Verwendung einer Zenerdiode zur Begrenzung des Stroms zu einem IC für verschiedene Eingangsspannungen

Ich entwerfe ein Board, das auf dem Magnettreiber DRV110 von TI basiert. Das Datenblatt erklärt, dass:

„ Der DRV110 ist in der Lage zu regeln v ICH N Spannung von einer höheren externen Versorgungsspannung, v S , durch einen internen Bypass-Regler, der die Funktion einer idealen Zenerdiode nachbildet. Dies erfordert, dass der Versorgungsstrom durch einen externen Widerstand dazwischen ausreichend begrenzt wird v S und das v ICH N Stift. "

v ICH N effektiv immer geregelt wird 15 v . Der DRV110 kann dazwischen sinken 1 Und 3 M A , benötigt aber auch genügend Strom, um andere angeschlossene Komponenten zu treiben. In meinem Design, dies ICH A u X = 1.5 M A nur um ein MOSFET- und Widerstandsnetzwerk anzusteuern.

Das Datenblatt empfiehlt das für a v S (Quellenspannung) von 24 v D C , fügen wir einen Vorwiderstand hinzu ( R S ) von 9 k Ω zwischen v S Und v ICH N . Das macht für mich Sinn. Bei 24 v Quelle, auf die das Gerät herunterregeln muss 15 v , ein Tropfen 9 v . Wir sind jetzt in der Lage, die zu löschen 9 v über dem Widerstand und bei 9 k Ω , der Strom durch den internen Zener ist 1 M A .

  1. Dies würde nicht genug Strom liefern, wenn ich es brauche ICH A u X obwohl, richtig? Wir würden brauchen 3.6 k Ω stattdessen hätten wir also insgesamt 2.5 M A .

  2. Bin ich hier auch auf eine gewisse Spannung beschränkt, höher als 24 v aber nicht unbedingt voll 48 v die das Gerät annehmen kann? Bei 48 v wir fallen 33 v bis zu 15 v , und das 33 v / 9 k Ω = 3.66 M A Das ist zu viel für den DRV110, um zu sinken.

Die Dinge werden jedoch seltsam, da der DRV110 einen großen Eingangsbereich hat ( v S von 6 bis 48 v D C ) und ich glaube an das Referenzdesign, bei dem sie versucht haben, einen externen Regler für ein robusteres Design hinzuzufügen. Nachfolgend finden Sie die Notizen des Referenzdesigns sowie den Schaltplan. Beachten Sie, dass im Referenzdesign die ICH A u X war höher, also ist der erforderliche Strom ähnlicher 9 M A :

„Im Referenzdesign R S = R 1 + R 2 , und die minimale Eingangsspannung = 19.4 v . Deshalb,

R S = 19.4 – 15 1 + 0,11 + 8 = 480 Ω .

Die Zenerdiode D 1 klemmt die Spannung an 20 v mit Vorwiderstand R 1 . Bei einer Nenneingangsspannung von 24 v D C , die Zenerdiode D 1 regelt die Spannung zu 20 v . Dann der Tropfen über R 1 Ist 4 v und quer R 2 Ist 5 v . Dafür sorgt dieser Tropfen R 1 übernimmt die meisten Lasten aufgrund einer Erhöhung der Eingangsspannung.

Die obigen Auslegungswerte bei der Nenneingangsspannung von 24 v D C gibt das Verhältnis an R 2 / R 1 = 5 / 4 , führt zu R 2 = 300 Ω Und R 1 = 178 Ω . Diese Werte sorgen dafür, dass bei steigender Eingangsspannung die Stromaufnahme des DRV110 konstant bleibt.“

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Ich verstehe die obige Logik einfach nicht.

  1. Müsste nicht immer der Strom zum DRV110 sein
    ( 20 − 15 ) v 300 Ω = 16.7 M A ,
    deutlich mehr als das Design verlangt?

Sagen Sie jetzt, dass die Eingangsspannung niedriger war (angeblich haben sie dies für so niedrig wie ausgelegt). 19.4 v ). Lassen v S = 21 v D C . Der Strom durch R 1 Ist ( v S − 20 v ) / 178 Ω welches sein würde 5.6 M A und das ist weniger als der Strom durch R 2 die fest ist 16.7 M A .

  1. Hier würde D 1 aufhören zu klemmen 20 v und der Strom würde auf dem Serienwiderstand von basieren R 1 + R 2 ? In diesem Szenario wäre das ( 21 − 15 ) v / 478 Ω welches sein würde 12.5 M A , wieder zu hoch.

Ich denke, mein Verständnis der Zenerfunktion und / oder der IC-Stromaufnahme ist hier fehlerhaft. Das Netzwerk soll strombegrenzend sein, also muss ich vielleicht aufhören, darüber nachzudenken, wie es die Stromaufnahme bestimmt? An diesem Punkt habe ich zu viel darüber nachgedacht und komme nicht voran.

