Kühlung
ergibt sich aus der Abstrahlung der Wärme (Infrarot) und der
Luftkonvektion durch diese Rippen. Bei hoher Leistung wird dies oft mit
einem Ventilator unterstützt. Für das Experiment benötigt man eine
Kältespray-Dose. Ein kurzer Spritzer zum Montageteil des LM317 und man
sieht wie der Strom schnell hoch- aber auch wieder ebenso schnell
runterfährt. Eben so schnell fällt die Temperatur und steigt
nach dem Kältespritzer wieder auf 130 ºC.
Dieses kleine Experiment eignet
für den praxisorientierten Elektronik-Unterricht!
LM317 mit elektronischer Sicherung
Die vorliegende Schaltung eignet sich als Stand-Alone-Netzteil mit vorgeschaltetem Netztrafo, Gleichrichter und Glättung mit Elko. Oder als Zusatz zu einem bereits bestehenden Netzteil oder Netzgerät. Für den Azubi, im Bereich seiner Elektronik-Ausbildung, eignet sich die Schaltung um einiges zu Lernen im Bereich von integrierten Spannungsreglern und ebenso die Eigenschaften eines Leistungs-MOSFET in der Funktion der elektronischen Sicherung. Es lohnt sich für den Azubi auch nur Teile der Schaltung mit einem Steckbrett zu realisieren. Messen und so etwas zu lernen. Gewisse Aha-Effekte werden nicht ausbleiben. Dazu kommt, dass es einige Elektronik-Minikurse gibt, die man zum Studium mit einbeziehen kann. Es geht u.v.a. dabei ebenfalls um den LM317. Man kann hier auswählen:
- Integrierte fixe und einstellbare 3-pin-Spannungsregler und zwei Akku-Ladeschaltungen mit LM317LZ und LM317
- Spannungsregler Spezial: Das 78xx-, LM317- und das Lowdropout-Prinzip
- LM317 runter bis Null Volt und frei definierbare Strombegrenzung
Ist die Verlustleistung wegen Überlastung oder Kurzschluss so hoch, dass die Zerstörung des IC droht, reduziert ein Teil der internen IC-Schaltung, wie bereits angedeutet, den Strom soweit, dass dies nicht passieren kann. Dadurch wird die relativ hohe Temperatur unterhalb des kritischen Wertes stabilisiert. Der Strom geht so weit wie nötig zurück. Man bezeichnet diesen Vorgang den Save-Operating-Area.
Wir beginnen mit der Elektronischen Sicherung. Mit dem
Einschalten von Schalter S, fliesst vom Eingang Ue ein Strom durch die
träge Schmelzsicherung F (Fuse) mit 3 A via C1 und R1 nach GND. Dabei
wird mit der Zeitkonstante R1*C1 von etwa 50 ms C1 geladen. Via R2
fliesst, während des Ladens von C1, ein abnehmender Strom in die Basis
von T2, weil die Spannung über R1 ebenfalls abnimmt. Es resultiert ein
niedriger T2-Kollektorstrom, aus Ue via R5 und R4. R5 liefert während
diesem Vorgang die notwendige Gate-Source-Spannung für T1. T1 leitet und
sein Drain (D) liefert Strom zum Eingang des LM317. Dies allerdings nur
so lange wie T2 aktiv ist. Aber bereits etwas zuvor übernimmt T3 die
selbe Aufgabe wie zuvor T2. Der Drain von T1 liefert ohne Unterbrechung
weiter den Strom zum Eingang des LM317, weil vom Ausgang des LM317
fliesst via R3 ein Strom in die Basis von T3. Auf diese Weise bleibt der
LM317 ohne Unterbruch aktiv. Dies ist ein Mitkopplungs-Effekt, auch als
positiver Feedback bekannt.
Kurzschluss: Das ändert sich erst, wenn zwischen Ua und GND ein
Kurzschluss geschieht. Dann wird dieser Stromkreis zurück zur
Elektronischen Sicherung unterbrochen, weil die T3-Basis
keinen Strom mehr bekommt und so das Gate von T1 Source-Potenzial hat,
durch den Einfluss alleine vom stromlosen R5. T1 ist offen und der Drain
liefert keinen Strom mehr zum Eingang des LM317. Wenn der Kurzschluss
zwischen Ua und GND beseitigt ist, muss man Schalter S kurz aus- und
wieder einschalten und die gesamte Schaltung arbeitet wieder als stabile
DC-Spannungsquelle, wie zuvor.
