Stromversorgung mit großer Eingangsspannungsbandbreite

[Olaf G. (laedi)]

Hallo Freunde des Arbeitens mit Mikrocontrollern,

ich möchte in einer Maschinensteuerung einen Microcontroller einsetzen, 
der dort Schaltaufgaben übernimmt. Das System rotiert, und auf der Welle 
sitzen der Controller und die Leistungselektronik. Strom ist vorhanden, 
aber..

die Rohspannung beträgt zwischen 100V und 5V.

Ich möchte den Spannungsbereich von 100V und soweit wie möglich bis 0V 
ausnutzen und bei einer definierten Spannung von z.B. 6,5V den 
Controller/ die Leistungselektronik auf einen definierten Stand bringen 
und abschalten.

Ich suche also eine Spannungsversorgung für den Controller (Atmega32), 
einfach und mit wenig Platzbedarf und für 5V/ ca. 200mA.

Die Leistungselektronik nutzt die Rohspannung und kommt damit zurecht.

Für die hohen Spannungen bietet sich ein Step-Down Schaltregler an. Es 
gibt welche bis 65V Eingangsspannung. Wenn ich von 55V ausgehe. würde 
ich für die restlichen 45 V zzgl. einer Reserve einen diskret 
aufgebauten Längregler mit Spannungsteiler aus Widerstand und Z-Diode 
einsetzen wollen, wie bei

http://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Kap3/Kapitel3.html#3.2

dort Bild 3.2.2 A

So dass am Step Down Regler nur 55V anliegen.

Der Stepdownregler würde bei einem Wirkungsgrad von eta=70% und 
P=5V*0,2A/eta=360mW aus dem Längsregler ziehen, bei einer Spannung von 
55V sind das 6,5mA. Damit würden über den Längsregler ca. 
6,5mA*45V(ca)=290mW abfallen. Das ließe sich mit einem entsprechen 
spannungsfestem Leistungstransistor bewerkstelligen. Aus meiner Sicht 
machbar.

Kritik: Die Rohspannung ist nicht geglättet (100Hz Ripple) das könnte 
den Regler irritieren. Aber ich möchte aus Platzgründen keinen HV-Elko 
einsetzen, sondern den Elko erst nach dem StepdownRegler bei 5V 
platzieren.

Frage1: Ist ein StepDown Regler kaskadiert mit einem Längsregler 
sinnvoll oder habt Ihr bessere Ideen?
Frage2: Ist das Problem, eine MCU über eine hohe und stark schwankende 
Spannung zu versorgen, schon einmal anderweitig diskutiert oder gelöst 
worden?


besten Dank für Eure Kommentare


laedi

[Der kleine Nils (Gast)]

Wie wäre es mit einem Buck-Boost?

[Udo S. (urschmitt)]

Olaf Gk. schrieb:
> Aber ich möchte aus Platzgründen keinen HV-Elko
> einsetzen, sondern den Elko erst nach dem StepdownRegler bei 5V
> platzieren.

Dort musst du auch die entsprechende Zeit überbrücken können. Zudem muss 
dein Regler die pulsierende Eingangspannung abkönnen. Zumindst der 
Regler selbst wird eine halbwegs gesiebte Spannung brauchen.

[GB (Gast)]

Der kleine Nils schrieb:
> Wie wäre es mit einem Buck-Boost?

Für einen Eingangsspannungsbereich von 20:1?

Man kann so etwas machen, z.B. mit einem Sperrwandler mit mehreren 
Primärwicklungen (macht ein Kollege gerade mit einem Wandler der 
entweder an 24VDC oder 560VDC hängt).

[Olaf G. (laedi)]

Vielen Dank für Eurer schnelles Feedback.

