Testreihe mit dem Regler CAT4101

Nachdem die CAT4101 aus der Sammelbestellung von JayDragon eingetroffen
sind wurde der natürlich gleich ausprobiert und geschaut, was denn das Teil so alles hergibt.
Es sollte eigentlich nur ein kleiner Versuchsaufbau werden, in der Zwischenzeit ist dann aber doch
so einiges an Informationen zusammengekommen, welche hoffentlich für einige Leute hilfreich sind.

Als erstes fällt auf das es sich um ein kompaktes und relativ schweres IC handelt,
es ist sofort zu erkennen das hier unter Umständen ordentlich was an Wärme abgeführt
werden muss, das geht ja auch aus der Beschreibung hervor. Typisch Linearregler aber OK.

Das habe ich dann gleich beim Design vom ersten Prototypen berücksichtigt,
alles was nicht unbedingt weg muss vom Kupfer bleibt auf der Leiterplatte.
So schaut es dann aus, das ist für den ersten Versuch nur beidseitig 35µm Kupfer,
die Unterseite ist vollflächig Kupfer und über dem IC mit einem CU Stift mit der Unterseite verbunden.

Nun wurde diese Platine mal bezüglich der Temperaturentwicklung vermessen,
Testobjekt war ein Rebel RGB Stern, die Bedingungen waren wie folgt:

Strom gesamt 0,98A, aufgeteilt auf RGB also je Farbe ca. 330mA, angesteuert mit
PWM, ca. 600Hz, kurz vor Volllast um noch die Schaltflanken der PWM für die
Erwärmung mit erfassen zu können, das ist ja im normalen Betrieb das selbe.

Die benötigten Spannungen für den Rebell Stern sind Rot 2,8V / Grün 3,0 V / Blau 3,5 V.
Ab ca. 4,1 Volt Eingangsspannung fließt der volle Strom, das ist schon sehr gut !

Mit 5V Betriebsspannung wird die Platine gerade mal Handwarm, das ist überhaupt kein Problem.

Mit 6V Betriebsspannung steigt die Temperatur auf 46°, auch noch kein Problem.

Mit 7V Betriebsspannung geht es schon auf 53° nach ca. 5 Minuten Betrieb.

Mit 8V Betriebsspannung sind es dann nach einigen Minuten schon 76°.

Die Platine ist bei der Messung nur auf dem Tisch gelegen und wurde praktisch nur durch die normale
Konvektion gekühlt, in eingebautem Zustand schaut das natürlich wieder anders aus.
Bei dem hier verwendeten Strom würde ich hier im eingebauten Zustand der Platine nicht über 6V
gehen, da hierbei die Temperatur in einem Gehäuse schon locker 80° erreichen kann.

Ebenfalls ist es klar das bei höheren Strömen auch mehr Leistung verbraten wird und die ganze
Sache natürlich noch wesentlich wärmer wird, das sollte immer berücksichtigt werden.

Insgesamt bin ich aber absolut positiv überrascht von dem Regler, der Drop ist sehr gering und
wenn die Eingangsspannung richtig ausgewählt wird dann hält sich auch die Wärmeentwicklung
in Grenzen, den werde ich bestimmt öfters mal einsetzen, das ist auch recht unkompliziert.
Das war jetzt ein erster Test um auszuloten inwieweit dieser Regler eingesetzt werden kann.

Als nächstes wurden 3 Rebel RGB Sterne in Reihe geschalten und die ganze Sache an 12V betrieben.
Die benötigten Spannungen für die 3 Rebel Sterne sind bei 12V Rot 8,4V / Grün 9,0V / Blau 10,5 V.
Rot liegt da schon weit weg, da ist viel Leistung zum verbraten, der Regler wird auch am wärmsten.

Der Spannungsabfall über die Regler gemessen ist Rot 3,6V / Grün 2,55V / Blau 1,2V.
Grün und Blau ist absolut im Normalen Bereich, Rot ist schon etwas hoch, geht aber noch.
Die Platine mit den 3 Reglern wird insgesamt dank großzügiger Auslegung nur gut Handwarm,
also so um die 38° Grad, die Wärmeentwicklung vom Roten Chip geht Wunderbar in Richtung
zum Grünen und zum Blauen Regler, diese beiden müssen ja nicht soviel Leistung verbraten.

Absolut wichtig ist hier eine durchgehende Kupferschicht auf der Rückseite, damit sich die
Wärme gleichmäßig aufteilen kann, ich muss zugeben das ich doch etwas überrascht war wie
gut sich die Wärme bei 12V Betrieb doch aufteilt, hier hätte ich mehr vermutet.

Da der Spannungsabfall über den Roten LEDs noch eine weitere LED zulässt habe ich einfach in diese
Reihe noch eine 4. rote LED, das ist ein K2, geschalten, mal sehen was die Temperatur jetzt macht.

