Labornetzgerät 28V/4A

Labornetzgerät Frontansicht

Es war längst überfällig, das Labornetzgerät aus den 1970er Jahren durch etwas Gescheites zu ersetzen. Die dort verbauten Selengleichrichter mit imposanten Kühlblechen, Relikte aus dem Vorgänger aus den 1960er Jahren, hatte die Zeit nun doch überrollt. Einzig der damals selbst gewickelte 120W-Trafo mit zwanzig Anzapfungen und der zugehörige Leistungsdrehschalter von Preh verdienten eine neue Chance. Idee war damals, dem Längsregler mit zweimal 2N3055 nur die jeweils benötigte Verlustleistung zuzumuten.

Labornetzgeräte hat ELV immer wieder in allen möglichen Varianten mit vielversprechenden Leistungsdaten veröffentlicht. Vom Grundprinzip - Spannungs- und Stromregelung mit OpAmps - waren sie sich alle ähnlich. Die Entwickler haben sich von Fall zu Fall bei der Beschaltung der OpAmps regelrecht ausgetobt, was die Schwingungsunterdrückung mit Kondensatoren in der Gegenkopplung und befürchtete HF-Einstreuungen angeht. Einen mit Verlaub schäbigen Marketing-Gag haben sie sich auch noch einfallen lassen mit den ELV-eigenen Dioden DX400 und den PTC-Sensoren SAX965 zu entsprechend saftigen Preisen.

  • Die DX400 ist offensichtlich eine BAS33, die sich durch einen extrem niedrigen Sperrstrom in der Gegend von 1nA auszeichnet. Wozu, werden doch in den betreffenden Schaltungen drei von ihnen in Durchlassrichtung betrieben? Die Durchlassspannung (Forward Voltage) ist nach Datenblatt etwas höher als z.B. bei der 1N4148. Es gibt aber auch Beispiele, die ohne diese ominösen Dinger auskommen.
  • Der SAX965 ist nichts anderes als der überall erhältliche Temperatursensor  KTY81-121 mit einem 25°C-Widerstand von 1kΩ, was sich unschwer aus der Schaltung der Temperatur-messbrücke ablesen lässt.

Nachdem das geklärt war, wurde das "Leistungsoptimierte Labornetzgerät" aus dem ELV-Journal 1/95 [1] in die engere Wahl gezogen. Das kommt ohne die DX400 und ohne den ganzen Abblockzirkus mit Kondensatoren an jedem OpAmp-Pin aus.

Leistungsdaten nach [1]:

  • Strom und Spannung stufenlos regelbar von 0 bis Maximalwert
  • Ausgang kurzschlussfest
  • Übertemperatursicherung des Längsreglers
  • Brummen und Rauschen Spannungskonstanter: < 1mVeff
  • Brummen und Rauschen Stromkonstanter: < 0,1%
  • Innenwiderstand Spannungskonstanter: 5mΩ.

Mit dem Scope bestätigt werden kann der Brumm- und Rauschpegel: deutlich kleiner als 1mVpp. Das soll ein Schaltnetzteil mal nachmachen.

Mit dem in Abschnitt 1 gezeigten Längsregler mit vier TIP142 ist das Netzgerät in einem weiten Bereich konfigurierbar. Bis zu 90 VA sollten mit entsprechenden Transformatoren und ausreichender Kühlung erreichbar sein, also z.B. 15V/6A oder 30V/3A. Hinweise werden nachfolgend gegeben.

Die hier gezeigte Realisierung eines Labornetzgerätes ist, bedingt durch den gedrängten Aufbau und die hierzu notwendige Stückelung der Elektronik in mehrere Platinen mit dem zugehörigen Kabelsalat, nicht unbedingt für einen unbesehenen Nachbau gedacht. Die Elektronik funktioniert gut. Mit mehr Platz im Gehäuse gibt es aber sicher elegantere Möglichkeiten des Platinenlayouts mit weniger Drahtverhau. So kann man es machen, muss man aber nicht. Dennoch, für Unverzagte stehen die Prints im Download zur Verfügung.

 

Referenzen
[1]  ELV Journal 1/1995, Leistungsoptimierte Labornetzgeräte

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1 Schaltung

1.1  Leistungsteil

Linear regulator

Abb. 1.1: Leistungsteil mit Trafo und Längsregler.

