Jak zasilić stabilizator 5V z 60V? Rozważania nad układem z diodą Zenera

Mam układ, który wymaga zasilania 5V i pobiera około 10-15mA. Główne napięcie zasilające to normalnie około 36-38V DC, zatem używam stabilizatora liniowego LM2931-5. W takich warunkach układ działa bez problemu, choć napięcie zasilające jest nieco za wysokie.

Niestety, główne napięcie zasilające w skrajnym przypadku może osiągnąć około 60V i pozostać tak na dłużej (np. przez kilka godzin). Oczywiste jest, że w takich warunkach stabilizator ulegnie uszkodzeniu, a być może również dalsza część układu. Wymyśliłem zatem, aby przed stabilizatorem dać szeregowo rezystor, a za nim diodę Zenera podłączoną do masy - taki prosty stabilizator. Dioda miałaby napięcie Zenera 39V, zaś rezystor 1400 Ohm (założenie 5mA płynących w warunkach normalnych przez diodę). Chciałbym, aby w normalnych warunkach (napięcie wejściowe 36-38V) przez diodę Zenera płynął jak najmniejszy prąd, a dopiero przy zaistnieniu owych 60V większy. Czy taki układ sprawdzi się w tym zastosowaniu?

Zastosowanie przetwornicy DC/DC odpada. Wyłącznie regulator liniowy.

W skrajnym przypadku pozostaje LM317HVT, lecz to ostateczność ze względu na duże rozmiary (TO220) oraz wysoki koszt.

A może da się to zrobić lepiej?

Pozdrawiam.

Zmniejsz prąd diody Zenera i dołącz do niej bazę tranzystora NPN pracującego jako wtórnik emiterowy zasilający stabilizator, wówczas dodatkowy pobór prądu ograniczony będzie do minimum i nie będzie ograniczenia na maksymalny pobór prądu przez układ. Diody Zenera na napięcia kilkanaście woltów i więcej mają całkiem ostrą charakterystykę, więc napięcie przy prądzie mniejszym niż katalogowe 5mA nie będzie dużo niższe (zresztą to i tak nie ma większego znaczenia skoro dalej jest stabilizator). W tej sytuacji możesz nie przejmować się stratami i dać diodę o napięciu nawet niższym niż 36V, np. 24V, przynajmniej stabilizator będzie miał lepsze warunki pracy. Tranzystor BD139 bez radiatora powinien wystarczyć, inny w mniejszej obudowie może mieć problemy z chłodzeniem przy maksymalnym napięciu i prądzie, gdyż (60V-24V)*15mA=0.54W (ale moge się tu mylić, dla pewności sprawdź). Zakładając β=100 i prąd pobierany 25mA wychodzi, że w bazę powinno wpływać do 0.25mA, tak więc opornik od zasilania do bazy może mieć maksymalnie (36V-24V)/0.25mA=48kΩ, możesz dać 33kΩ, czego tranzystor nie zużyje popłynie diodą Zenera. Przy 60V przez opornik popłynie (60V-24V)/33kΩ=1.09mA i wydzieli się w nim moc 40mW, a w diodzie Zenera maksymalnie 26mW w sytuacji kiedy nie ma poboru prądu przez stabilizator. Przy 36V prąd płynący przez opornik będzie poniżej 0.4mA, co jest chyba do przyjęcia.
Możesz, rzecz jasna, użyć diody Zenera o wyższym napięciu, dodatkowy pobór mocy będzie jeszcze mniejszy, to co przedstawiłem powyżej dla Uz=24V to tylko dla ilustracji zalet zastosowania wtórnika emiterowego przed stabilizatorem.

Dziękuję za obie odpowiedzi. Bardzo mi się przydały.

Przejrzałem dokumentację TL783 i od razu mi się rzuciło w oczy, że minimalny prąd do podtrzymania regulacji to 15mA.
Układ zasilany pobiera obecnie około 10÷15mA (pomiar przed stabilizatorem LM2931) tylko podczas pierwszych kilku sekund pracy, a później spada do około 5÷7mA i taki pozostaje. Większość tego prądu pobiera sam stabilizator, układ za stabilizatorem pobiera około 1mA. Zatem utrzymanie prądu powyżej dolnej granicy wymagałoby wpięcia dodatkowego odbiornika, np. diody LED. W ostatecznym rachunku zwiększyłby się pobór prądu.

W przypadku LM317HV w nocie katalogowej widziałem wiele danych dotyczących stabilizacji odnoszących się do prądu obciążenia 10mA. Nieco mniej, choć chyba też zbyt dużo.

kspro: Dzięki za tak dokładne tłumaczenie. O stabilizatorze wstępnym myślałem również, lecz to dodatkowa powierzchnia na płytce. Podobnie, jak w przypadku LM317. Jak na razie rozpatruję ją jako "plan B".

trymer01: Zainteresował mnie szczególnie pomysł ze wstawioną szeregowo diodą Zenera. Rozumiem, że wstawiam ją katodą do plusa i anodą do wejścia stabilizatora. Dobrze myślę? Na jakie napięcie i moc dać tam diodę?

Myślałem o 30V lub 27V i mocy 3W w obudowie SMB. Dzięki temu napięcie w stanie krytycznym z 60V spadłoby do 30V, a dalej normalnie stabilizator LM2931. W normalnych warunkach z 36÷38V zostałoby 6V, a z tym LM2931 powinien sobie poradzić. Dobrze kombinuję?

