Overvoltage beveiliging raspberry pi

[Robbiedobbie]

Ik wil een eigen hat voor de raspberry pi gaan ontwerpen, en daarbij wil ik ook de stroomvoorziening voor de pi via de GPIO pinnen laten lopen. Nu ga ik het bordje maken met dc connector aangezien ik hier de adapters voor heb liggen (En ook de female connectors voor op een pcb). Nu zit ik echter met het probleem dat ik thuis adapters heb liggen van 5v, maar ook van 12v met exact dezelfde connectors. Nu zal ik dit zelf altijd controleren, maar ik zie het al gebeuren dat iemand per ongeluk een 12v adapter erin steekt.

Nu wil ik voorkomen dat op deze manier de pi wordt opgeblazen. Sowieso ga ik een zekering op het bordje duwen die max 3A doorlaat, maar nu wil ik dus ook gaan beveiligen tegen overvoltage, maar hoe precies ben ik nog niet helemaal over uit.

De simpelste oplossing die ik tot nu toe gevonden heb is een circuit zoals deze:

Echter zit ik hierbij met de keuze voor transistor Q1. Tenslotte moet hier maximaal 3A doorheen kunnen gaan (voor langere tijd) zonder echt heet te worden, en met een zo klein mogelijke voltage drop.

Verder heb ik ook een crowbar circuit gevonden welke de zekering door laat branden als het voltage te hoog wordt, maar die lijkt me ingewikkelder. (Deze lijkt wel het voordeel te hebben dat hij geen voltage drop geeft/warmte produceert zolang het voltage onder de gewenste grens blijft)

Iemand die hier betere insights in heeft?

[memphis]

Het gebruik van transistoren geeft altijd meer voltage drop en een CE spanning kan vaak hoger blijven dan een BE spanning en bestaat de kans dat Q2 niet eens Q1 zal uitschakelen.


Ik zou voor een OPAMP in comperator modus gaan met op1 ingang een zener van bv 2.5v en dan op de andere ingang een weerstandsdeler dat net iets meer spanning dan 5v nodig heeft op de 2.5v te halen. Dan kan je aan de uitgang direct een P-channel FET schakelen voor in de + lijn.

[Robbiedobbie]

Dus een circuit zoals deze, alleen dan een P-MOSFET ipv een SCR?



Hoe zorg ik ervoor dat ik de Vgs van de mosfet in de goede range heb? Is het niet zo dat wanneer er bijv een 6v voeding erop zou aansluiten (Puur theoretisch) dat de mosfet dan maar gedeeltelijk gaat geleiden, waardoor het circuit niet goed zou reageren?

Ik zie ook een aantal circuiten die niet met een opamp en mosfet werken, maar die alleen een zener gebruiken om een thyristor te triggeren. Is dat niet makkelijker om in een circuit te verwerken?

Een voorbeeld van zo'n circuit:

[Brahiewahiewa]

Robbiedobbie schreef op donderdag 27 juni 2019 @ 11:14:

...De simpelste oplossing die ik tot nu toe gevonden heb is een circuit zoals deze: ...

Dit circuit heeft twee nadelen:

1. Als er 5 Volt aan de ingang staat komt er minder dan 5 Volt aan de uitgang uit; je verliest in ieder geval de 0,7 Volt drop van de be-overgang van Q1. Je rPi gaat hier slecht mee om
2. Als er 12 Volt aan de ingang staat moet Q1 (12 -5 ) Volt x 3 Ampere = 21 Watt verstoken. Dat is veel en er is geen enkele indicatie

Denk dat het beter is om een dc-dc converter te gebruiken die ongeacht de ingangsspanning, altijd 5 Volt aan de uitgang geeft

[jbhc]

Brahiewahiewa schreef op donderdag 27 juni 2019 @ 11:57:
[....]

Denk dat het beter is om een dc-dc converter te gebruiken die ongeacht de ingangsspanning, altijd 5 Volt aan de uitgang geeft

Dit was mijn eerste gedachte.

