Prinzipfrage: Überbrückung von kurzen Spannungseinbrüchen

[wichtel16 (Gast)]

Hallo,

Ich möchte über KFZ-Bordspannung ein Raspberry Pi betreiben, wobei es -- 
klassiker -- den Startvorgang sowie etwaige Über-/Unterspannungen im 
Betrieb so überleben soll, dass die Funktionsweise nicht beeinträchtigt 
wird. Ich hab viel recherchiert, bin aber etwas mit Informationen 
überladen und wollte euch bei ein paar Aspekten um Rat bitten:

1. Überspannungsschutz: Ich habe zum Schutz meiner Schaltung vor 
Überspannungen Kfz Spannungsspitzenkiller / Transientenschutz 
gefnuden. Wenn ich die dort befindliche D1 mit einer Durchschlagspannung 
von 12V wähle, sollten auf OUT nie mehr als 12V anliegen (und eigentlich 
auch nicht weniger als 0V, oder?). Natürlich würde ich davor eine 
Sicherung schalten, wie im Artikel beschrieben.

2. Konstantspannungsquelle: Ich möchte somit aus 0-12V saubere 5V 
machen. Ich brauche also (1) einen Spannungsregler (würde einen 
Schaltregler verwenden und entsprechend beschalten) und (2) eine 
Vorrichtung, um Unterspannungen zu überleben. Meine Überschlagsrechnung 
hat Ergeben, dass ich dafür eine Kapazität von ca 4.45F (also zB 5F) 
benötige.

Mein Rechenweg war folgender:

U_max = 12V (Primärseitige Spannung bei normalem Betrieb)
U_out = 5V (Stromversorgung vom Pi)
U_min = 7V (Ich nehme 2V Spannungsabfall an einem Spannungsregler an)
I = 1.5A (Maximalstromstärke des Pi + genug Reserve für 
Zusatzkomponenten)
R = 3.33 Ohm (5V / 1.5A)
t = 8s (Startvorgang im Auto, U = 5V soll so lange aufrecht bleiben)

$$U(t) = U_0 e^{-\frac{8}{R*C}}$$

$$7 = 12 e^{-\frac{8}{3.33*C}}$$

$$C \approx 4.45\text{ F}$$

Dürfte soweit stimmen, falls ich mich nicht vertan hab. Bei 5F springen 
mir natürlich Supercaps (Goldcaps?) ins Auge, mit ihren Kapazitäten im 
bis zu zweistelligen Faradbereich wirken die ja sehr vielversprechend. 
Ich kenne mich aber zu wenig aus, um zu bestimmen, ob sie wirklich die 
richtigen sind. Ich habe viel darüber gelesen, dass Supercaps nicht für 
leistungsstarke Anwendungen geeignet sind, und mit meinen (wohl 
überdimensionierten, aber sicher ist sicher) 1.5A könnte man ja schon 
von stärkeren Anwendungen sprechen (im Vergleich zu einigen mA fürs 
EEPROM-Speichern) ... oder?

Also mein Ansatz, den ich jetzt verfolgen würde, wäre, dass ich die 
0-12V aus dem Überspannungsschutz in etwas in die Richtung von [1] 
(Abschnitt "praktische Umsetzung") leite, dieses macht daraus dann 5V. 
Zwischen Überspannungsschutz und Schaltregler würde ich dann Supercaps 
schalten, entsprechend so viele, dass ich auf die 12V Nennspannung komm 
(z.B. 3 * 5V).

Bin da am Ende meiner Kompetenzen, finde im Internet viel und doch 
nichts, was mir die Sicherheit geben würde, dass ich nicht komplett am 
Holzweg bin; ich hoffe, jemand von euch kennt sich aus und ist so nett, 
sein Wissen mit mir zu teilen. Vielleicht bin ich ja komplett falsch 
unterwegs und denke viel zu kompliziert :-)

Danke!

