Hierbei handelt es sich um ein Netzgerät mit einstellbarer Ausgangsspannung und Strombegrenzung. (Juli 2012)
Nachfolgend sind die wichtigsten technischen Daten des Netzgerätes aufgelistet:
- Ausgangsspannung 0 bis 16,5 V
- Ausgangsstrom 0 bis 1,1 A
- Eingangsspannung 230 V ±10 %, 50 Hz
Die krummen Werte von Ausgangsspannung und -strom sind darauf zurückzuführen, dass die ursprünglich geplanten Werte von 15 V und 1 A später um 10 % erhöht wurden, um eine zusätzliche Reserve zu erhalten. Das Netzgerät ist so dimensioniert, dass auch bei einer primärseitigen Unterspannung von 10 % und maximalem Laststrom eine Ausgangsspannung von 16,5 V erreicht wird. Gleichzeitig kann es bei einer primärseitigen Überspannung von 10 %, einer Umgebungstemperatur von 40 °C und dem höchsten einstellbaren Strom dauerhaft mit kurzgeschlossenem Ausgang betrieben werden, ohne dass eine thermische Überlastung auftritt. Dies wurde bisher jedoch nicht praktisch erprobt.
Regelung
Die verwendete Regelschaltung entspricht der im Abschnitt „Labornetzgeräte“ der de.sci.electronics-FAQ beschriebenen Schaltung.
Die Sekundärspannung des Netztrafos an Y1 und Y2 wird mit dem Brückengleichrichter BR1 gleichgerichtet und mit dem Elko C1 geglättet. Die Spannung des Hilfstrafos an Y3, Y4 und Y5 wird mit dem Brückengleichrichter bestehend aus D1 bis D4 und den Elkos C2 und C3 gleichgerichtet und geglättet. Dies ergibt die symmetrische Versorgungsspannung von ca. 9 bis 15 V für die Regelung. Die Sekundärspannung des Hilfstrafos muss unter Berücksichtigung des Leerlaufspannungsfaktors und einer möglichen Netzüberspannung so gewählt werden, dass die höchstzulässige Betriebsspannung der OPVs nicht überschritten werden kann.
An Y6, Y7 und Y8 wird der Leistungstransistor angeschlossen. In der Praxis werden zwei parallelgeschaltete Transistoren des Typs MJE3055 verwendet. Der Transistor Q1 bildet mit dem Leistungstransistor eine Darlington-Schaltung. Über R8 erhält die Darlington-Kombination einen Basisstrom von etwa 3 bis 6 mA und ist damit voll durchgesteuert. Die OPVs können einen Teil des Basisstromes über die LEDs an Y9, Y10 und Y11 abführen, um den tatsächlichen Basisstrom und damit die Ausgangsspannung bzw. den Ausgangsstrom zu reduzieren. Die LEDs als Dioden sind erforderlich, um die Ausgänge der OPVs voneinander zu entkoppeln. Gleichzeitig zeigen sie an, in welchem Modus das Netzgerät arbeitet. Mit R1 und dem TL431 wird eine Referenzspannung von 2,5 V erzeugt.
UPOT (Poti für Spannungseinstellung) bildet mit R2 einen Spannungsteiler zwischen dem negativen Ausgang und der Referenzspannung. Die Spannung am invertierenden und nichtinvertierenden Eingang des linken OPVs ist gleich, wenn die Ausgangsspannung gleich URef ⋅ RUPOT ÷ R2 ist. Ein Anstieg der Ausgangsspannung hat zur Folge, dass die Spannung am nichtinvertierenden Eingang fällt, womit die Ausgangsspannung des OPVs sinkt, bis ULED leitet und damit der Basisstrom des Leistungstransistors reduziert wird, so dass dem Anstieg der Ausgangsspannung entgegengewirkt wird. Mit dem 3,3-kΩ-Widerstand und dem 22-kΩ-Poti und einer Referenzspannung von 2,5 V ist die Ausgangsspannung bis auf 2,5 V ⋅ 22 kΩ ÷ 3,3 kΩ ≈ 16,67 V einstellbar.
Am nichtinvertierenden Eingang des rechten OPVs liegt eine Referenzspannung an, welche mit IPOT (Poti für Stromeinstellung) bis auf 1 V eingestellt werden kann. Am invertierenden Eingang liegt die Spannung über dem Strommesswiderstand R7 an. Wenn diese Spannung größer als die Referenzspannung wird, fällt die Ausgangsspannung von IC2, und ein Teil des Basisstromes der Darlington-Kombination fließt über ILED in den Ausgang von IC2 ab. Damit wird die Strombegrenzung erreicht. Mit dem 0,91-Ω-Messwiderstand und einer Referenzspannung von bis zu 1 V ist der Strom auf maximal 1 V ÷ 0,91 Ω ≈ 1,1 A einstellbar.
