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© Linear Technology Komponenten | 25 März 2013

LT1005 verstehen und richtig einsetzen

LT1005 - vor einer ganzen Ewigkeit entwickelt und immer noch aktuell. Dies ist eine Application Note von Linear Technology (geschrieben von Jim Williams), welche im August 1984 zum ersten Mal publiziert wurde.


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Die große Anzahl momentan verfügbarer Spannungsregler macht die Einführung eines weiteren Reglers scheinbar unnötig. Der neue Baustein LT1005 bietet jedoch Zusatzfunktionen, die helfen Probleme zu lösen, die häufig mit der Spannungsregelung in Schaltungen auftreten. Der LT1005 (Bild 1) besteht aus einem 5-V/1-A-Regler, der über einen positiven Logik-Enable-Pin gesteuert wird und einem 5-V-Hilfsregler. (Eine 3-A-Version, der LT1035 ist neben dem LT1005 ebenfalls verfügbar). Der Ausgang des Hilfsreglers ist unbeeinflusst vom Zustand des Hauptreglers. Schutz vor thermischer Überlastung und Strombegrenzung runden diesen Baustein ab.
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Der Enable-Pin ist ein Eingang mit hoher Impedanz, der in einem High-Zustand schwebt. Wenn ein Strom von 10 µA von diesem Pin gezogen wird, wird er unter seine 1,6 V Ausschaltschwelle gezwungen, was den Hauptausgang abschaltet. Bild 2a zeigt eine einfache aber nützliche Anwendung. Dabei wird der Enable-Pin des Reglers über den Zustand eines hin und her schaltenden Flip-Flops gesteuert, das von einer Taste auf einer Computertastatur getriggert wird. Der 5-V-Hilfsausgang versorgt das Flip-Flop, wenn der Computer ausgeschaltet ist. Diese Anordnung erlaubt es, den normalerweise separaten Leistungsschalter zu eliminieren. Obwohl der Enable-Pin direkt mit CMOS- und TTL-Pegeln verbunden ist, erlaubt es seine relativ hohe Impedanz, eine ganze Reihe von unterschiedlichen Funktionen zu implementieren. Bild 2b ist eine Schaltung zur Einschaltverzögerung. Bei Anlegen der Versorgung, wird der Ausgang auf low gehalten, bis der Kondensator über den 1,6-V-.Schwellwert des Enable-Pin auflädt. In diesem Fall ist die benötigte Zeitspanne rund 100 ms. Die Dioden-1kOhm-Kombination entlädt den Kondensator schnell wieder, wenn die Versorgung abgeschaltet wird. Bild 2c zeigt eine einfache Anordnung, die den Ausgang des Hauptreglers schnell verriegelt (latch), wenn ein Kurzschluss am Verbraucher auftritt. Wenn die Versorgung an den Regler angelegt wird, fährt der 5-V-Hilfsausgang hoch und überträgt Ladung durch den 10-µF-Kondensator. Dies zwingt den Enable-Pin auf high, was es dem Hauptregler erlaubt hochzufahren und den Verbraucher zu versorgen. Wenn ein Kurzschluss an der Last eintritt, geht der Regler in die Strombegrenzung und der Hauptausgang fällt auf 0 V ab. Dies zieht den Enable-Pin auf low, was eine positive Rückkoppelverriegelung realisiert, die den Ausgang des Hauptreglers deaktiviert. Unter diesen Umständen bleibt der Ausgang auf Null, selbst wenn der Kurzschluss an der Last bereits wieder beseitigt ist. Der Regler muss auch während der Dauer des Kurzschlusses Leistung abführen. Der Ausgang kann zurückgesetzt werden, indem die Versorgung des Reglers abgeschaltet wird oder der Enable-Pin entsprechend gezogen wird. Bild 3 illustriert eine Schaltung, die die Vorteile dieser Betriebsart nutzt, um einen preisgünstigen Halbleiter-Ersatz für einen Schutzschalter (Sicherung) zu realisieren. Diese Schaltung schaltet den Ausgang des Hauptreglers innerhalb von 700 ns nach einer Überlast ab. Der Auslösestrom und die Verzögerung des Schutzschalters sind über einen weiten Bereich einstellbar. Unter normalen Umständen ist der Strom durch den 1-Ohm-Shunt nicht ausreichend, um Q1 so vorzuspannen dass er leitet. Q2 ist ebenfalls ausgeschaltet und der Regler funktioniert. Wenn eine Überlast eintritt (Messkurve A in Bild 4 ist der Ausgangsstrom des Reglers), steigt das Potenzial über dem 1-Ohm-Widerstand, was Q1 einschaltet. Der Kollektor von A1 treibt die Basis von Q2 (Messkurve B in Bild 4) über den 1-k-Widerstand und den 100-pF-Beschleunigungskondensator. Dies schaltet Q2 ein und zieht den Enable-Pin (Messkurve C in Bild 4) auf Masse und schaltet den Reglerausgang ab. Der Widerstandswert von 10 k zwischen dem Hauptausgang und dem Enable-Pin verriegelt den Regler in einer ähnlichen weise wie in Bild 1 und der 4,7-µF-Kondensator, dargestellt in unterbrochenen Linien, kann hinzugefügt werden (ersetzt den 100-pF-Kondensator) in Applikationen, in denen eine schnelle Reaktion nicht wünschenswert ist. Der 1-Ohm-Widerstand kann gewählt werden, um jeden gewünschten Auslösestrompunkt zu erreichen.