Strommessung: Will man den Strom messen, eignet sich der Ausgang
Ua nicht, weil der Innenwiderstand des Messgerätes die Stabilität der
Ausgangsspannung verschlechtert. Dazu kommt, dass die Spannung über der
Strommessung (Shunt) dazu beiträgt, dass der Kurzschluss evtl. nicht
erkannt wird durch die Schaltung mit T3, weil die T3-Basis noch Strom
leitet. Dieses Problem kann man jedoch beseitigen mit dem zusätzlichen
Widerstand Rx. Der Spannungsteiler R3/Rx bewirkt, dass am Knotenpunkt
von R3 und Rx die T3-Basis-Emitter-Spannung so niedrig ist im Zustand des
Beinahe-Kurzschlusses, dass kein T3-Basis- und somit kein
T3-Kollektorstrom fliessen kann. Rx muss man so dimensionieren, dass die
Spannung über Rx nicht grösser ist als etwa 0.4 VDC. Aber, wie erwähnt,
dies muss nur dann beachtet werden, wenn die Strommessung an Ua erfolgen
muss.
Wenn es so funktioniert ist die gesamte Schaltung im Aus-Zustand. T2 und
T3 leiten nicht. R5 sorgt dafür, dass das T1-Gate
(MOSFET)
auf Sourcepotenzial liegt. Erst dann wenn Schalter S geöffnet und wieder
geschlossen wird, wird C1 erneut via R1 aufgeladen. Während dessen der
T2-Kollektorstrom den T1 aktiviert, LM317 seine Aufgabe wahrnimmt und
den T3-Kollektorstrom aktiviert. Dabei wird T2 inaktiv, knapp bevor C1
aufgeladen ist. Es läuft also genau so ab, wie wenn Rx nicht im Einsatz
ist bei totalem Kurzschluss zwischen Ua und GND.
Schmelzsicherung: Wozu diese träge Sicherung F (Fuse) mit 3 A?
Ganz einfach, wenn aus irgend einem Grund die Schaltung nicht mehr
funktioniert und total kurzschliesst innerhalb der Schaltung, ist F die
letzte und sichere Instanz, dass alles ausgeschaltet wird und möglichst
kein Bauteil irgendwelche Rauchzeichen von sich gibt. Dabei ganz
wichtig, nicht vergessen, die Wärmeableitung des LM317 muss auf die
maximale Verlustleistung bei Kurzschluss an Ua dimensioniert sein. Auch
ohne Kurzschluss ist die Verlustleistung im Betriebszustand fast gleich
gross, wenn Ua auf der niedrigsten Spannung, das ist die
Referenzspannung von 1.25 VDC, im Einsatz ist. Eine Unterstützung zur
Berechnung eines Kühlkörpers bietet dieser Elektronik-Minikurs:
- Einfaches Labornetzteil 0...20VDC / max. 3A mit NPN-Komplementärdarlingtonstufe und Überlastanzeige (Overload) Siehe Kapitel "Kühlkörper-Online-Berechnungsprogramme".
Maximale Gate-Source-Spannung:
Die Z-Diode Z mit 12 VDC (oder 15 VDC) sorgt dafür, dass die
Gate-Source-Spannung von T1 unterhalb von 20V bleibt (siehe Datenblatt).
LM338 der grosse Bruder des LM317: Genügen maximal 1.5 A nicht,
kann man den LM317 durch den LM338 ersetzen mit maximal 5 A. Getestet
habe ich dies nicht. Ich sehe, auf Grund des Vergleichs der beiden
Datenblätter, keinen Grund weshalb es Probleme geben soll. Der MOSFET
IRF9Z34N (T1)
eignet sich problemlos auch für die 5-Ampere-Version. Bei 5 A beträgt
die Drain-Source-Spannung 0.5 VDC. Ist das zuviel, muss man ein MOSFET
mit einem geringeren Drain-Source-Widerstand wählen.
Trafo, Gleichrichter und Elko: Dies fehlt noch, ist aber hier
kein Thema. Es gibt viel Literatur zu diesem Thema im Internet und in
Büchern. Zur Berechnung eines Trafos empfehle ich stets das Buch
Halbleiter-Schaltungstechnik
von Ulrich Tietze, Christoph Schenk und Eberhard Gamm. Es gibt ein
grosses Kapitel "Stromversorgung", das die Berechnung von
Netztrafo, Gleichrichter und Glättungs-Elko beinhaltet. Ich bin im
Besitz eines Buches der 9. Auflage. Ob bei der aktuellen Version dieses
Thema noch immer derart ausführlich bearbeitet ist, muss man sich beim
Autor (siehe Link) erkundigen. Eine gewisse Kürzung wäre verständlich,
weil man annehmen muss, dass neue Themen in den neuen Buchversionen
erscheinen und entsprechend Platz benötigen.
