LM2596HVS als Leistungsschalter


←

Für verschiedene Projekte war ich auf der Suche nach einem günstigen, universellen und leistungsstarken Schaltmodul mit diesen Anforderungen:
  • Eingangsspannung <60V
  • Einstellbare Ausgangsspannung 3..36V
  • Ausgangsstrom begrenzt und dauerhaft kurzschlussfest
  • Schaltung per Taster oder Mikrocontroller
  • Ausgang im ausgeschalteten Zustand spannungslos
  • Schaltzeit <500 Millisekunden
  • Lautlos und funkenlos (also kein Relais)
  • Kompatibel mit induktiven Lasten (Relais, Motoren, ...)
  • Kostengünstig
Damit fallen einfache Low-Side Schaltungen per n-Kanal MOSFET oder NPN Transistor am negativen Ausgang weg. Treiberschaltungen mit p-Kanal MOSFET Transistoren sind natürlich möglich. Eine einstellbare Ausgangsspannung selbst zu realisieren ist jedoch aufwendig.

Bei der Suche bin ich auf DC-DC Tiefsetzsteller (Buck-Converter) mit dem LM2596 bzw. LM2596HVS Baustein gestoßen. Der LM2596HVS funktioniert bis zu 60V Eingangsspannung. Die günstigere Version LM2596 reicht bis 40V Eingangsspannung.
Angeboten werden fertig aufgebaute Module als bestückte Platinen mit einem oder zwei Spindelpotentiometern. Module mit zwei Potentiometern lassen am Ausgang Spannung und den maximalen Strom einstellen. Damit lässt sich ein kurzschlussfester Ausgang mit max. 2A Dauerstrom bzw. 3A kurzfristig realisieren.

Die Frage war nur: Wie kann das angebotene Modul als Leistungsschalter genutzt werden?

Laut Datenblatt ist Pin 5 ein low aktiver Aktivierungseingang. Wird dieser Pin von der Platine gelöst und per 100k Widerstand mit Pin 1 verbunden, so ist der Ausgang deaktiviert.
Nun kann ein Taster zwischen Masse und Pin 5 geschaltet werden. Bei 50V reichen dann 5mA Schaltstrom über den Schalter um am Ausgang 3A kurzzeitig und 2A dauerhaft zu schalten.
Um den Eingang per Mikrocontroller zu bedienen, kann der GPIO Ausgang über einen 10k Basiswiderstand einen NPN-Transistor schalten welcher Pin 5 gegen Masse zieht.
Bei 12V Eingangsspannung können ca. 10V stabil am Ausgang anliegen. Das sollte für den Betrieb des Relais ausreichen. Allerdings muss der Regler noch gegen induktive Spannungsspitzen gesichert werden. Eine schnelle Siliziumdiode (z.B. FR107) am Ausgang (von Masse zu Out+) sollte für das Gasrelais reichen. Etwas störend ist der Stabilisierungskondensator am Ausgang. Dieser verzögert den Abschaltvorgang um ca. 1 Sekunde. Darum habe ich ihn entfernt.

Der Testaufbau ist auf dem letzten Foto zu sehen.
  • Die Eingangsspannung ist auf 50V eingestellt.
  • Das Modul ist ich auf 10V Ausgangsspannung und 2A Maximalstrom eingestellt.
  • Am Ausgang ist eine 3A Siliziumdiode (wegen der großen induktiven Last) angelötet.
  • Der 220uF Kondensator am Ausgang wurde entfernt.
  • Der Taster hängt am Ende des schwarz-weißen Kabels. Hier habe ich den kleinsten SMD- Taster verwendet den ich im Sortiment gefunden habe.

Am Ausgang hängen eine LED + Vorwiderstand und ein Lüfter 12V 3,8A. Der Lüfter lässt sich damit problemlos ein- und ausschalten.
Der Test wurde 20x wiederholt. Dabei wurde der Taster auch betätigt während der Lüfter noch lief.

Ein Test ohne Löschdiode am Ausgang zerstört den Regler mit dieser Last schon beim ersten Abschaltvorgang.

Ein Schaltmodul mit einstellbarer Ausgangsspannung und Strombegrenzung kann im El natürlich auch noch andere Verbraucher (Licht, Heizung, Scheibenwischer, Lüftung, ...) schalterschonend steuern. Die hohe Spannungsfestigkeit erlaubt außerdem die Nutzung einer dünnen Versorgungsleitung direkt vom Hauptschalter aus.

Entwurf und Realisation Gregor Rebel 2023.









[jpg, 6MB]
#001: Pin 5 abloeten und hochbiegen 		[jpg, 5MB]
#002: 100k Widerstand zwischen Pin 1 und 5, Loeschdiode hinzugefuegt und Ausgangskondensator entfernt 		[jpg, 1MB]
#003: Testaufbau mit 50V Eingangsspannung und 10V 2A Schaltleistung



[jpg, 5MB]
#004: Taster gedrueckt. 2A Ausgangsstrom. Das Zangenampermeter ist deutlich ungenauer als ein eingeschleiftes Ampermeter