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Bild 5 zeigt eine andere Schaltung, die den Enable-Pin nutzt, um den Regler unter irregulären Bedingungen auszuschalten. Diese Konfiguration ist nützlich in Messgeräten oder Systemen, die von 110 VAC oder 220 VAC versorgt werden. Die Versorgung eines Reglers aus dem 220-VAC-Primärnetz, wenn der Sekundärabgriff des Trafos auf 110 VAC eingestellt ist, zwingt extensive Verluste in den Regler, was zu thermischer Abschalten führt. Die dargestellte Schaltung verhindert dies durch messen der abnormal hohen Eingangsspannung und abschalten des Reglers. Unter normalen Betriebsbedingungen ist die Eingangsspannung niedrig genug, um den Transistor eingeschaltet zu halten, und zieht dadurch den Enable-Pin in Richtung des Hilfsausgangs und hält den Reglerausgang in Betrieb. Wenn die Schaltung unbeabsichtigt aus 220 VAC versorgt wird, ohne den Abgriffspunkt des Trafoschalters zu verändern, steigt die Eingangsspannung des Reglers an. Dies schaltet den Transistor ab und der 10-kOhm-Widerstand zieht den Enable-Pin auf Masse, was den Regler abschaltet. Die Diode in der Basisleitung des Transistors verhindert das „zenering“ von VBE während der Reverse-Bias-Bedingung, die während des Abschaltens auftritt. Für die vorgegebenen Werte arbeitet diese Schaltung einwandfrei im Bereich zwischen 88 VAC und 135 VAC sowie 180 VAC bis 260 VAC (110 VAC bis 220 VAC +/- 20%). Bild 6 zeigt den LT1005 in einer anderen Schaltung, in der der Betrieb von den Eingangsbedingungen abhängt. Diese Schaltung ist nützlich in Systemen, in denen es nötig ist, die Schaltung in Sequenzen ein- und auszuschalten. Dies ist besonders geeignet in Situationen in denen es wünschenswert ist, Daten während eines Stromausfalls in nichtflüchtige Speicher zu transferieren und zu speichern. Dies funktioniert indem man die Vorteile der unterschiedlichen Abfallspannungen zwischen dem Haupt- und den Nebenausgängen nutzt. Wenn die Versorgung zum ersten Mal angelegt wird, beginnt der Eingang des LT1005 (Messkurve A in Bild 7) hochzufahren. Der Nebenausgang (Messkurve D in Bild 7) folgt diesem Hochfahren und wird bei seiner geregelten 5-V-Ausgangspannung geklemmt. Während dieses Intervalls überwacht C1 den Unterschied zwischen dem Reglereingang und dem 5-V-Hilfsausgang. Die Widerstandsverhältnisse an seinen Eingängen sind skaliert, so dass der Enable-Pin (Messkurve B in Bild 7) solange geklemmt wird, bis der Reglereingang hoch genug gefahrenist, um die Regelung des Hauptausgangs zu übernehmen. (Die am Enable-Pin erkennbaren kleinen Rampensegmente kommen daher, dass der Ausgang des Komparators einen Fehler beim klemmen bei sehr kleinen Versorgungsspannungen hat. Sie beeinflussen jedoch die Funktion der Gesamtschaltung nicht). Ist dieser Punkt erreicht, fährt der Hauptausgang (Messkurve C in Bild 7) schnell hoch. Weil der Nebenausgang dem Hauptausgang voraneilt, kann er benutzt werden, um die Bedingungen in der Schaltung einzustellen, die vom Regler versorgt wird. Wenn die Versorgungsspannung unter den Schwellwert abfällt, zieht C1 den Enable-Pin (Messkurve B in Bild 7) auf low, was den Hauptausgang des Reglers zwingt, sofort abzuschalten. Der Nebenausgang bleibt jedoch in Regelung, nachdem der Hauptausgang abgeschaltet hat. Dies erlaubt es, den Hauptausgang als Logiksignal zu verwenden, um dem, vom Nebenausgang versorgten nichtflüchtigen Speicher zu signalisieren, Daten abzuspeichern. Die Zeitspanne, wie lange der Nebenausgang beim Abschalten in Regelung bleibt, kann über die Größe des Filterkondensators des Reglers gesteuert werden. Die Dioden-4,7-kOhm-Kombination liefert einen positiv rückgekoppeltenen Vorgang, um einen sicheres Ausschalten für den Hauptausgang sicherzustellen. In einigen Systemen ist es komfortabler, oder vorteilhafter, Stromausfälle durch direkte Überwachung der Netzleitung zu entdecken. Die Schaltung in Bild 8 macht dies, indem sie einen Optoisolator über den AC-Ausgang des Leistungstrafos anlegt. Normalerweise schaltet die AC-Leitung (Messkurve A in Bild 9) die LED alle 8 ms ein (der halbe Arbeitstakt der Versorgungsleitung), was den Ausgang des Darlingtontransistors veranlasst, den 0,01-µF-Kondensator auf VCE(SAT) zurückzusetzen.