[Robbiedobbie]

Brahiewahiewa schreef op donderdag 27 juni 2019 @ 11:57:
[...]

Denk dat het beter is om een dc-dc converter te gebruiken die ongeacht de ingangsspanning, altijd 5 Volt aan de uitgang geeft

Hoe wil je een dc-dc converter hier gebruiken als de bedoeling is om normaal gesproken te voeden met 5v? De meeste converters (Zowel die linear als buck step down converters) hebben zo'n 1.5v hogere input nodig om stabiele 5v te produceren. Nu heb je bij die linear converters een low drop variant, maar ook die hebben nog altijd zo'n 0.5v drop en hebben meestal ook nog het nadeel dat ze mindere vermogens aankunnen.

Ik denk toch dat een crowbar circuit (bijv zoals @memphis voorstelde) beter is, alleen is het me nog niet helemaal duidelijk welke specs van de verschillende onderdelen belangrijk zijn, en hoe ik ervoor kan zorgen dat deze 5v goed werkt, maar vanaf 5.1v (de absolute max van de raspberry pi) begint met uitschakelen. De algemene werking van het circuit is me dus wel duidelijk, alleen weet ik niet hoe ik de range zo kort op de 5v kan krijgen zonder dat hij op 5v ook al gedeeltelijk stroom gaat gebruiken.

[memphis]

Robbiedobbie schreef op vrijdag 28 juni 2019 @ 09:47:
[...]

Hoe wil je een dc-dc converter hier gebruiken als de bedoeling is om normaal gesproken te voeden met 5v? De meeste converters (Zowel die linear als buck step down converters) hebben zo'n 1.5v hogere input nodig om stabiele 5v te produceren. Nu heb je bij die linear converters een low drop variant, maar ook die hebben nog altijd zo'n 0.5v drop en hebben meestal ook nog het nadeel dat ze mindere vermogens aankunnen.

Ik denk toch dat een crowbar circuit (bijv zoals @memphis voorstelde) beter is, alleen is het me nog niet helemaal duidelijk welke specs van de verschillende onderdelen belangrijk zijn, en hoe ik ervoor kan zorgen dat deze 5v goed werkt, maar vanaf 5.1v (de absolute max van de raspberry pi) begint met uitschakelen. De algemene werking van het circuit is me dus wel duidelijk, alleen weet ik niet hoe ik de range zo kort op de 5v kan krijgen zonder dat hij op 5v ook al gedeeltelijk stroom gaat gebruiken.

Er zijn ook gecombineerde buck/boost DC/DC converters, deze kunnen van een onderspanning tot een overspanning de juiste voltage uitspugen

Een lineaire low voltage drop is te doen, kan je zelf ook maken met 1 transistor, dzener en weerstand maar de LT1083 is een prima regelaar die veel vermogen aan kan.

En mijn voorstel hoeft geen crowbar te zijn, je kunt er ook een FET mee schakelen om de voedingspanning op de RPi aan en uit te zetten

[Robbiedobbie]

Hmmz, ik ga eens kijken of ik een niet al te dure buckboost converter chip kan vinden om op het bordje erbij te zetten. Heeft natuurlijk ook als voordeel dat hij gewoon werkt als hij hogere input krijgt...

[Robbiedobbie]

Nu heb ik eens rond zitten kijken, en ik denk dat ik voor een LM25118 buck-boost controller ga. Ik ben momenteel met de WEBENCH power designer een circuit aan het ontwerpen, maar ik loop tegen het probleem aan dat ik voor niet alle onderdelen een vervanging kan vinden die met de hand te solderen is (SMD is geen probleem, maar pads onder de chip kan ik niet solderen).

Het betreft een van de 2 power mosfets die in mijn circuit benodigd zijn. De mosfet die door de webench geadviseerd wordt is een CSD18543Q3A, welke een niet te solderen package heeft. Het enige alternatief in webench die een hand te solderen package heeft is de IRLR3110ZPBF, maar deze staat als verouderd opgemerkt bij mouser, en is niet meer beschikbaar.