Wie erwartet bleibt die ganze Platine nun wesentlich kühler, die wird jetzt gerade noch mal kaum Handwarm.
Der Spannungsabfall über dem Regler für die roten LEDs beträgt nun nur noch 0,75V.
Diese Kombination läuft nun seit über einer Stunde an 12V mit 100%, das wird tatsächlich kaum warm,
also zum Hände aufwärmen ist diese Wärmeentwicklung zu wenig.

Nach diesen positiven Messungen wurde noch an dem Design der Platine etwas geändert:
Um die Anschlüsse günstiger verlegen zu können und weil ich noch 2 LEDs zur Anzeige
der Betriebsspannung und der 5V haben wollte wurde das noch eingefügt und ein neuer
Aufbau gemacht, zusätzlich wurden noch einige SMD Abblock Kondensatoren angebracht
und weil’s so schön war gleich noch ein 78L05 eingebaut, einfach nur mal um zu sehen ob es geht.
Da ich normalerweise eh mit einem µC ansteuere kommen von da auch gleich die 5V für den CAT4101,
dann habe ich auch keine Probleme dass mir von der LED Versorgung etwas in die 5V reinstreut.

Und so schaut es dann mit den Bauteilen aus

Diese Platinen sind jetzt mit 70µm Kupfer beidseitig gemacht, das ist zum löten schon
mal ganz lustig, die Wärmeableitung ist hier schon richtig gut, genau so soll es sein.

Da ich nur 5 Bilder pro Beitrag laden kann geht es dann unten weiter.

Im Nachhinein wurde auch dieses Layout noch etwas geändert, es waren nur noch einige
Kleinigkeiten welche mir nicht gefielen. Für einen später geplanten Test mit 24V und erhöhtem
Strom bzw. mit 2 Reihen von LEDs und Symmetrier Widerständen davor zur gleichmäßigen
Stromaufteilung wurde die Grundfläche noch minimal vergrößert und etwas besser aufgeteilt.

Da diese Version jetzt die Endgültige ist wurde die Platine jetzt mit 2x 105µm Kupfer
gefertigt, das ergibt jetzt eine absolut Klasse Wärmeableitung, allerdings ist auch das
löten schon schwieriger, hier muss schon ordentlich aufgedreht werden, und gutes
Flussmittel verwenden damit das Lot schnell benetzt und gut fliest.

Hier noch eine Aufnahme des Schriftzuges CAT unter dem Mikroskop, es ist trotz der
schlechten Bildqualität sehr gut die hohe gefräste Flanke der Kupferbeschichtung zu erkennen

Alle Leiterplatten sind Isoliergefräst und sind so ausgelegt, das mit etwas Überstand 100mm
Breite erreicht werden, damit es in von mir verwendeten Alugehäuse einfach einzubauen ist.
Wenn der Überstand elektrisch Isoliert wird dann hat die Masse keine Verbindung zum Gehäuse.

Die letzte Version der Platine hat die Abmessung 92mm x 40mm, so wie auf dem Foto gezeigt.
Die großen Bohrungen sind dafür gedacht um gleichzeitig als Zugentlastung für die Kabel zu dienen,
die kleinen Bohrungen dienen zur Befestigung wenn die Platine in Kunststoffgehäusen eingebaut wird.
Oder alternativ wenn wirklich mal noch mehr Leistung verheizt werden muss zum Aufnehmen von
Kühlkörpern oder auch Alubolzen zum Verbinden mit dem Gehäuse, dann wird nix mehr warm.

Eine wie ich finde ebenfalls sehr gute und kompakte Ausführung einer RGB Ausführung mit dem CAT4101
wurde schon mal von Stefan_Z vorgeschlagen, leider wurde diese Variante nicht zum Ende Entwickelt
bzw. zum Abschluss gebracht, vielleicht wird es ja noch mal was ?

Aus gegebenem Anlass möchte ich noch mal darauf hinweisen, das es sich bei den angegebenen
Applikationsschaltungen der Hersteller bezüglich der zusätzlichen Bauteile um das Minimum handelt,
was einen fehlerfreien Betrieb der Schaltung unter LABORBEDINGUNGEN ermöglicht.

Bei getakteten Schaltungen ist zum Betrieb ein nahezu Ideales Netzteil Notwendig, das aber eigentlich keiner hat.
Also ist es Grundvoraussetzung, das die Betriebsspannung noch mit einem oder mehreren Elkos gestützt wird.

Eine Verpolungsschutzdiode in dieser Schaltung schadet mehr also sie nützt, der Innenwiderstand
ist viel zu groß für die Impulsbelastung, entweder weglassen oder einen FET nehmen, und dann
mit einem guten Elko puffern, aber definitiv besser ist die Diode weglassen und aufpassen beim anschließen.

