3.5 PA-Netzteil
Erstellt: DL6GL, 22.05.2012, letzte Änderung
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3.5.1 Vorüberlegungen
Nachdem die Entscheidung gefallen war, dem TRX eine kleine PA mit maximal 20W aus einer Gegentaktendstufe mit Mitsubishi RD16HHF1 zu gönnen, standen die Eckwerte für das Netzteil auch fest. Bei einem angepeilten Wirkungsgrad von minimal 50% und einer Versorgungsspannung von nominal 13,8V, maximal 15V, müssen 2,7A abzuliefern sein. Aufgerundet also ca. 3A. Frage, Schaltnetzteil oder lineare Regelung? Schaltnetzteile sind klein und erzeugen wenig Verlustleistung, was aber mit ungewissem elektrischem Störpotenzial erkauft werden muss. Die Entscheidung lag bei einer linearen Regelung trotz der Nachteile aus abzuführender Verlustleistung, notwendiger voluminöser Kühlung und großem Transformator.
Aus einem ausgemusterten Eigenbau-Netzteil aus den 1980er Jahren wartete schon ein mit zwei 2N3055 bestückter Kühlkörper auf eine neue Verwendung. Nostalgisch weitergedacht fehlten nur noch ein µA723-Spannungsregler und ein paar Kleinteile. Der legendäre µA723/LM723 ist tatsächlich noch überall zu bekommen. Applikationsschaltungen für verschiedenste Anwendungen sind im Datenblatt, z.B. [4], ausführlich beschrieben.
Fast fertig - bis auf eine Überspannungssicherung zum Schutz der Endstufentransistoren. Mein Funkfreund Michael, DL1DMW, zeigt in [1] eine Lösung mit dem allerdings abgekündigten Fensterdiskriminator TCA965. Aber es gibt Ersatz: den Overvoltage Crowbar Sensing Circuit MC3423 [2], [3].
3.5.2 Schaltung
Abb. 3.5.1: 20W PA Netzteil, Gesamtschaltung. Die stromführenden Leitungen sind fett gezeichnet.
Der Spannungsregler rund um den µA723/LM723 ist in Standardschaltung [4] aufgebaut. Hätte nicht der vorhandene Kühlkörper mit 2 x 2N3055 verwendet werden sollen, wären wohl Transistoren im TO-220 oder TO-218-Gehäuse auf einem Rippenkühlkörper zeitgemäßer, z.B. BD249, BD809, BD911 oder TIP3055. Zum Kühlkörper fürT2/T3: Bei einer für die vorgesehene PA angenommenen maximalen Stromstärke von 3A geben die Längstransistoren etwa 20W gemessene Verlustleistung ab. Mit ≤ 2ºK/W Wärmewiderstand für den Kühlkörper läge man grob geschätzt auf der sicheren Seite, wenngleich die Belastung bei intermittierendem Betrieb (SSB oder CW) deutlich niedriger sein wird. Will man auch den Kurzschlussfall thermisch absichern, wären ca. 70W Wärmeleistung abzuführen.
Mit P1 ist die Ausgangsspannung zwischen ca. 12 und 15V einstellbar. Die Strombegrenzung setzt mit ca. 0,7V zwischen den Pins 2 und 3 über den Spannungsabfall an R7 ein, justierbar mit P2.
Die vier Siebelkos zu je 2.200 µF wurden Pi mal Daumen (2.200 µF je Ampere) dimensioniert. Als Brückengleichrichter kommt ein GBU8D (200V/8A) von pollin.de zur Anwendung.
Die Sekundärspannung des Netztrafos von 18V erscheint hoch, ist es aber nicht. Es sind einige Spannungsabfälle zu berücksichtigen:
Abb. 3.5.2: Zur Berechnung des Netztrafos.
Gewählt wurde der Ringkerntrafo RKT 8018 (18V / 2 x 2,2A, reichelt.de). Zur korrekten Zusammenschaltung der beiden Sekundärwicklungen des Netztrafos gibt es für den Zweifelsfall eine Anleitung im Download. Bei dem genannten Trafo sind die Sekundäranschlüsse rot und blau sowie gelb und grün für eine Parallelschaltung beider Wicklungen verbunden. Im Leerlauf (deaktivierte PA) liefert der Trafo 20,5V, bei Belastung durch die PA mit 10W Ausgangsleistung 19,2V.
Bleibt noch die brachiale Überspannungssicherung "crowbar" mit dem MC3423. Dieser arbeitet als Spannungskomparator. Überschreitet bei Ausfall der Spannungsregelung die mit P3 im Spannungsteiler P3/R8/R9 einstellbare Spannung an Pin 2 eine interne Referenzspannung von 2,6V, wird der Thyristor über Pin 8 gezündet. Der erzeugte Kurzschluss himmelt augenblicklich die 6,3A-Schmelzsicherung (besser die als die Endstufe).