Hoe kan ik hier een soldeerbaar alternatief voor vinden? Ik ben zelf niet helemaal thuis in de eisen die deze MOSFET zal moeten hebben voor dit soort circuits...

[BernardV]

Bij RS kun je die nog wel krijgen:
https://nl.rs-online.com/...1TvQZ6EAAYASAAEgIa3_D_BwE

//EDIT:
Je kunt het ook zo doen
Bron: https://verstraten-elektr...tips-zenerdioden.html?m=1

//EDIT2: Je hebt ook 5.1V zeners, mocht je ze niet snel kunnen vinden heb ik ze ook nog wel liggen geloof ik, dan zoek ik even voor je.

[ Voor 40% gewijzigd door BernardV op 10-07-2019 20:43 ]

[Robbiedobbie]

Zou de IRFS7534TRLPBF een geschikte vervanging kunnen zijn?

BernardV schreef op woensdag 10 juli 2019 @ 20:31:
Bij RS kun je die nog wel krijgen:
https://nl.rs-online.com/...1TvQZ6EAAYASAAEgIa3_D_BwE

Ik ga liever geen verouderde onderdelen gebruiken die ik misschien niet meer kan vervangen als ze kapot zouden gaan.

BernardV schreef op woensdag 10 juli 2019 @ 20:31:
Je kunt het ook zo doen [Afbeelding]
Bron: https://verstraten-elektr...tips-zenerdioden.html?m=1

Zo'n circtuit had ik al eerder gevonden en ook benoemd, maar het is lastig om de zener met de thyrister precies te balanceren zodat hij bij een standaard 5v voeding niet uitknalt, maar bij een ~5.25 volt dan weer wel (gewone 5v voeding levert meestal al rond de 5.1, maar de pi mag absoluut geen voltages hoger dan 5.25 volgens de datasheets die ik kan vinden).

BernardV schreef op woensdag 10 juli 2019 @ 20:31:
Je hebt ook 5.1V zeners, mocht je ze niet snel kunnen vinden heb ik ze ook nog wel liggen geloof ik, dan zoek ik even voor je.

Als je puur zo'n zener gebruikt zorg je er idd voor dat je op max 5.1v gaat zitten, maar dan gaat de rest van de energie verloren in de zener zelf, die dit niet lang kan volhouden (Maar de stroom zal laag genoeg blijven om de zekering niet te laten knallen?), waarna het volle voltage alsnog op de pi kan komen te staan.

[ Voor 94% gewijzigd door Robbiedobbie op 11-07-2019 09:51 . Reden: Antwoord op voorgaande post toegevoegd ]

[BernardV]

@Robbiedobbie Die schakeling met thrysistor en een 5.1V zener dan gaat er niet veel verloren in de zener. De zener gaat geleiden boven de 5.1V dan stuurt hij de thrysistor open en doordat er een weerstand achter de zener zit.
Maar wat hier staat met een 5.7V zener werkt prima.
Als je een voeding meet zal deze misschien wel 6V geven, maar dat is onbelast, zodra er maar iets van belasting aanwezig is zal de spanning inzakken.
Met een 5.7V zorg je ervoor dat een normale 5V voeding blijft werken en bij een 12V gaat de thrysistor in geleiding en zal je zekering doorbranden, mits deze natuurlijk goed bemeten is, anders staat je voeding in sluiting en komt er nog geen te hoge spanning over de rpi te staan, dan kan je thrysitor wel heet worden en doorbranden met alle gevolgen van dien. Dus een goed bemeten zekering.

//EDIT: Als je hier kijkt:
Schema RPi B+ - PDF
Zie je in de voeding D7 zitten, dit is een Voltage Surpressor Diode. Het type wat hier staat, de SMBJ5.0A heeft een break down voltage van 6.4V.
Dus de RPI foundation heeft een bescherming ingebouwd die bij 6.4V ingrijpt, dan zit je zelf prima als jij iets bouwt wat rond de 5.7 ingrijpt.