Und, an einen Spannungsregler wie den 78xx gehört als absolutes Minimum ein guter Kondensator 0,1µF
so nahe wie möglich an den Eingang und an den Ausgang, für manche Ausführungen sind noch zusätzlich
Elkos vorgeschrieben, die können aber sowieso immer montiert werden, das erhöht die Betriebssicherheit.

Wenn so ein Spannungsregler einmal schwingt, und glaubt mir die machen das, dann geht nichts
mehr in der ganzen Schaltung, was die dann macht ist nicht vorhersehbar.
Absolut gefürchtete Kandidaten sind hier die LM2940CTxx und die Derivate dazu.

Noch ein letzter Hinweis zum störungsfreien Betrieb:
Diese und generell alle anderen Konstantstromquellen welche mit PWM Impulsen
angesteuert werden gehören so nahe wie möglich zum Verbraucher, also zu den LEDs und nicht
Meterweit weg davon, jede PWM erzeugt Oberwellen, welche viele Geräte stören können.
Hier ist jeder für sein handeln selber verantwortlich, wenn ein kommerzieller Funkdienst oder
sonst irgendein Gerät davon gestört wird so ist der Betreiber der Störquelle voll Haftbar dafür.

In diesem Sinn allen ein gutes Basteln mit dem CAT4101 und viel Erfolg und wenig Wärme !

MfG Raimund

PS: Die Tests mit 24V werden später mal noch hier angefügt werden, das dauert aber noch etwas
da ich das am geplanten Objekt verwenden möchte und das noch nicht ausgereift ist.

Wenn es aus welchen Gründen auch immer gewünscht oder benötigt wird das der Regler wie ein
TO220 zum anschrauben an einen Kühlkörper ist dann empfehle ich folgendes:
(Es kann jeder machen wie er will, natürlich auch Kleben, aber diese Methode ist 100% sicher und haltbar)

Ein Stückchen Kupferblech auf die passende Größe zurechtsägen oder schneiden, mit einer 3mm
Bohrung versehen, Sauber und fettfrei machen und dann ordentlich vor-verzinnen.

Danach sollte der CAT4101 auf der Lötfläche ebenfalls vorsichtig verzinnt werden, es empfiehlt sich
diesen dabei vorsichtig in einem kleinen Schraubstock zu klemmen, sonst kann der abhauen.

Nun das Kupferblech mit einer kleinen Zange nehmen und erstmal probeweise versuchen, das Blech
auf der Lötseite von dem CAT4101 zu platzieren. Erst wenn dieser Arbeitsschritt so ausschaut als ob
es ohne Probleme klappen könnte das Blech mit dem Lötkolben erhitzen und erst wenn das Zinn
flüssig ist auf die Lötfläche vom Regler halten.

Hier ebenfalls kurz warten bis das ganze Zinn flüssig ist und das Blech sauber anliegt.
Lötkolben wegnehmen, nicht mit der Zange wackeln und kräftig pusten, damit es schnell abkühlt.

So soll das ganze dann aussehen:

Kupferblech in einer Dicke von ca. 0,6 – 1,00mm findet man am einfachsten beim Spengler, Klempner
oder beim Dachdecker, so kleine Stücke kriegt man umsonst aus der Restekiste.
Für ne Flasche Bier schneidet der nette Mann bestimmt auch einige Streifen in der benötigten
Größe ab, dann muss nur noch gebohrt und gelötet werden und schon passt es.

MfG Raimund

Nachtrag zur Stromberechnung:
Von Geraldo wurde ich auf eine Diskrepanz zwischen den im Datenblatt angegebenen Widerständen
und der dazugehörigen Formel hingewiesen, diese Angaben sind nicht stimmig, also würde ich
vorschlagen das der tatsächlich fliesende Strom immer ausgemessen werden sollte.

Bei meiner obigen Schaltung sind 1,6k Widerstände eingebaut, das ergibt nach der
Formel aus dem Datenblatt 0,3A, es fliesen aber in allen 3 Kanälen knappe 330mA
Wenn hier in der Formel anstelle von 1,2V mit 1,3V gerechnet wird das ergäbe 325mA,
würde also wesentlich genauer am echten Strom liegen.
Die Widerstände sind vermessen, also nix von wegen +- 10%, die haben 1.620 Ohm.

Ergänzung vom 8. Januar 2009:
Da bei Versuchen aus Gründen der Faulheit doch öfters die Standart 12V Stromversorgung verwendet
wird auch wenn nur eine LED pro KSQ dranhängt wird die Sache natürlich schon sehr schnell richtig
Warm, bei 9V und 0,5A sind es 4,5W an Heizleistung, habe ich auf der Unterseite noch einige Finnen
aus 0,8mm Kupferstreifen darauf gelötet.

Das reicht jetzt aus um bei nicht allzu langen Versuchen die Wärme ausreichend abzuführen.
Ein positiver Nebeneffekt war noch, das die Platine nun besser steht, wegen der Kabelaustritte
war die immer total Windschief gestanden, nun steht die gerade.

MfG Raimund