Pozdrawiam.

trymer01: Wielkie dzięki za podpowiedź. Rozwiązanie z LM2936-5.0 i diodą Zenera bardzo mi się podoba. Do tych zastosowań odpowiednia będzie dioda o napięciu 27V, dzięki czemu w normalnych warunkach na stabilizator trafi około 9÷11V, zaś w krytycznych około 33V. Z takim napięciem stabilizator już sobie poradzi. Dzięki !!!

Zastosowanie LM2931-5.0, o którym pisałem wcześniej, jest podyktowane tym, że takie stabilizatory są stosowane w obecnych urządzeniach i do nich są dostosowane płytki drukowane. Sprawdzone praktycznie. Dodanie zaś diody Zenera jest w nich stosunkowo proste i nie wymaga wielkich zmian. W następnej serii płytek miejsce na diodę będzie już przewidziane.

W obecnej wersji urządzenia jest LM2931-5.0, który w warunkach normalnych działa przy napięciu około 18÷19V. Dopiero w stanie krytycznym jest zasilany z około 35÷36V. Dotychczasowe testy w takich warunkach stabilizator przetrwał. Jednakże przy nowych płytkach nie ma problemu, aby wstawić w nie również szeregową diodę Zenera o napięciu powiedzmy 10V. Koszt niezbyt duży, a pewność działania większa.

Ponieważ są to rozwiązania indywidualne, a nie seryjne, ponad 3,5 krotny wzrost ceny LM2936-5.0 w stosunku do LM2931-5.0 jest warunkowo do zaakceptowania. W przypadku wersji seryjnej użycie tranzystora i diody Zenera jako stabilizatora wstępnego byłoby bardziej ekonomiczne.

Pozdrawiam.

Wszystko pięknie tylko jedna rzecz mi się nie podoba, a mianowicie odseparowanie wejścia stabilizatora od kondensatora przez diodę. Oporność różniczkowa typowej diody Zenera na 20V takiej jak BZX79C20 wynosi 15Ω typ. 50Ω max @5mA oraz 60Ω typ. 250Ω max. @1mA, to sporo, wtórnik emiterowy ma dużo niższą impedancję wyjściową. Stabilizatory LowDropout mają dużo większe wymagania co do kondensatorów niż normalne, co prawda przede wszystkim wymagają dużo większych pojemności na wyjściu ale i na wejściu trzeba dać minimum 0.1µF w sytuacji gdy odległość od głównego elektrolitu prostownika jest większa niż 2 cale jak w przypadku LM2936 (nie przypominam sobie żebym widział jakieś szczegółowe rozważania na ten temat ale według mnie to oznacza, że właściwie nie wiadomo jaka pojemność jest wymagana na wejściu do stabilnej pracy, bo zazwyczaj główny elektrolit jest duży). Tak więc licz się z tym, że sama dioda Zenera nie wystarczy, że potrzebny będzie jeszcze jakiś kondensator.
Skoro już poruszyłeś sprawę kosztu LM2936, to może zwykły 78L05 by wystarczył? Działa do 35V na wejściu i ma prąd spoczynkowy typ. 3mA, oczywiście kondensator na jego wejściu też byłby potrzebny za to opornik wstępny już nie.
Jak widać tak czy siak stabilizowanie 5V z napięcia od 30V do 60V przy pomocy stabilizatorów w normalnej wersji (nie HV) stwarza problemy i gdybym ja do tego podchodził to wydaje mi się, że zdecydowałbym się na własne rozwiązanie w oparciu o TL431, BD139, 3-4 oporniki i kondensator (nie licząc elektrolitów na wejściu i na wyjściu, ale te i tak już są).
Przy okazji, ta dioda 3W w obudowie SMB, o której wspominałeś, jest w stanie rozproszyć tą moc ale pod warunkiem, że jest przylutowana do pól czy ścieżek o odpowiednio dużej powierzchni. To samo dotyczy innych elementów, więc raczej nie licz na to, że uda Ci się rozproszyć moc i jednocześnie zachować minimalne rozmiary na druku na jakie pozwalają obudowy elementów SMD.

kspro: Dzięki za zainteresowanie i spieszę z wyjaśnieniami. Przed stabilizatorem jest oczywiście kondensator, zgodny z wymogami LM2931, czyli 100nF X7R. Odległość między nim, a stabilizatorem to około 5mm, zatem blisko, a ścieżki dość szerokie (około 1,5mm). Jeśli chodzi o diodę Zenera 3W, to moc oczywiście jest na papierze. Bez dodatkowych pól miedzi taka dioda może katalogowo odprowadzić około 0,5W. Jednakże pad o powierzchni 1cm² zwiększa tę moc do 0,9W. Zatem takie docelowo będzie. Użycie LM78L05 też brałem pod uwagę i być może w kolejnych egzemplarzach taki stabilizator zostanie użyty. Tak na marginesie: w modelu testowym na stałe siedzi 7805 w TO220, lecz jego prąd spoczynkowy w docelowym urządzeniu jest zbyt duży, dlatego LM2931.

Jeśli chodzi o zasilacz wstępny do testów, to wybrałem BCX56 (SMD), diodę Zenera 24V 0,5W i rezystor 33kOhm. Jeśli strata mocy na tranzystorze będzie zbyt duża, dodam odpowiedni radiator.

Pozdrawiam.