Die Auswahl des Netztrafos orientiert sich an der gewünschten Ausgangsleistung. Hier kommt der vorhandene 120W-Trafo (M102/35) mit 20 Anzapfungen zum Einsatz. Von 0 bis 14V kann er ca. 7A abliefern, von 15 bis 28V ca. 4A. Er besitzt zwei zusätzliche 9V/0,5A-Wicklungen für die +/-5V-Versorgung (s.u. Abschnitt 1.4).

Mit handelsüblichen Trafos wären zwei Optionen denkbar:

  1. Eine Einfachwicklung für die gewünschte Maximalspannung. Nachteil ist die im Längsregler abzuführende Verlustleistung bei Entnahme geringerer Spannungen bei nennenswertem Strom.
  2. Eine Doppelwicklung, z.B. 2x15V, die bei hohen Ausgangsspannungen mit einem Relais in Serie geschaltet werden. Damit ist eine zweistufige Anpassung der Verlustleistung im Längsregler möglich. Ein Vorschlag wird in Abschnitt 1.5 gezeigt.

Für die galvanisch getrennte Versorgung des +/-5V-Netzteils ist dann wohl ein zweiter Trafo vorzusehen. Falls die hier verwendeten stromhungrigen 7-Segment LED-Displays eingesetzt werden, sollte er vom Typ 2x9V/0,5A sein.

Der Brückengleichrichter, hier ein 400V/8A-Typ, ist auf den maximal zu entnehmenden Strom auszulegen. Er wird zusammen mit den Längsreglertransistoren auf dem Kühlkörper montiert.

Der Lade-Elko sollte Pi mal Daumen mit 2.000µF je entnommenem Ampere ausgelegt werden, hier grenzwertig wegen Platzmangels mit 4 x 2.200µF. R1 sorgt für eine Entladung nach dem Ausschalten.

Den Längsregler bilden vier parallel geschaltete Darlington-Transistoren TIP142. Zum Ausgleich unterschiedlicher Kennwerte sind die Emitter mit jeweils drei 1Ω/1W-Widerständen versehen. Diese liefern gleichzeitig den zur Strommessung erforderlichen Spannungsabfall zwischen den Abschlusspunkten 2 und 4.

Eine weitere Symmetrierung der Transistoren bewirken die Widerstände R2 bis R5 an den Basen. Über den Anschlusspunkt 3 werden die Transistorbasen mit einem Steuerstrom zur Regelung von Ausgangsstrom bzw. -spannung versorgt. Den liefert der Regler (Control board) über den Anschlusspunkt 6.

1.2  Regler (Control board)

Der Regler hat vier Funktionen zu bieten:

  1. Stromregelung,
  2. Spannungsregelung,
  3. Übertemperatursicherung und
  4. Einschaltverzögerung.

Die drei erstgenannten Regelungen arbeiten mit je einem OpAmp. Die OpAmps werden mit +/-5Vref schwimmend auf dem positiven Ausgang versorgt, der mit der Mittenspannung Vref GND verbunden ist. Damit ist eine Regelung auf 0 Volt Ausgangsspannung gegeben.

Die Anschlüsse 24 und 25 des Reglers gehen direkt an die Ausgangsbuchsen, um die Spannungsabfälle an den internen Leitungen mit zu erfassen.

Control board

Abb. 1.2: Regler (Control board).

Unscheinbares, aber wesentliches Teil ist die Stromquellenschaltung mit T7, ganz unten in Abb. 1.2. Sie versorgt den Längsregler mit einem Steuerstrom. Die Basis von T7 ist über R44/R45 mit 2,5V vorgespannt. Am Emitter liegt demnach eine um ca. 0,7V niedrigere Spannung, die durch R46 einen Strom von 1,8/220 = 8mA fließen lässt. Wären sämtliche nachfolgend beschriebenen Einheiten außer Funktion, würde dieser den Längsregler voll aufsteuern. Die Regelungsfunktion wird dadurch bewirkt, dass dem Steuerstrom ein mehr oder weniger großer Teil entzogen wird, womit der Längsregler mehr oder weniger zusteuert. Dies besorgen wahlweise die folgenden Regelschaltungen für Strom oder Spannung sowie die Übertemperatursicherung und die Einschaltverzögerung, letztere jeweils mit go-nogo-Funktion.