Danke an alle!

Ich habe Ihren Beitrag ein paar Mal durchgesehen und sehe keinen unmittelbaren Fehler in Ihrem Verständnis von Zenern. Aber mit (2) hast du recht. Nur weil ein IC über einen großen Spannungsbereich betrieben werden kann, bedeutet das nicht unbedingt, dass es möglich ist, ihn in einem einzigen Design zu verwenden, das diesen gesamten Bereich abdeckt. Möglicherweise müssen Sie aufgrund praktischer Einschränkungen einen kleineren Bereich innerhalb dieses größeren Bereichs für ein einzelnes Design auswählen.
Beispielsweise kann ein Abwärtsregler möglicherweise 6-42 V akzeptieren, aber Sie können damit kein einzelnes Design erstellen, das tatsächlich 6-42 V akzeptiert. Sie können jedoch ein Design erstellen, das 6-24 V akzeptiert, und ein anderes Design, das 24-48 V akzeptiert.
Danke schön! Ich verstehe, dass der IC nicht gleichzeitig den gesamten Bereich akzeptieren kann. Meine Frage betrifft eher die zweite Hälfte, nehme ich an, wie es funktioniert, wenn Sie zuerst den externen Zenerregler verwenden.
Der externe Zener soll die Verlustleistung teilen. Im Beispiel des stromgesteuerten Treibers für 24-V-DC-Magnetspule mit Kolbenfehlererkennung, Abbildung 7, leitet Zener D5 „den Teil von 24 V auf 20 V ab“ und der DRV110 zusammen mit den anderen Aux-ICs „leitet von 20 V auf 15 V ab“. Schlecht formuliert, aber hoffe klar genug, um die Idee zu verstehen
Betreff: Frage (1) - Nehmen wir also an, ich verwende nur einen einzigen Vorwiderstand, um den Strom zu begrenzen. Entwerfen, um einen 24-V-Eingang mit +/- 5% zu akzeptieren, also wirklich 23 bis 25. Wenn ich 3,2 kOhm wähle - bei einer 23-V-Quelle würde ich 2,5 mA, 1 mA zur Vorspannung des internen Zeners und bis zu 1,5 mA zur Ansteuerung meines FET und meiner Widerstände ansteuern bei AUS. Bei einer 25-V-Quelle würde ich 3,13 mA ansteuern, was den Zener jetzt mit 1,63 mA vorspannt, immer noch innerhalb meiner 1-3-mA-Grenze.
Wie definierst du ICH A u X ? Welchen Stellenwert hat es in Ihrer Anwendung?
Ich hatte ein berechnet ICH A u X = 1,5 mA wegen eines Pulldown-Netzwerks an meinem MOSFET am OUT-Pin, 10 kOhm. So ICH A u X + 1 mA zum Vorspannen des Zeners wurde zu einem Mindeststrom von 2,5 mA, um in den DRV110 zu treiben.
Wenn ich mir beide Datenblätter durchlese, kann man den DRV110 perfekt für die gesamte Bandbreite nutzen. Das Designbeispiel-PDF zeigt nur einen "Trick", wie man den Zener von DRV110 verwendet, um die Spannung für den DRV110 sowie andere daran gebundene ICs zu stabilisieren (die anderen ICs ziehen Iaux). Binden Sie einfach keine anderen ICs an den VIN-Pin des DRV110, wenn Sie Probleme bei der Verlustleistung sehen.
@k1ngofhartz Ja, der 3,2-kOhm-Widerstand würde funktionieren.

Antworten (1)

1) Richtig.

R S = v ich N − 15 v 1 M A + ICH A u X = 24 v − 15 v 1 M A + 1.5 M A = 3.6 k Ω

2) Bei 48 V sollten Sie einen anderen Widerstand wählen.

R S = v ich N − 15 v 1 M A + ICH A u X = 48 v − 15 v 1 M A + 1.5 M A = 13.2 k Ω

3) Ja. Es ist ziemlich seltsam. Der 19.4 v / 24 v ≈ 4 / 5 . Aber 4 / 5 ∗ 480 Ω = 384 Ω . Und eigentlich 470 Ω beginnt mehr Sinn zu machen.

20 v − 15 v 470 Ω = 10.6 M A = 8 M A  (für  ICH A u X ) + 2.6 M A  (für  ICH Q )
Aber das erfordert einen großen R1 und D1 bei höheren Eingangsspannungen.

Übrigens habe ich keine feste obere Stromgrenze gefunden ICH Q im Datenblatt nur eine Empfehlung. Vielleicht sind 8mA erlaubt und die 300 Ohm funktionieren? Aber vielleicht stößt es beim Überschreiten von 3mA an die thermische Grenze?

4) Vergessen Sie nicht zu subtrahieren ICH A u X , aber 4,5 mA sind immer noch mehr als empfohlen

BEARBEITEN: basierend auf Antworten
Seite 5 zeigt die empfohlenen Werte für ICH Q , nicht die absoluten Höchstwerte .