Eine gewisse Unterstützung diesbezüglich bietet auch dieser
Elektronik-Minikurs mit dem Titel:
Renovation eines "Steinzeit"-Netzgerätes
0.1 - 10 VDC / 3A
Siehe ab Kapitel
"Trafo, Gleichrichter und Spannungsverdoppler".
Einschalt-Stromimpuls messen: Es geht auch einfacher und ohne die
Test-Schaltung mit den Transistoren T1t, T2t und T3t (t für Test). Aber
der Leitungsunterbruch zwischen der Schmelzsicherung F (Notfall!) und
der Source (S) des MOSFET T1 muss sein, wegen dem
Strommess-Shuntwiderstand Rsh. Anstelle von T1t, T2t und T3t genügt ein
Taster, verbunden mit den T1t-Lötaugen für Kollektor und Emitter auf dem
Print. Voraussetzung ist das Vorhandensein eines Speicher-Oszi, weil
dieses muss beim Tastendruck das Einzelereignis auf dem Bildschirm
festhalten. Siehe skizziertes Diagramm in Teilbild 3.1.
Statt Taster niederfrequente Rechteckspannung: Es geht auch mit
einem (alten) analogen Oszi, wenn am Eingang Ut eine Rechteckspannung im
unteren Hz-Bereich anliegt. Das kann eine TTL-Spannung oder eine
Spannung aus einer CMOS-Schaltung sein. Fehlt so etwas, ist es leicht
einen solchen Taktgenerator mit einem 555-Timer-IC - vorzugsweise mit
der CMOS-Version TLC555 oder LMC555 - zu realisieren. Wie das geht,
zeigt dieses
Bild aus
diesem
Elektronik-Minikurs
im Kapitel
"Rechteckgenerator, einfacher und trotzdem besser!". Man
beachte die linke Bildhälfte mit der CMOS-Version (LMC555 TLC555) und
der einfachen Berechnungsformel für die Frequenz. Natürlich geht es auch
mit einem vorhandenem Rechteck- oder Funktionsgenerator, wenn dieser
nicht für einen andern Zweck im Einsatz ist.
Wie funktioniert die Messung?: Im ersten Moment der steil
steigenden Spannung Ut beginnt der Kurzschluss-Strom (siehe die kleinen
Pfeile) zu fliessen. Dies ist möglich während C1 sich via R1 auflädt.
Ganz im Anfang hat die Spannung über R1 den Wert von beinahe Ue. Mit
zunehmendem Aufladen von C1 nimmt diese Spannung über R1 ab. Ein kleiner
Teil diese Stromes fliesst via R2 in die Basis von T2. T2 leitet mit
seinem Kollektorstrom. Dieser Stromfluss mit dem Beinahe-Ue-Pegel an der
Source S von T1 via R5 erzeugt zunächst soviel Gate-Source-Spannung,
dass T1 gesättigt ist mit dem niedrigem Drain-Source-Widerstand von etwa
100 m-Ohm (siehe Datenblatt).
Dies erzeugt zunächst den konstanten maximalen Kurzschluss-Strom von
etwa 2 A, begrenzt durch den LM317, wie es das Diagramm in Teilbild 3.1
zeigt. Dies während etwa 20 ms. Dann, nach dem Ende der T1-Sättigung,
sinkt die Spannung über R1 wegen dem Aufladen von C1. Dabei reduziert
sich der Kurzschluss-Strom mit weiteren etwa 30 ms. T1 verlässt den
Sättigungszustand. Nach etwa total 50 ms ist der Kurzschluss-Strom auf
Null, weil das T1-Gate Source-Potential hat. Die elektronische Sicherung
hat ihre Aufgabe erfüllt. Ein Neustart ergibt sich, wenn Ut einen neuen
High-Pegel liefert. Der selbe Vorgang wiederholt sich. Beseitigt man
zuerst den Kurzschluss an Ua (Ks), erzeugt ein neuer kurzer Highpegel an
Ut die Aktivierung der Ausgangsspannung Ua und der LM317 erfüllt erneut
seine Pflicht.
Vom Overload-Stromsensor zur elektronischen Sicherung
Ganz zum Schluss zu einem der ersten und ältesten Elektronik-Minikurse. Es ist eine andere Art von elektronischer Sicherung als diese hier. Der E-Minikurs ist aufgeteilt in zwei Teilen. Der erste Teil widmet sich den Grundlagen. Im zweiten Teil folgt eine praktische Anwendung, und von dieser Seite zeigt ein Link zum E-Minikurs Sicherer ICs testen, ein Hochsicherheits-Netzteil. Auch hier hat es eine elektronische Sicherung.
Thomas Schaerer, 19.03.2021