Ist diese TL431-basierte Überspannungsbegrenzungsschaltung in Ordnung?

Ich habe eine Versorgungsschiene mit 15 V nominal +/- 5%. Die höchste Nennspannung beträgt also 15,75 V. Durch externe Fehlerströme von bis zu 200 mA kann die Spannung auf dieser Schiene anormal ansteigen. Die Fehlerströme werden nach einigen 100 µs durch zusätzliche Schaltungen abgeschnitten, aber während dieser Zeit entladen Klemmdioden den Fehlerstrom in die Versorgungsschiene.

Die Geräte auf dieser Schiene haben die niedrigste absolute Höchstspannung von 18 V. Ich habe festgestellt, dass das Fenster zwischen 15,75 V und 18 V zu eng für einen einfachen Begrenzer auf der Basis von Zener-/TVS-Dioden ist. Also dachte ich darüber nach, einen billigen generischen Shunt-Regler wie den TL431 zu verwenden, und kam auf die folgende Schaltung (die ungefähr auf 16,5 V begrenzt, wie von R1 und R2 eingestellt):

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Ich möchte fragen, ob diese Schaltung wie erwartet funktionieren würde, da ich solche Shunt-Regler noch nie verwendet habe und ihre Tücken nicht kenne.

Da die Referenz-Pin-Spannung während des normalen Betriebs unter 2,5 V liegt, befindet sich der TL431 nicht in der Regelung . Würde der Regler bei einer Überspannung wie in der Simulation schnell genug einschalten, um die Schienenspannung zu begrenzen? Auch das Datenblatt erwähnt Bereiche der Instabilität aufgrund der Kathoden-zu-Anoden-Kapazität (z. B. Seite 17 und 18). Da der TL431 nicht reguliert ist, könnte sich diese Region ändern und auch in meiner Schaltung Instabilität verursachen?

@verbal kint ist ein Experte für all diese Dinge. || Es sieht für mich in Ordnung aus. Es ist jedoch zu erwarten, dass die 10 uF bei 0,5 us pro Volt oder etwa 0,75 us ansteigen, um die gezeigten 1,5 V zu schwingen. Sie sehen ungefähr 100 uns, also wird es wahrscheinlich nicht von den 10 uF dominiert - aber ich schlage vor, den Kondensator in der Simulation zu entfernen, um zu sehen, wie der TL431 von selbst reagiert.
@ATCSVOL ohne Kapazität liegt der Spannungsanstieg über 21 V und bei einer Fehlerstrom-Anstiegszeit von 1 µs. Dies ist jedoch unrealistisch, da auf der Schiene eine Kapazität vorhanden ist, die die Anstiegsrate der Schienenspannung begrenzt. Für 10uF berechne ich eine Anstiegsrate von 0,15A/10uF=0,015V/µs=1,5V pro 100 µs was genau dem Wert in der Simulation entspricht.
TL431 benötigt max. Vorstrom von 1mA. R3 sollte einen Wert haben, der es ermöglicht, dass diese 1 mA fließen, ohne Q1 einzuschalten.
Anstatt die Schiene mit der ganzen Kraft des Universums nach unten zu ziehen (oder, sagen wir, mit der ganzen Kraft, die Ihr BJT bewältigen kann oder nicht kann), könnten Sie einen Transistor in Betracht ziehen, der die externe Last trennt. Möglicherweise wird viel weniger Strom benötigt, und Sie können möglicherweise einen kleinen Transistor verwenden.
@zebonaut Bitte sehen Sie sich meine Bearbeitung des ersten Absatzes an. Ein solcher Mechanismus ist bereits vorhanden, aber die verwendeten Schalter brauchen einige Zeit, um abzuschalten.

Antworten (2)

TL431 funktioniert in dieser Anwendung gut, mit einigen Einschränkungen:

Wenn VREF < 2,5 V ist, ist es ausgeschaltet, aber es zieht immer noch einen kleinen Kathodenstrom, um die interne Schaltung mit Strom zu versorgen. Wenn VREF = 2,5 V, um zu regulieren, muss es in der Lage sein, einen Kathodenstrom zu ziehen, der mindestens gleich dem "minimalen Kathodenstrom für die Regulierung" ist, der 1 mA beträgt.

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R3 sollte also etwa 470-560 Ohm betragen, um sicherzustellen, dass diese Bedingungen erfüllt sind.

Das andere potenzielle Problem ist die Instabilität. TL431 ist ein Rückkopplungssystem, und das Hinzufügen eines Folgetransistors erhöht die Open-Loop-Verstärkung. Die Stabilität der Schleife hängt davon ab, welche Art von Kapazität und ESR Sie auf Ihrer Stromschiene haben. Wenn Sie nur einen 10-µF-MLCC haben, wird er wahrscheinlich instabil sein. Eine große Aluminiumkappe wie > 200 µF ist in Ordnung. Sie benötigen also ein TL431-Spice-Modell mit genauem Open-Loop-Verhalten. Um es stabil zu machen, müssen Sie möglicherweise eine kleine Kappe wie 100 pF zwischen VREF und Kathode und einen 330R-Basiswiderstand an Ihrem PNP hinzufügen.

