Kondensatordimensionierung berechnen?
Ich möchte mir einen Spannungswandler bauen, dafür werden laut einem Beispiel zwei Kondensatoren benötigt, je einer vor (C1)und nach (C2) dem Spannungsregler (LM7805). Genauer: Ich möchte 12 V aus einem Netzteil auf 5 V für den Arduino herunterregeln.
Nun stellt sich für mich die Frage, wie ich die korrekt dimensioniere.
Die Formel dafür lautet nach meinen Recherchen (bin absoluter Elektro-Laie)
C = (I x t) / U.
Nun weiß ich aber ehrlich gesagt nicht, welche Werte dort einzusetzen sind?
Bei C1 würde ich für U1 12 V einsetzen, bei C2 für U2 dann 5 V.
I2 würde ich mit der max. möglichen Stromstärke des Verbrauchers, in diesem Fall dann des Arduinos annehmen, also ca. 0,5 A. Oder lieber das, was der LM7805 überhaupt liefern könnte (1 A)?
I1 und sowohl t1 als auch t2 sind mir unklar.
Ich habe ein Set aus Aluminium-Elektrolytkondensatoren, daher stellt sich mir nun die Frage, welchen ich korrekterweise nehme.
Laut dem Beispiel wären C1 100µF und C2 1µF.
Kann mir das bitte jemand erklären?
4 Antworten
Aus dem Datenblatt: (https://www.st.com/resource/en/datasheet/l78.pdf)
"Refer to the test circuits, TJ = 0 to 125 °C, VI = 14 V, IO = 500 mA, CI = 0.33 μF, CO = 0.1 μF unless otherwisespecified."
Bei mir kommen direkt an den Eingang ein 4,7µF Kerko, an den Ausgang 100nF Kerko. Die 100nF sind wichtig damit am Ausgang nichts zu schwingen anfängt. Etwas weiter weg vom 100nF Kerko (also mit etwas Leitungs-Widerstand, Induktivität ... >1cm) kannst du dann auch einen recht großen Elko mit 100µF oder auch 1000µF verbauen. Bei so großen Kapazitäten musst du aber wissen dass der "inrush-current", also der Strom zum füllen des Kondensators entsprechend groß ist.
Bei 12V Eingangsspannung, 2V Spannungsabfall am Regler (Drop-Voltage) und 5V Ausgangsspannung musst du die Differenz von 5V verbraten werden und das macht man am besten mit einem Widerstand vor dem Eingang des Reglers.
Der 1. Vorteil hierbei liegt an der geringen thermischen Belastung des Reglers.
Der Widerstand müsste R=U/I = 5V/0,5A= 10 Ohm groß sein. Das hat den 2. Vorteil dass der Maximalstrom dadurch begrenzt ist und dass der "inrush-current" zum füllen des Kondensators begrenzt wird.
Noch Fragen?
>> in diesem Fall dann des Arduinos annehmen, also ca. 0,5 A.
>> Oder lieber das, was der LM7805 überhaupt liefern könnte (1 A)?
Habe ich einfach als Beispiel aus deinem Text genommen. Der Regler kann maximal 1,5A liefern, aber du musst die thermische Begrenzung beachten um den Regler nicht kaputt zu machen.
Wenn du 1A ziehen möchtest, dann wirst du ohne so einem Vorwiderstand 1A*7V= 7 Watt verbraten und dafür brauchst du dann schon einen ordentlichen Kühlkörper!
Schau im Datenball unter "Thermal data" nach, da steht der thermische Widerstand bis zur Umgebung (ohne Kühlkörper) und mit Anschluss eines Kühlkörpers am Blech. Du musst da natürlich noch den thermischen Widerstand des Kühlkörpers mit einberechnen.
Der Kondensator hängt immer davon ab welche Last dran hängt und ob du den Strom kontinuierlich ziehst oder ob kurze Impulse gezogen werden.
Die Standardbeschaltung mit den beiden Kondensatoren ist vollkommen ausreichend. Ich nutze auf einer Mikrocontroller-Platine aber gerne 47µF oder 2x 47µF um einen gewissen Tiefpass zur Eingangsfilterung zu haben und um Stromimpulse besser abfangen zu können. (natürlich nur wenn man Platz hat und Elkos verbaut werden dürfen)
Die Formel um die Kapazität zu berechnen (C=Q/U) bringt dir hier gar nichts.