@Der kleine Nils: Buck/Boost Converter war auch eine Idee von mir, 
jedoch ist die maximale Spannung der fertig integrierten Lösungen nicht 
ausreichend. Wie mir später durch Dich klar geworden ist, ist der 
Spannungsbereich unter 5V nicht wirklich sinnvoll nutzbar, weil diese 
Spannung auch die Spannung an der Leistungselektronik ist und sich da 
nicht mehr viel ruckt. Mal von dem Problem, MOSFET mit weniger als 5V 
anzusteuern, ganz abgesehen.

@Udo Schmitt: Ja, das Problem mit der pulsierenden Eingangsspannung 
sehen  ich auch so. Ich werde es probieren und vor dem Step-Down Regler 
den dort geforderten Elko von (gottseidank!) nur 22y/63V einbauen.

@GB: Vielen Dank, das zeigt mir, dass es wirklich ein Problem zu sein 
scheint.


Hier eine Schaltungsentwurf kurz hingeschmiert, nicht DIN konform, wer 
das sehen wollte...

besten Dank für das Feedback.

laedi

[Olaf G. (laedi)]

Hallo Freunde des Arbeitens mit Mikrocontrollern,


die von mir vorschlagene Schaltung funktioniert.

Aber: Der Spannungsabfall über den Längstransistor ist mit 4,5V zu hoch. 
Das führt dazu, dass im Bereich unter 10,5V kaum eine vernüftige 
Spannung für einen Mikrocontroller mit 5V anliegt.

Nach einigem Recherchieren hier im Forum und in weiteren Sites bin ich 
der Empfehlung von Oliver Betz 
(http://oliverbetz.de/pages/Artikel/Linearregler-600V) (Dank!) gefolgt 
Er schlägt einen selbstleitenden MOSFET vor.

Die Schaltung verändert sich wie angegeben (Bild). Somit kann eine 5V 
MCU ab einer Spannung von 7V bis 70V (getestet) arbeiten. Für Spannungen 
oberhalb von 70V fehlten mir die technischen Voraussetzungen, ich sehe 
jedoch keinen Grund, warum die Schaltung nicht auch bis 120V arbeiten 
sollte, ausser die Verlustleitung.

Ich habe die Schaltung betrieben mit 50V Wechselspannung, 
gleichgerichtet über eine Graetzbrücke (also ca. 71V). Der 
Längstransistor BSP140 folgt der Spannungsänderung der ungesiebten 
Gleichspannung und verbrät nun alle Spannungen und Spannungspitzen 
oberhalb der 51V, die durch die Z-Diode vorgegeben sind. Wenn man vor 
dem Längstransistor einen Siebelko schaltet, dann erhöht sich die 
effektive Spannung (weniger Ripple), und der Längstransistor erzeugt 
beim Ausregeln mehr Verlustleistung, d.h. der 22y Elko schadet mehr als 
er nützt, deshalb optional.
Ab 51V sollte auf jeden Fall kein Eingangselko verwendet werden, und man 
muss die Verlustleistung des Längstransistors (Kühlung, weil Pv bis 1,2W 
möglich!) im Blick haben.

Die Stromversorgung ist nicht kurzschlußfest. Bei mir wird sie für einen 
Festeinbau in einer Schaltung verwendet, die nicht mehr als 90mA bei 5V 
bzw. bei 2,7V entsprechend weniger zieht. Die MCU Atmega32u4 soll mit 
internem RC Oszillator betieben werden (8Mhz) und kann dann auch hinab 
bis  2,7V arbeiten, sofern die Ausgangspegel dann noch reichen. 
Versuchweise habe ich einen ATMEGA32u4 mit Quarz und 16Mhz 
angeschlossen, und er hat funktioniert, ich weiß, das ist kein ernster 
Test, aber schon mal plausibel. Wie glatt die Gleichspannung ist, habe 
ich nicht testen können (kein Oszi).

Besten Dank an die Macher für dieses wirklich hilfreiche Forum


Laedi

Bild1: Schaltung
Bild2: Messergebnisse zur Schaltung