Die Transistoren BC849 (NPN) und BC859 (PNP) können durch beliebige Universaltransistoren ersetzt werden. Auch die OpAmps sind unkritisch. Wird die Transformatorenumschaltung nach Abschnitt 1.5 verwendet, wäre etwa ein Vierfach-OpAmp LM324 eine geeignete Wahl.

(1) Stromregelung IC1a

Am nicht invertierenden Eingang von IC1a liegt eine mit dem Poti P1 einstellbare Spannung, die einem maximal vorgegebenen Ausgangsstrom entspricht. Am invertierenden Eingang liegt der der aktuellen Stromabgabe entsprechende Spannungsabfall über den Emitterwiderständen des Längsreglers von Anschlusspunkt 5. Das sind etwas mehr als 100mV pro Ampere Stromabgabe. Überschreitet dieser den voreingestellten Wert am nicht invertierenden Eingang, wird die Ausgangsspannung von IC1a negativ, so dass die nun leitende LED1 einen Teil des Steuerstroms ableitet. Der Längsregler regelt somit herunter, bis an beiden Eingängen von IC1a Gleichheit hergestellt ist.

Ist der Ausgangsstrom niedriger, damit die Spannung am nicht invertierenden Eingang größer als am invertierenden, sperrt LED1 infolge einer positiven Ausgangsspannung von IC1a. Eine Stromregelung findet nicht statt. Die Spannungsregelung übernimmt.

Alle drei LED sind 20mA-Standardtypen, hier mit 3mm Durchmesser.

Mit dem Trimmer P2 kann der maximal mit P1 einstellbare Ausgangsstrom (Kurzschlusstrom) justiert werden. Mit R25=270R ist der Einstellungsbereich ca. 2,9 bis 7,7A. Für geringere Ströme ist R25 entsprechend zu reduzieren.

Der o.g. Spannungsabfall über den Emitterwiderständen des Längsreglers wird auch zur Stromanzeige verwendet. Der Spannungsteiler R22/R23 reduziert den Spannungsabfall von ca. 100mV/Ampere für größere Stromstärken. Die gezeigte Dimensionierung reduziert einen Spannungsabfall von max. 800mV bei 8A Ausgangsstrom auf ca. 190mV. Die Spannungsanzeige mit dem ICL7107 ist auf max. 200mV ausgelegt.

(2) Spannungsregelung IC1b

Die Spannungsregelung ist nur dann aktiv, solange der entnommene Strom geringer als der für die Stromregelung gewählte Maximalstrom ist.

Hier bekommt der nicht invertierende Eingang von IC1b die Messfunktion für die Ausgangsspannung. Diese wird an der negativen Ausgangsbuchse, Anschlusspunkt 25, abgegriffen. Der invertierende Eingang liegt über R28 an Vref GND, somit an der positiven Ausgangsbuchse. Die Dioden D3 und D4 begrenzen die an den Eingängen von IC1b liegende Spannungsdifferenz.

Die dem nicht invertierenden Eingang von IC1b zugeführte Spannung ergibt sich aus dem Spannungs-teiler P4 sowie R30 bis R32 und P3. Das Einstellpoti P4 liegt an der negativen Ausgangsbuchse. Der zweite Teil des Spannungsteilers liegt am Trimmer P3, mit dem eine Spannung zwischen +Vref und der positiven Ausgangsbuchse einstellbar ist. Dieser Trimmer bestimmt die maximal einstellbare Ausgangsspannung.

Betrachten wir den invertierenden Eingang von IC1b als Bezugspunkt. Er liegt an Vref GND, verbunden mit der positiven Ausgangsbuchse. Entsprechend der mit P4 eingestellten Ausgangsspannung ist die Spannung am nicht invertierenden Eingang immer negativer als am invertierenden Eingang. IC1b erzeugt daher eine negative Ausgangsspannung, wodurch die nun leitende und leuchtende LED3 einen Teil des Steuerstroms für den Längsregler abzieht.