Schaltplan und Layout der Regelung können als EAGLE-Dateien (erstellt mit Version 5.6.0) heruntergeladen werden: labornetzgeraet.zip.
Netztrafo
Der verwendete Trafo entstammt einem VC1541 und verfügt über zwei Sekundärwicklungen mit unterschiedlichen Spannungen. Im Originalzustand waren die Spannungen der einzelnen Wicklungen zu niedrig und bei Reihenschaltung beider Wicklungen zu hoch. Um eine geeignete Sekundärspannung zu erreichen, wurden beide Wicklungen in Reihe geschaltet und die Windungszahl einer Wicklung verringert.
Um den Trafo derart zu modifizieren, muss zunächst die benötigte Sekundärspannung ermittelt werden. Die Ausgangsspannung des Netzgerätes soll 16,5 V sein. Am Strommesswiderstand fallen bei Volllast 1,1 A ⋅ 0,91 Ω ≈ 1 V ab. An den Leistungstransistoren soll eine Spannung von mindestens 1,5 V abfallen. Bei einem Strom von 1,1 A und einem 4,7-mF-Glättungselko mit einer Unterkapazität von 20 % bricht die Spannung am Glättungselko während einer Halbwelle um etwa (1,1 A ⋅ 10 ms) ÷ (4,7 mF ⋅ 0,8) ≈ 3 V ein. Am Gleichrichter fallen weitere 2 V ab. Der Scheitelwert der Sekundärspannung bei Volllast muss folglich mindestens 24 V betragen, damit die Ausgangsspannung von 16,5 V erreicht werden kann.
Die Spannung sollte so niedrig wie möglich gehalten werden, um die Verlustleistung zu minimieren. Gleichzeitig muss bedacht werden, dass die Netzspannung um ±10 % von ihrem Nennwert abweichen kann sowie dass die Sekundärspannung bei Belastung mit Brückengleichrichter und Elko nicht unerheblich einbrechen kann. Zur Ermittlung dieses Spannungseinbruches wurde ein Versuch durchgeführt. Dabei wurde der Scheitelwert der Spannung einer Sekundärwicklung im unbelasteten Zustand sowie bei Belastung mit Brückengleichrichter, 4,7-mF-Elko und Lastwiderstand für ca. 1,3 A gemessen. Dabei ergaben sich 23,9 V im Leerlauf und 19,0 V bei der genannten Last. Es zeigt sich, dass die Spannung bei der genannten Belastung um den Faktor 19 V ÷ 23,9 V ≈ 0,8 einbricht. Demnach muss der Scheitelwert im Leerlauf mindestens 24 V ÷ 0,8 = 30 V betragen, damit er bei Belastung nicht unter 24 V fällt.
Damit dieser Wert auch bei einer Netzunterspannung von 10 % erreicht wird, muss er bei 230 V Netzspannung 30 V / 0,9 ≈ 33,3 V betragen. Bei einer Netzüberspannung von 10 % würde der Scheitelwert dann 33,3 V ⋅ 1,1 ≈ 36,6 V betragen, womit sich aufgrund des Spannungsabfalls am Gleichrichter eine Spannung von 34,6 V am Glättungselko ergibt. Dieser Wert liegt zwar sehr nahe an der Nennspannung des Elkos von 35 V, dafür wird er jedoch nur in Ausnahmefällen erreicht. Letztendlich müssen von der Sekundärwicklung so viele Windungen entfernt werden, dass sich bei 230 V Primärspannung eine Leerlauf-Sekundärspannung von 33,3 Vs ÷ √2 ≈ 23,6 Veff einstellt.
Kühlkörper
Zur Auswahl eines geeigneten Kühlkörpers muss zunächst die höchste mögliche Verlustleistung ermittelt werden. Die höchste Verlustleistung tritt bei einer Ausgangsspannung von 0 V und dem maximalen Ausgangsstrom von 1,1 A bei 10 % Netzüberspannung auf. Der Scheitelwert der Sekundärspannung des Trafos unter Beachtung der Netzüberspannung und des Spannungseinbruchs unter Last beträgt dann 23,6 Veff ⋅ 1,1 ⋅ √2 ⋅ 0,8 ≈ 29,4 Vs. Am Gleichrichter fällt eine Spannung von 2 V ab. Der Spannungseinbruch am Glättungselko wird der Einfachheit halber nicht berücksichtigt. Am Strommesswiderstand fällt eine Spannung von 1 V ab. Die Spannung über dem Transistor beträgt bei einer Ausgangsspannung von 0 V folglich 26,4 V. Bei einem Strom von 1,1 A beträgt die Verlustleitung 26,4 V ⋅ 1,1 A ≈ 29 W. Dieser Wert wurde auf 30 W aufgerundet.