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Wenn die Leitung abfällt (Messkurve B in Bild 9) lädt der Kondensator mit einer Rate, die von der Einstellung des 20-kOhm-Potentiometers abhängig ist. Diese ansteigende Spannung wird über C1 mit einer Referenz aus dem Nebenausgang verglichen. Wenn C1 auf low geht, geht der Reglerausgang ebenfalls auf low (Messkurve C in Bild 9). Diese Eigenschaft kann als Logiksignal benutzt werden, um Schaltungen zu kennzeichnen, die vom Nebenausgang versorgt werden. Das „Trip-Set“-Potentiometer und der Wert des Kondensators können verwendet werden, die Anzahl der fehlenden Zyklen zu bestimmen, die erforderlich sind, den Regler abzuschalten. Wenn man diese Schaltung einsetzt, ist es wichtig, zu beachten dass die Hold-up-Zeit der reinen Versorgung mit in Betracht gezogen werden muss, um zu bestimmen, wie lange der Nebenausgang geregelt bleibt. Bild 10 zeigt eine verriegelnde (latching) Schaltung, ähnlich der in Bild 2, außer, dass ein NTC-Thermistor (negative temperature coefficient) mit scharfem Übergang zwischen dem Enable-Pin und der Masse arbeitet. Diese Schaltung bietet einen Verriegelungsschutz für die Schaltung bei thermischer Überlastung auf Grund von blockierten Entlüftungsschlitzen oder ausgefallenen Lüftern. Der Widerstand des NTC-Thermistors fällt von 200kOhm bei 60°C auf 10kOhm bei 65°C, was den Regler abschaltet. Der Thermistor ist vorgespannt vom Ausgang, so dass der Zustand erhalten bleibt wenn die Trip-Temperatur erreicht wird. C1 stellt das Starten sicher. Unglücklicherweise sind die Übergangs- und Hysteresepunkte von NTC-Thermistoren fest eingestellt und können vom Anwender nicht variiert werden. In Bild 11 ist dargestellt, wie man den Enable-Eingang mit seiner relativ hohen Impedanz vorteilhaft nutzen kann, um dieses Problem zu umgehen. Ein Standard-Thermistor (negative temperature coefficient) erlaubt es, den Trippunkt und das Hysterese-Band an jeden gewünschten Punkt zu versetzen. Für das gezeigte Beispiel schaltet der Regler bei 58°C Umgebungstemperatur ab (8kOhm Widerstand) und schaltet bei 42°C (15,2kOhm Widerstand) wieder ein. Weitere Charakteristika können erzielt werden, indem die Werte für den Widerstand und den Thermistor verändert werden. Bild 12 zeigt eine weitere thermisch bedingte Nutzung des Reglers. Die höchste Stabilität eines Kristall-Oszillators wird dann erzielt, wenn der Kristall Temperatur stabilisiert ist. In Frequenzmesssystemen und Kommunikationsausrüstungen ist es häufig wichtig, dass die Kristallfrequenz stabilisiert ist, bevor die Ausrüstung verwendet werden kann. In dieser Schaltung ist der LT1005 kombiniert mit einem üblichen kommerziell verfügbaren Kristall-Ofen, um zu verhindern, dass die Ausrüstung benutzt wird, bevor die Ofentemperatur stabilisiert ist. Wenn die Versorgung angelegt wird, ist Pin 6 des Kristall-Ofens auf high, was Q1 vorspannt. Gleichzeitig wird das SCR-Gate durch den vom Nebenausgang generierten Strom getriggert, der durch den 4,7-µF-Kondensator fließt. Dies deaktiviert den Hauptausgang des Reglers. Wenn der Ofen seine Temperatur erreicht hat, öffnet der Thermoschalter und nimmt die Vorspannung von Q1. Dies schaltet den SCR um, und der Regler fährt wieder hoch und setzt seinen Verbraucher wieder in Betrieb. Der 4,7-kOhm-Widerstand eliminiert ein falsches Triggern von SCR und die Diode unterdrückt einen verpolten Gate-Strom, wenn die Eingangsspannung vom Regler weggenommen wird.