Der 7805 ist sehr robust und man kann kaum was falsch machen.
Ich würde einen ausreichen großen Pufferkondensator als C1 wählen (z.B. 470uF) und als C2 100uF UND parallel einen 100nF (Folien- oder keramisch).
Danke für die schnelle Rückmeldung und die Vorschläge. Nun würde mich ja aber vor allem interessieren, wie ich einen Kondensator denn überhaupt richtig dimensionieren würde - welche Werte also für I, t und U einzusetzen wären. Und warum würdest du als C2 zwei Stück parallel schalten (und noch dazu mit anderem Dielektrikum)?
Die Elkos dienen in erster Linie als Puffer - vor allem C1, um einen eventuellen Ripple herauszunehmen. Ein großer C2 ist nicht erforderlich. Ich knalle aber aus Gewohnheit immer 740uF hin.
Das ist aber nicht die ganze Wahrheit. Am Ausgang ist auch deshalb ein Kondensator erforderlich, damit die Regelstrecke im 7805 nicht instabil wird und schwingt. Man kann zeigen, dass man für die Kompensation des Regelkreies einen Kondensator mit einem kleinen Ohm'schen Anteil (ESR) benötigt. Elkos haben aber leider einen sehr schlechten ESR, sodaß man meist einen Folienkondensator dazuschaltet - diese haben einen sehr kleinen ESR. 100nF reichen für die Kompensation aus. Deshalb meist ein großer Elko und ein kleiner Folienkondensator parallel.
Ehrlich gesagt hat bei mir ein 7805 noch nie geschwungen, selbst ohne Folienkondensator am Ausgang. Trotzdem macht man das aber, um auch ungünstige Lastsituationen regeltechnisch im Griff zu haben.
Der kleine Kerko sorgt dafür dass die Regelungsschalung im Spannungsregler nicht schwingt und der große Elko dient als Puffer.
Wichtig ist auch das: "Minimum load current for regulation is 5 mA." Also wenn deine Last geringer ist, dann steigt die Spannung am Ausgang an.
3,5Watt Verlustleistung, ein Kühlblech > 10cm² ist also auch Pflicht, oder:
Statt dem 7805 aber die ganze Last aufzudrücken, kann man vorher auch noch mal einen Leistungsvorwiderstand montieren.
Wenn der 7805 thermisch überlastet wird, geht er meist kaputt und dann bringt er die vollen 12V am Ausgang.
Wichtig vor allem, der erste C muss größer sein, als der C am Ausgang. Zum gleichen Zweck die Rücklaufdiode, siehe Datenblatt. Der 7805 verkraftet keine, wesentlich höhere Spannung am Ausgang als am Eingang.
Ich würde für sowas einfach in das Datenblatt gucken. Meistens findet man da Hinweise.
Wenn man mal hier reinguckt:
https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A200/L7805CV-STM.pdf
Auf Seite 23 gibts Hinweise dazu. Empfohlen werden 0,33 μF Input und 0,1 μF Output. Je nach Szenario könnte man sie sogar weglassen.
Aber wie schon gesagt ist der sehr robust.
Lob, gute Antwort!
Denn, wenn die 12 V Spannungsversorgung schon stabilisiert ist, benötigt man NICHT mehr einen Sieb-ELKO (Faustformel 1 uF je mA, bei konventionellem Netztrafo 50 Hz mit Gleichrichter) im Eingangsbereich.
Auch ein zu großer ELKO in der Ausgangsspannung ist Unfug, lediglich ein kleiner (Folien-)Kondensator ~100nF reicht aus um elektrische Schwingungen des 7805 zu vermeiden.
Viel Erfolg alve89!
Ein bisschen extra schadet meist natürlich nicht. Adafruit empfiehlt für solche Anwendungen z.B. 10 μF für Input und Output.
Joa, da bleiben für mich tatsächlich noch ein paar Fragen offen... :-)
Meine urspünglichen praktischen Fragen sind durch deine Frage beantwortet, meine theoretischen, insbesondere wie ich den Kondensator dimensioniere (I, t, U) nicht - kannst du da vielleicht auch noch ein kurzes Statement dazu abgeben?
Dennoch schon mal vielen Dank für die sehr ausführliche Antwort!