Ein Ansatz zum Abschätzen des maximalen Stroms lautet wie folgt: Wäre es ein normaler Zener, würde die Spannung auf 15 V geklemmt. Für den Fall mit der 300 Ω Widerstand, bis zu 8 mA fließen durch den Zener. Für einen normalen Zener würde dies eine Verlustleistung von 120 mW ergeben. 120mW bewirken bei stumpfer Annäherung nur einen Temperaturanstieg von R θ J A ∗ 120 M W = 183.8 ° C / W ∗ 120 M W = 22 ° C .
Dies gilt für einen normalen Zener, aber ich denke, dass ihre Implementierung des idealen Zeners nicht viel von dieser Verlustleistung abweichen wird (wenn es schlimmer wäre, warum haben sie überhaupt keinen echten Zener im DRV110 implementiert??).

Warum also die Empfehlung von max. 3mA, wenn sie nicht der Begrenzung der Verlustleistung dient? Hat etwas gedauert, aber ich denke, es muss wie folgt erklärt werden. Die Fußnote sagt:

Mit dem hinzukommenden Versorgungsstrom zieht das Gerät bis zu 3 mA ab.

Das Gerät verbraucht maximal 3 mA, nicht den Zener! Also zu groß wählen R S könnte die Versorgungsspannung unter 15 V abfallen, sodass der Zener deaktiviert / nicht funktioniert. Normale Zener benötigen einen Strom, um bei der Nennspannung zu klemmen (Zener-Datenblätter zeigen einen Teststrom), weshalb wahrscheinlich ein höherer Strom als die Summe von gewählt werden sollte ICH Q + ICH D R v + ICH A u X .

Aber dann ist es seltsam, dass sie 1 mA in ihren Berechnungen verwenden und nicht die maximalen 3 mA.

Betreff: Obergrenze - Auf Seite 5 des Datenblatts wird erwähnt ICH Q min ist 1mA, max ist 3mA, nominal ist 1,5mA. Auch "Das Gerät regelt die Versorgung mit einer internen Zenerdiode. Das Gerät sinkt mit dem hinzugefügten Versorgungsstrom auf bis zu 3 mA ... finden Sie einen geeigneten Wert für Rs."
Zusätzlich gibt es auf Seite 12 Gleichungen für die minimalen und maximalen Werte von Rs entsprechend der minimalen/maximalen Eingangsspannung, obwohl, wie wir gesehen haben, der Bereich, den ein einzelnes Rs abdecken kann, begrenzt ist. Die min/max Rs basieren auf dem max/min ICH Q (3 bzw. 1 mA) plus die ICH G A T e , A v E was mit dem MOSFET zusammenhängt. Meins habe ich als sehr klein berechnet (0,06 mA), aber ich habe auch ein resistives Pulldown-Netzwerk, das Strom zieht (200 Ohm in Reihe mit dem Gate und 10 kOhm parallel als Pulldown).
Letztendlich konnte (und sehe) ich die Korrelation mit diesen und den im separaten Referenzdesign gewählten Werten einfach nicht (und kann es immer noch nicht genau) erkennen. Vielleicht gibt es einen Fehler im Referenzdesign oder zumindest in seiner Dokumentation?
Betreff: BEARBEITEN - Ich habe total übersehen, dass es "Empfohlen" war! Ich denke, Sie haben hier Recht, obwohl ich glaube, dass sie sich tatsächlich auf den internen Zener beziehen, wenn sie sich auf den sinkenden Strom des Geräts beziehen. Die Empfehlung ist nur wann v ICH N ist größer als v Z E N E R das sind 15V.
Ich denke, es ist letztendlich versucht zu sagen, dass das Gerät die Versorgung nur mit mindestens 1 mA auf 15 V herunterregeln kann, um den internen Zener zu aktivieren, und wenn Sie einen zu großen platzieren R S Ö U R C E Sie werden den Zener ersticken und die Versorgung wird nicht auf genau 15 geregelt. Ähnlich, wenn R S Ö U R C E zu groß ist, stoßen wir auf das von Ihnen erwähnte Verlustleistungsproblem. Es kann eine 48-V-Versorgung regulieren, daher steht im Grunde das Datenblatt mit der Aufschrift "48 V nicht direkt anlegen, sonst brennt es aus, versuchen Sie, 3 mA nicht zu überschreiten."
Ich denke, ein Großteil meiner Verwirrung rührte daher, dass ich „Empfohlen“ nicht gesehen habe. Weil ich mit dem Evaluierungsmodul getestet habe und gesehen habe, dass das Gerät bei etwas weniger als 1 mA und mehr als 3 mA einwandfrei funktioniert, und ich verwirrt war, warum das Eval so konzipiert wurde, dass es außerhalb der Datenblattspezifikation arbeitet. Es macht viel mehr Sinn, wenn da ein bisschen Spielraum ist.
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