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Der Verriegelungsvorgang, der in vielen der hier beschriebenen Applikationen verwendet wird, ist eine Art der Rückkopplung. Die negative Rückkopplung an den Enable-Pin kann verwendet werden, um Servosysteme mit geschlossenem Regelkreis zu realisieren. Bild 13 zeigt einen Weg, eine einfache geschaltete Motorsteuerung mit dem LT1005 aufzubauen. Diese Schaltung nutzt einen Tachometer, um das Rückkoppelsignal zu generieren, das mit einer Referenz verglichen wird, die vom Nebenausgang geliefert wird. Wenn die Versorgung anliegt, ist der Tachometerausgang Null und der Ausgang des Reglers fährt hoch (Messkurve A in Bild 14), was Strom in den Motor zwingt (Messkurve C in Bild 14). Wenn sich die Rotation des Motors beschleunigt, zieht der negative Ausgang des Tachometers (Messkurve B in Bild 14) den Enable-Pin auf Masse. Wenn die Schwellwertspannung der Enable-Pins erreicht wird, fällt der Ausgang des Reglers ab und der Motor dreht langsamer. C1 liefert eine positive Rückkopplung, was saubere Übergänge sicherstellt. Auf diese Weise ist die Drehzahl des Motors an einem Punkt Servo-gesteuert, der von der Einstellung des 2-kOhm-Potentiometers bestimmt wird. Der Regler läuft frei, egal welche Frequenz und welcher Arbeitstakt auch benötigt werden, um den Enable-Pin an seiner Schaltschwelle zu halten. Die Bandbreite und die Stabilität der Regelschleife werden über C2 und C3 eingestellt. Die Diode 1N914 verhindert, dass der negative Ausgang des Tachometers den Enable-Pin unter Masse zieht, während der 1N4002 den negativen Flyback-Puls des Motors gleichrichtet. Der Servo-gesteuerte Betrieb mit Erregungsimpulsen erlaubt es dem Motor exzellente Drehmomentcharakteristika bereitzustellen, selbst wenn er bei nur 5 Prozent seiner vollen Drehzahl arbeitet. Der hier verwendete kleine Motor mit einem Drehmoment von 20 gram-CMs (dNm ???) bei 3300 1/min, ist bei nur 150 1/min mit der bloßen Hand praktisch nicht mehr anzuhalten. Die thermische Abschaltung und die Strombegrenzung des Reglers verhindern, dass weder der Motor noch der Regler durchbrennen, wenn eine Überlast an der Welle eintritt. Bild 15 zeigt einen Weg, Motoren mit höheren Spannungen zu betreiben. In dieser Betriebsart ist der Motor in der Eingangsleitung des Reglers angeordnet und der Ausgang ist mit einer 3,3-Ohm-Last abgeschlossen. Die Servo-Regelschleife arbeitet in ähnlicher Weise wie die in Bild 13. In diesem Fall ist jedoch ein großer Kondensator am Regler platziert, um die Spannungsspitzen, die vom Schalten des Motors herrühren, zu filtern. Wenn der Tachometerausgang (Messkurve A in Bild 16) nach Leistung verlangt, fährt der Regler hoch, was es dem Strom ermöglicht, durch den Motor zu fließen. Dies zwingt den Eingang des Reglers (Messkurve B in Bild 16) für die Dauer der Ein-Zeitspanne auf Masse. Der Vorteil dieser Schaltung ist es, dass sie es erlaubt, Motoren mit höherer Spannung (bis zu 20 V) anzusteuern. Zusammen mit den vorher beschriebenen Schaltungen bietet der Regler Schutz vor thermischer Überlastung und Überstrom für den Motor. Der Nachteil ist, dass für Servo-Einstellpunkte, die eine höhere Motorleistung benötigen, der DC-Eingang des Reglers unter die Dropout-Spannung abfällt und der Nebenausgang ebenfalls absinken wird, was die Einstellpunkte des Servos destabilisiert. Jede dieser Schaltungen liefert eine einfache, preisgünstige Lösung in einem Gehäuse, um die Drehzahlregelung von kleinen Motoren auf Kosten des Wirkungsgrads zu beschleunigen. ----- Autor: Die Linear Technology AN01 wurde von Jim Williams geschrieben, der am 12. Juni 2011 verstorben ist. Das Bild zeigt ihn ganz typisch in seiner 'Analog-Werkstatt'.
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2019.10.11 15:09 V14.5.0-2