Erhöht sich die Ausgangsspannung über den eingestellten Wert, wird also die negative Ausgangsbuchse negativer, so wird auch die Spannung am invertierenden Eingang von IC1b negativer. In der Folge wird der Ausgang von IC1b weiter negativ und zieht durch LED2 einen weiteren Teil des Steuerstroms ab. Der Längsregler wird zugesteuert, bis sich wieder das eingestellte Gleichgewicht an den Eingängen von IC1b einstellt.

Der Spannungsteiler an P3, R30 bis R32, ist an die Ausgangsspannung anzupassen, Anhaltswerte nach [1]:

Spannung R30 R31 R32
15V 12k 68k 18k
20V 10k 47k 12k
30V 6k8 33k 8k2
40V 4k7 33k 5k6

(3) Übertemperatursicherung IC2

Die Temperatur im Kühlkörper des Längsreglers misst der PTC R39. Er wird in eine Bohrung im Kühlkörper gesteckt. Der invertierende Eingang von IC1 liegt über den Spannungsteiler R37/R38 fix auf ca. 2,5V. Mit Erwärmung des Kühlkörpers erhöht sich den Wert von R39, so dass bei einer bestimmten Temperatur die Spannung am nicht invertierenden Eingang die am invertierenden übersteigt. Damit wird der Ausgang von IC2 positiv, lässt LED3 leuchten und steuert T5 durch, der nun den Basis-Steuerstrom des Längsreglers ableitet, womit dieser sperrt.

In Abb. 1.2 sind einige Widerstandskombinationen der R12-Reihe für verschiedene Temperatur-schwellen angegeben. Diese wurden anhand des Datenblattes des KTY81-121 ermittelt und sind daher nur grobe Richtwerte. Getestet wurde die Temperatursicherung bislang nicht.

(4) Einschaltverzögerung

Im ursprünglichen ELV-Konzept hat das Netzteil die unangenehme Eigenschaft, mit dem Einschalten eine Spannungsspitze zu erzeugen, die eine angeschlossene Elektronik gefährden kann. Deshalb wurde eine simple Einschaltverzögerung mit T6 zugefügt. Mit dem Einschalten lädt sich C25 auf, wodurch für eine kurze Zeit, ca. 0,5 sec, T6 durchschaltet. Die Wirkung ist die gleiche wie bei der Übertemperatur-sicherung.

Soweit mit dem Scope beobachtbar ist, schwingt die Ausgangsspannung beim Einschalten immer noch ein wenig über.

Eine wirklich sichere Einschaltverzögerung schaltet die Ausgangsspannung erst nach einer bestimmten Einlaufzeit mit einem Leistungsrelais an die Ausgangsbuchse.

Power on delay

Abb. 1.3: Einschaltverzögerung mit Relais.

Erst wenn der Elko über den 180k-Widerstand ausreichend aufgeladen ist, schaltet der Transistor das 12V-Leistungsrelais durch und legt damit die Ausgangsspannung an die Buchse.

1.3  7-Segmentanzeige

Einfacher ginge es schon mit käuflichen LCD-Panelmetern. Doch dafür war kein Platz auf der Frontplatte übrig. Also doch noch einmal zur Technik der 1990er Jahre mit den ICL7107, die es anscheinend nur noch in der sperrigen DIP40-Bauform gibt.

7 segment display

Abb. 1.4: 7-Segmentanzeige für Strom bzw. Spannung.

Die Module bieten eine Eingangsempfindlichkeit von 200mV. Die Spannungsteiler für Strom bzw. Spannung sind in Abb. 1.2 angegeben. Eine Kalibrierung ermöglicht der 10k-Trimmer P5. Der in Abb. 1.4 gezeigte Anschluss des Dezimalpunktes DP gilt für die Strommessung, also X.XX Ampere. Der Spannungsmesser hat den Dezimalpunkt in der Mitte, also Anzeige XX.X Volt.

Für ein Netzgerät bis maximal 2 Ampere könnte noch ein viertes 7-Segmentdisplay an der linken Seite zugefügt werden. Mit Verbindung der Segmente b und c an den Anschluss AB4 (Pin 19) des ICL7107 erhält man eine 3 1/2-stellige Anzeige mit maximal 1999mA ohne Dezimalpunkt oder 1.999A mit Dezimalpunkt im vierten Display.