Darüber hinaus verträgt BC857C den Strom und die Verlustleistung nicht: 15 V * 200 mA = 3 W. Sie benötigen also ein TO220 / TO129-Gerät mit einem kleinen Kühlkörper oder ein DPAK, das die Grundebene als Kühlkörper verwendet.

Eine einfachere Schaltung, die stabil ist, wäre diese, aber der Zener ist weniger genau, sodass Sie etwas zusätzlichen Spielraum benötigen:

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Danke Bob, ich werde ein bisschen mit R3 und Kondensatoren herumspielen, wie Sie vorschlagen. Der Fehlerstrom wird nach einigen 100 µs abgeschaltet, und 200 mA sind der absolute Worst Case, also wäre der BC857 gut genug. Ich habe auch Zener-Schaltungen in Betracht gezogen (sogar solche mit einem zusätzlichen Operationsverstärker), aber am Ende würde ich sehr spezifische Spannungswerte oder eine enge Zener-Toleranz oder mehrere enge Widerstände benötigen, damit es funktioniert, also dachte ich, es ist eine gute Gelegenheit, in die einzusteigen TL431 ;)
Warum steigt die Spannung auf der Stromschiene? Liegt es an Schutzdioden, die Strom in die Schiene leiten?
Es sieht so aus, als ob a) Kondensatoren um die Ref-Kathode im Allgemeinen die Stabilität in der Simulation verschlechtern. b) Wenn C1 im "stabilen" Bereich liegt, ist es in Ordnung. Das Reduzieren von C1 auf 1 uF bringt es zu nahe an den instabilen Bereich und ich sehe eine Oszillation. C1 muss also ausreichend sein. In Bezug auf R3: Eine Reduzierung hat minimale Auswirkungen. Ich nehme an, der TL wird die notwendige Versorgung aus Q1 ziehen, aber immer noch nicht sättigen. Die TL schwebt also in der Nähe eines Zustands, in dem sie sich nur knapp einschaltet. Kleinere R3 haben jedoch keine nachteiligen Auswirkungen, also werde ich trotzdem dorthin gehen. PS: Ja, Dioden leiten Fehlerstrom in die Schiene ab.
Ja, die Entschädigungsobergrenze kann es noch schlimmer machen. Vergessen Sie nicht den ESR der Kappe, 10-µF-MLCC haben nur wenige mOhm, sodass Sie ihn vernachlässigen können, aber 10-µF-Kappen haben einige Ohm ESR, sodass Sie dies nicht können.

Ich möchte fragen, ob diese Schaltung wie erwartet funktionieren würde, da ich solche Shunt-Regler noch nie verwendet habe und ihre Tücken nicht kenne.

Der TL431 ist kein besonders schnelles Gerät, der Retter hier ist der 10-uF-Kondensator in Ihrer Schaltung (C1). C1 muss wirklich hier sein, um die Dinge genug zu verlangsamen, damit der TL431 den langsameren Anstieg bewältigen kann.

Da Überspannungen jedoch nur von kurzer Dauer sind (insbesondere ESD), könnten Sie wahrscheinlich damit davonkommen, nur C1 zu verwenden. Es hängt jedoch alles davon ab, mit welcher "Bedrohung" Sie fertig werden möchten. Wenn es sich um ESD (EN61000-4-2) handelt, sollten Sie einen geladenen 150 pF (8 kV) in Reihe mit einem 330-Ω-Widerstand modellieren. Wenn es sich um einen indirekten Blitz (EN61000-4-5) handelt, könnte es eine Wellenform wie diese sein: -

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Wobei UNpk 1 kV, 2 kV usw. sein kann, abhängig von dem bestimmten Teil der zu erfüllenden Norm. Bild von: -

SIMULATION UND EXPERIMENT ZUR ÜBERSPANNUNGSFEHIGKEIT NACH EN 61000-4-5 .

Und der Reihenstrombegrenzungswiderstand kann nur 2 Ω betragen (je nach Anwendung). Wenn Sie nur an dem in Ihrer Frage erwähnten 200-mA-Stromstoß interessiert sind, ignorieren Sie mein zusätzliches Geschwafel.

Dies ist nicht wirklich für EMI, sondern um die Eingaben des Benutzers robuster gegen versehentliche Überspannung zu machen. Das Gerät schaltet die Ports ab, wenn es eine Spannung außerhalb des Bereichs erkennt, aber dies dauert mehrere 100 µs. Die von Ihnen erwähnten schnelleren EMI-Ereignisse werden hauptsächlich durch Serienwiderstand, Klemm-zu-Schiene-Dioden und Schienenkapazität absorbiert.
Sicher @tobalt - ich verstehe dich, aber ich werfe gerne ein paar zusätzliche Gedanken ein, nur für den Fall, dass du vielleicht kein größeres Bild gemacht hast. Anscheinend hast du das natürlich nicht!
Ist diese TL431-basierte Überspannungsbegrenzungsschaltung in Ordnung?
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