[ Voor 32% gewijzigd door BernardV op 11-07-2019 10:25 ]

[Robbiedobbie]

BernardV schreef op donderdag 11 juli 2019 @ 10:07:
@Robbiedobbie Die schakeling met thrysistor en een 5.1V zener dan gaat er niet veel verloren in de zener. De zener gaat geleiden boven de 5.1V dan stuurt hij de thrysistor open en doordat er een weerstand achter de zener zit.
Maar wat hier staat met een 5.7V zener werkt prima.
Als je een voeding meet zal deze misschien wel 6V geven, maar dat is onbelast, zodra er maar iets van belasting aanwezig is zal de spanning inzakken.
Met een 5.7V zorg je ervoor dat een normale 5V voeding blijft werken en bij een 12V gaat de thrysistor in geleiding en zal je zekering doorbranden, mits deze natuurlijk goed bemeten is, anders staat je voeding in sluiting en komt er nog geen te hoge spanning over de rpi te staan, dan kan je thrysitor wel heet worden en doorbranden met alle gevolgen van dien. Dus een goed bemeten zekering.

Ik snap hoe een "crowbar" circuit werkt. Echter van wat ik begrepen heb is dat de thyristor vaak ook nog 1-2 v signaal nodig heeft om te triggeren. Dit zou dan resulteren bij een zener van 5.7v dat het circuit pas uitschakelt bij een zo'n 7-8v. Echter kan de PI in sommige gevallen al bij 5.5v kapot gaan van wat ik begrepen heb.
Hoe kan ik het uitzoeken van de thyristor en de zener in dit geval het beste aanpakken?

BernardV schreef op donderdag 11 juli 2019 @ 10:07:
Als je hier kijkt:
Schema RPi B+ - PDF
Zie je in de voeding D7 zitten, dit is een Voltage Surpressor Diode. Het type wat hier staat, de SMBJ5.0A heeft een break down voltage van 6.4V.
Dus de RPI foundation heeft een bescherming ingebouwd die bij 6.4V ingrijpt, dan zit je zelf prima als jij iets bouwt wat rond de 5.7 ingrijpt.

Van wat ik begrijp is die diode alleen bedoeld om grote korte pieken op te vangen, en niet een verkeerd aangesloten adapter. Als ik dit fout heb zou het natuurlijk ook een goed alternatief zijn... Laat die diode genoeg stroom lopen om de polyfuse te triggeren?

[BernardV]

@Robbiedobbie Maar volgens mij ga je een beetje je doel voorbij in deze gedachten.
Een voeding (usb) die onbelast 5.xV meet is heel normaal, zodra je dus echt vermogen gaat vragen zal de spanning inzakken.
In je start heb je het over een 12V voeding, die zal zeker de thrysitor gaan triggeren met een 5.7V zener.
Ik heb hier meerdere rpi's liggen en nog nooit problemen gehad met een 5V voeding die beweerde dat het een 5V voeding is.

Wat betreft die diode, die is zeker niet bedoeld om de zekering te triggeren, het heeft een max van 600mW.
Maar het zegt wel genoeg over het bord. Wat ik lees op verschillende sites is dat de rpi aanbevolen wordt met 5V +/- 5% maar dat de werkelijke spanning net onder de 6V moet blijven.

[ Voor 24% gewijzigd door BernardV op 12-07-2019 18:59 ]

[Robbiedobbie]

BernardV schreef op vrijdag 12 juli 2019 @ 18:57:
@Robbiedobbie Maar volgens mij ga je een beetje je doel voorbij in deze gedachten.
Een voeding (usb) die onbelast 5.xV meet is heel normaal, zodra je dus echt vermogen gaat vragen zal de spanning inzakken.
In je start heb je het over een 12V voeding, die zal zeker de thrysitor gaan triggeren met een 5.7V zener.
Ik heb hier meerdere rpi's liggen en nog nooit problemen gehad met een 5V voeding die beweerde dat het een 5V voeding is.

Daar heb je gelijk in, de kans dat er een per ongeluk 6-7 volt op gezet wordt is nihil. Ik ga denk ik toch voor zo'n crowbar dan. Thanks!