Noch einige Anmerkungen zur Überspannungssicherung: Sie soll einspringen, falls die Regelung im µA723 ausfällt oder die Collector-Emitterstrecke der Längstransistoren einen Schluss bekommt und somit die ungeregelte Spannung auf den Ausgang durchgereicht wird. Ein Schluss zwischen Collector und Emitter ist eher selten, wahrscheinlicher ist im Schadensfall eine Unterbrechung. Es liegt also im Ermessen, wie weit der Schutz der Endstufe getrieben werden soll. Fallweise kann auch die Bestückung mit dem MC3423 und dem Thyristor entfallen, wenn der Überstromsicherung mit R7 am µA723 ausreichend Vertrauen geschenkt wird. Mit 6.3A ist die Schmelzsicherung (Charakteristik flink) stärker als die bei ca. 3,8A ansprechende Überstromsicherung dimensioniert. Sie soll erst in Aktion treten, wenn alle anderen Regelmechanismen ausgefallen sind.
3.5.3 Ausführung
Das Platinenlayout orientiert sich am vorhandenen Kühlkörper.
Abb. 3.5.3: Netzteilplatine
Bis auf die beiden Längstransistoren T2, T3 mit R5 und R6 ist die Schaltung auf der Platine untergebracht. Wärmelasten sind oben (bis aus R7, links unten in Abb. 3.5.3), die Elkos unten angeordnet. Die roten Kabel in Abb. 3 stellen die Verbindungen zu den Längstransistoren her.
Der Brückengleichrichter wird mit einem Fingerkühlkörper 46x46x26 mm, bei dem eine Seite abgeschnitten ist, gekühlt. Ohne die abgeschnittene Kühlfingerseite wäre der Wärmewiderstand 6k/W gewesen, mit nur noch ¾ Fingern ca. 7,5 k/W. Bei 3 A Gleichspannungsnennstrom ergäbe sich für jeweils zwei leitende Dioden des Brückengleichrichters eine Verlustleistung von 2x0,7x3= 4,2W (grobe Peilung). Hinzuzurechnen wäre noch der Nachladestrom in die Elkos, mal angenommen mit 25%, ergibt gut 5W. Die Erwärmung beträgt damit etwa 7,5x5~38 oC.
Abb. 3.5.4: Netzteilrückseite mit dem altmodischen Kühlkörper.
Die beiden Längstransistoren sind mit durch Bohrlöcher geführte RG58-Seelen verbunden.
3.5.4 Einstellungen und Messungen
Zur Inbetriebnahme ist die 6,3A-Sicherung noch nicht eingesetzt. Mit P1 wird die gewünschte Ausgangsspannung, z.B. 13,8V, eingestellt. Stehen geeignete Hochlastwiderstände, ggf. zusammen mit einer 12V Halogenlampe, zur Verfügung, kann die Strombegrenzung justiert werden, ansonsten P2 auf Maximalwert stellen. Mit 10,9 cm Konstantan 0,6 mm (1,7 Ω /m) ergibt sich ein Wert von 0,185Ω , so dass die Strombegrenzung bei ca. 3,8 A (0,7V/0,185Ω) anspricht.
Zur Einstellung der Überspannungssicherung (6,3A-Sicherung immer noch nicht eingesetzt) wird an den Ausgängen 6 und 7 (vgl. Abb. 1) ein Labornetzteil (mit Strombegrenzung) angeschlossen und langsam auf 16V hochgeregelt. Hat der Thyristor bis dahin noch nicht angesprochen, kann dies bei 16V mit P3 herbeigeführt werden. Nach einer Zündung muss der Thyristor durch Unterbrechung der Stromversorgung zurückgesetzt werden.
Einen Dauertest mit ca. 3A bei 14V hat das Netzteil anstandslos überstanden. Der Leistungskühlkörper wird warm, aber nicht heiß. Der Gleichrichter erwärmt sich allerding recht stark. Gemessen wurden bei 10W Dauerstrich-Ausgangsleistung der PA am Leistungskühlkörper ca. 35°C und am Gleichrichter-kühlkörper ca. 52°C bei 25°C Raumtemperatur ohne Zwangskühlung mit einem Ventilator. Mit den o.a. Leistungstransistoren in TO-220/TO-218-Bauform wäre es sinnvoll, auch den Brückengleichrichter auf dem Rippenkühlkörper zu montieren. Der Kühlkörper für den Thyristor ist eigentlich unnötig.
Das beschriebene Netzteil lässt sich auch für höhere Lasten auslegen, indem neben einem stärkeren Trafo weitere Längstransistoren und Ladeelkos hinzugefügt werden. Natürlich ist die Kühlung des Gleichrichters und der Längstransistoren entsprechend anzupassen.
Referenzen
[1] http://www.amateurfunkbasteln.de/vschutz2/vschutz2.html
[2] http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/AN004E-D.PDF
[3] http://www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/MC3423-D.PDF
[4] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm723.pdf
Download
parallelschaltung_von_zwei_trafo-sekundaerwicklungen.pdf
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