Liebe Grüße
Wichtel

[1] http://rn-wissen.de/wiki/index.php/Spannungsregler

[WehOhWeh (Gast)]

Goldcaps haben oft das Problem, dass der Innenwiderstand zu hoch ist. Es 
gibt aber spezielle Typen für diese Art von Anwendung.

Schau mal bei Kemet, da hab ich mal passende für eine µC-Schaltung 
gefunden. Die FT-Serie ginge für 50mA, es gibt aber auch niederohmigere.

Kuckst du hier:
http://www.kemet.com/Lists/ApplicationBriefs/Attachments/74/Supercapacitors.pdf

[Peter II (Gast)]

leider haben diese Power-Kondensatoren meist weniger als 3V.

http://www.mouser.com/catalog/specsheets/Maxwell_Technologies_k2_2_85v_ds_3000619en_1.pdf

Muss man halt ein paar mehr in reihe schalten, diese haben zumindest 
kein Problem mit dem Strom. (gibt es bestimmt auch etwas kleiner)

[Max D. (max_d)]

Auch während man den Anlasser orgelt sollten eigtl noch 6-7V zu haben 
sein. Genug um mit einem stepdown zu regeln.
Interessanter sind kurzzeitige extreme Spitzen (je nach Auto können das 
>100V sein). Sowas filtert man am besten induktiv raus.

[Pandur S. (jetztnicht)]

Wow .. 1.5A, was soll denn damit gespiesen werden? Irgendwelche 
Peripherie? Kann die kurzfristig auch unterversorgt sein, dh ausgehen?
Sicherung ist zwar richtig aber trotzdem falsch. denn was bringt ein 
Gerat, das nicht laeuft. Besser ist immun zu sein.
Ich wuerd die Transienten nicht be 12V abwuergen, sondern auf zB 24..30V 
begrenzen und von dort mit einem Schaltregler runter. So kann man die 
Energie nutzen.

[Michael B. (wichtel16)]

WehOhWeh schrieb:
> Schau mal bei Kemet, da hab ich mal passende für eine µC-Schaltung
> gefunden. Die FT-Serie ginge für 50mA, es gibt aber auch niederohmigere.

Cool, danke! Die schauen garnicht so schlecht aus.

Peter II schrieb:
> Muss man halt ein paar mehr in reihe schalten, diese haben zumindest
> kein Problem mit dem Strom. (gibt es bestimmt auch etwas kleiner)

Ja, sieht aus als wär Reihenschaltung wohl unumgänglich falls ich 
Supercaps brauche. Da kommt dann natürlich die nicht-gleichmäßige 
Spannungsverteilung ins Spiel, wo ich -- wenns dazu kommt -- noch 
separat Fragen hab. Aber alles mit seiner Zeit.

Jetzt Nicht schrieb:
> Wow .. 1.5A, was soll denn damit gespiesen werden? Irgendwelche
> Peripherie? Kann die kurzfristig auch unterversorgt sein, dh ausgehen?

Unter anderem ein 3G-Stick und ein WLAN-Stick, beide sollten nicht 
unterversorgt sein.

Max D. schrieb:
> Interessanter sind kurzzeitige extreme Spitzen (je nach Auto können das
> >100V sein). Sowas filtert man am besten induktiv raus.

Jetzt Nicht schrieb:
> Ich wuerd die Transienten nicht be 12V abwuergen, sondern auf zB 24..30V
> begrenzen und von dort mit einem Schaltregler runter. So kann man die
> Energie nutzen.