Für C38 und C39 müssen hochwertige Folienkondensatoren eingesetzt werden, z.B. WIMA MKS-2.

Die +/-5V-Spannungsversorgung muss galvanisch von der zu messenden Spannung (+U in Abb. 1.4) getrennt sein. Dazu ist das +/-5V-Netzteil zuständig, das auch den Regler versorgt. Um die auch als Referenzspannung im Regler verwendeten +/-Vref infolge wechselnder Belastungen durch die LED nicht zu stören, haben die 7-Segmentdisplays eine eigene +5V-Versorgung, siehe Abb. 1.5.

1.4  +/-5V-Netzteil

5V power supply

Abb. 1.5: +/-5V-Netzteil.

Das Netzteil wird von einer eigenen Wicklung oder von einem getrennten Trafo gespeist. Der 7805 für den +5V-Zweig zur Versorgung der 7-Segmentdisplays bekommt einen kleinen U-Kühlkörper.

1.5  Transformatorumschaltung

Bei Verwendung handelsüblicher Leistungstransformatoren ist es zur Begrenzung der im Längsregler abzuführenden Verlustleistung sinnvoll, einen solchen mit zwei Wicklungen bzw. Mittenanzapfung zu verwenden. Je nach abzugebender Spannung speisen beide Wicklungen in Serie oder nur eine Wicklung das Netzgerät.

Transformer switching

Abb. 1.6: Trafo-Umschaltung 15/30V.

Der Anschluss erfolgt an den Ausgangsbuchsen +Uaus und -Uaus des Netzgerätes, Anschlusspunkte 24/25 in Abb. 1.2. Ein 12V-Leistungsrelais schaltet mit den verfügbaren +/-5V noch zuverlässig. Wahlweise auch Anschluss an GND und der unstabilisierten Spannung im 5V-Netzteil wie in Abb. 1.3. Eine Kontaktbelastbarkeit von 8 bis 10A ist sicher nicht übertrieben. Mit dem Trimmer wird der Umschaltpunkt eingestellt. Bei kleineren Schaltspannungen ist der 100k-Widerstand zu verringern.

 

2 Realisierung

Ausgehend von den Abmessungen des M102/35-Netztrafos und des Leistungsdrehschalters sollte das Gerätegehäuse Nr. 201 (200x175x125mm) der Firma Schubert gerade ausreichen, um alles unterzubringen. Es wurde tatsächlich sardinendosenmäßig eng.

Interior

Abb. 2.1: Geräteinnenansicht ohne Transformator.

Der noch freie Platz rechts im Bild ist dem wuchtigen Trafo zugedacht.

Transformer

Abb. 2.2 Netztrafo mit 20 Anzapfungen.

Da der Platz neben dem Trafo und auf der Frontplatte recht beengt war, musste die gesamte Elektronik auf insgesamt sieben Platinen aufgeteilt werden, was einen erheblichen Verdrahtungsaufwand zur Folge hatte. Insofern ist ein solch gedrängter Aufbau nicht unbedingt zu empfehlen.

Die Linearreglerplatine ist auf der Rückwand angeordnet. Auf die Innenseite der Rückwand sind die vier Leistungstransistoren mit Glimmerscheiben und der Brückengleichrichter verschraubt, alle mit Wärmeleitpaste versehen, auf der Außenseite, auch mit Wärmeleitpaste versehen, der Rippen-kühlkörper (160x75x40mm, 0,9°K/W). Ein kleinerer hätte in diesem Falle mit der einstellbaren Sekundärspannung des Trafos auch gereicht, war aber gerade vorhanden. Mit nicht oder in zwei Stufen einstellbarer Sekundärspannung wie in Abschnitt 1.5 gezeigt wird ein großer Kühlkörper je nach zu erwartender Verlustleistung im Längsregler notwendig sein, eventuell noch mit einem zusätzlichen Lüfter.

Der in eine Bohrung gesteckte PTC ist oben in der Mitte in Abb. 2.3 zu erkennen.

Interior completed

Abb. 2.3: Innenansicht nach Komplettverdrahtung.