Wie begrenze ich Transienten schnell genug? Mir würde hier ein LR-Glied 
einfallen (das hast du, Max, ja mit "induktiv" gemeint, oder?). Das 
würde kurzfristige Transienten filtern ohne eine Sicherung fliegen zu 
lassen. Von dort aus könnte ich dann Step-Down auf 5V gehen ... leider 
habe ich bis jetzt kaum mit Induktivität gearbeitet und weiß nicht, ob 
das reicht:

                                  +-----------------------+
+ BAT ---|=====|------+-----------| StepDown-Schaltung 5V |---- VCC 5V
            L         |           +-----------------------+
                     +-+                      |
                     | |                      |
                     | | R                    |
                     | |                      |
                     +-+                      |
                      |                       |
- BAT ----------------+-----------------------+---------------- GND

Schützt mich das (vorbehaltlich richtiger LR-Dimensionierung) vor 
Spannungsspitzen (auch < 0V)?

Und: Wo müsste ich meine 5F ansetzen, wenn ich dann trotzdem 
Spannungsabfälle überbrücken möchte? Eventuell zweistufig Spannung 
wandeln -- erstmal von V_BAT auf 10V, diese mit Supercaps unterstützen, 
und dann von 10V auf 5V? Somit können die Supercaps dann zwischen 10V 
und ~7V unterstützend wirken.

Fragen über Fragen, ich weiß...

[Karl (Gast)]

wichtel16 schrieb:
> Mein Rechenweg war folgender:
>
> U_max = 12V (Primärseitige Spannung bei normalem Betrieb)
> U_out = 5V (Stromversorgung vom Pi)
> U_min = 7V (Ich nehme 2V Spannungsabfall an einem Spannungsregler an)
> I = 1.5A (Maximalstromstärke des Pi + genug Reserve für
> Zusatzkomponenten)
> R = 3.33 Ohm (5V / 1.5A)
> t = 8s (Startvorgang im Auto, U = 5V soll so lange aufrecht bleiben)

Überdenke doch mal deine Annahmen. Wie wäre es mit LDO Spannungsregler 
und 5,5 V während des Startvorgangs. Dann reicht auch ein kleiner Elko, 
für den Moment, wo der Anlasser andreht.

[Max D. (max_d)]

Michael Borkowski schrieb:
> Schützt mich das (vorbehaltlich richtiger LR-Dimensionierung) vor
> Spannungsspitzen (auch < 0V)?

Gegen <0V schützt du dich mit der selben Diode mit der du dich auch 
dagegen schützt, dass beim orgeln strom aus dem Wandler zurückfließt. 
Einfach in serie mit der Versorgung, die 300 mV von ner Schottky sollten 
kein Prob sein.

Gegen kurzzeitige Spitzen hift LC sehr gut und gegen längere kann man 
immernoch Z-Diode+Transistor schalten (und damit auf. z.b. 24V 
begrenzen).

[Joachim B. (jar)]

bist du sicher das du ein Unterspannungsproblem hast?

Die 5V Schaltregler (DC/DC stepdown KIS 3R33 umgebaut auf 5V) die ich 
bis jetzt nutze kommen mit 6,5V Uin zurecht und selbst beim Starten 
sollte die Batteriespannung nicht viel unter 8V sinken, sonst dreht der 
Starter nicht mehr.

[Anja (Gast)]

Joachim B. schrieb:
> und selbst beim Starten
> sollte die Batteriespannung nicht viel unter 8V sinken,

Der Testimpuls bei Startspannungseinbruch geht bei manchen Herstellern 
bis auf 4V herunter. (14V-Bordnetz)

wichtel16 schrieb:
> Wenn ich die dort befindliche D1 mit einer Durchschlagspannung
> von 12V wähle,

... dann fliegt regelmäßig die Sicherung.
Der Transientenschutz darf bei normaler Bordnetzspannung 9-18V noch 
nicht ansprechen.
Außerdem gibt es noch den Test-Impuls Jump-Start mit 24V für 1 Minute.

Gruß Anja

[Pandur S. (jetztnicht)]

Wenn man Stromfresser, wie eine Hintergrundbeleuchtung waehrend 
Unterspannung, oder detekiertem Spannungseinbruch (einige 10ms frueher), 
abhaengt, kommt der Strombedarf runter und somit auch die erforderliche 
Kapazitaet.