Im Datenblatt des MJE3055 wird eine maximale Sperrschichttemperatur von 150 °C sowie eine maximale Verlustleistung von 75 W bei 25 °C Gehäusetemperatur angegeben. Demzufolge ist die Sperrschichttemperatur bei einer Verlustleistung von 75 W um 125 °C höher als die Gehäusetemperatur. Der Wärmewiderstand von der Sperrschicht zum Gehäuse beträgt damit 125 °C ÷ 75 W ≈ 1,7 °C/W. Eine Silikon-Isolierscheibe zwischen Gehäuse und Kühlkörper bewirkt einen zusätzlichen Wärmewiderstand von ca. 1,3 °C/W. Damit beträgt der Wärmewiderstand von der Sperrschicht zum Kühlkörper 1,7 + 1,3 = 3 °C/W. Bei einer Umgebungstemperatur von 40 °C und einer Verlustleistung von 30 W darf der Wärmewiderstand von der Sperrschicht zur Umgebung maximal (150 °C − 40 °C) ÷ 30 W ≈ 3,7 °C/W betragen. Folglich muss der Wärmewiderstand des Kühlkörpers bzw. von selbigem zur Umgebung 3,7 − 3 = 0,7 °C/W oder kleiner sein.
Ein geeigneter Kühlkörper wie der „V 6506K“ von Reichelt Elektronik ist mit seinen Abmessungen von 160×100×40 mm und einem Preis von 12,80 EUR verhältnismäßig groß und teuer. Es ist daher erstrebenswert, mit einem Kühlkörper mit höherem Wärmewiderstand auszukommen, da dieser kleiner und günstiger ist. Dies ist durch Aufteilung der Verlustleistung auf zwei Transistoren möglich. Da sich bei gleichbleibender Gesamt-Verlustleistung die Verlustleistung jedes Transistors halbiert, wird auch der Temperaturanstieg der Sperrschicht jedes Transistors gegenüber dem Kühlkörper halbiert. Anders ausgedrückt halbiert sich der Gesamt-Wärmewiderstand, welcher der Gesamt-Verlustleistung auf dem Weg von den Sperrschichten zum Kühlkörper entgegensteht, auf 1,5 °C/W. Damit ist ein Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von 3,7 − 1,5 = 2,2 °C/W bereits ausreichend. Die Wahl fiel auf den „V 4329H“ von Reichelt Elektronik mit einem Wärmewiderstand von 2 °C/W. Mit seinen Abmessungen von 120×75×32 mm und einem Preis von 2,75 EUR stellt dieser Kühlkörper eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem „V 6506K“ dar.
Interessant ist jetzt noch der Temperaturanstieg des Kühlkörpers gegenüber der Umgebung. Bei einer Verlustleistung von 30 W steigt die Temperatur des Kühlkörpers um 30 W ⋅ 2 °C/W = 60 °C. Bei 40 °C Umgebungstemperatur erwärmt sich der Kühlkörper damit auf 100 °C. Dies gilt wohlgemerkt für einen Extremfall mit erhöhter Netzspannung und Umgebungstemperatur und kurzgeschlossenem Ausgang. Im normalen Betrieb wird dieser Wert nie erreicht werden.
Anzeige
Die Anzeige der aktuellen Ausgangsspannung und des aktuellen Ausgangsstromes erfolgt über ein 3½-stelliges LCD-Panelmeter (Bestell-Nr. 126596 bei Conrad Electronic). Die Messung der Ausgangsspannung erfolgt über einen abgleichbaren Spannungsteiler mit einem Teilungsverhältnis von 100:1. Da das Panelmeter einen Eingangsspannungsbereich von 199,9 mV hat, ergibt sich damit ein Messbereich von 19,99 V mit einer Auflösung von 10 mV. Zur Strommessung wird die über dem Strommesswiderstand der Regelung R7 abfallende Spannung genutzt. Diese steht zwischen dem Emitteranschluss des Leistungstransistors und dem positiven Ausgang zur Verfügung. Mit einem abgleichbaren Spannungsteiler mit einem Teilungsverhältnis von 9,1:1 wird die Spannung auf 100 mV/A heruntergeteilt. Damit ergibt sich ein Messbereich von 1,999 A mit einer Auflösung von 1 mA. Die Umschaltung zwischen Spannungs- und Stromanzeige erfolgt über einen Kippschalter, welcher gleichzeitig die Dezimalpunkte umschaltet.
Gehäuse und Aufbau
Das Gehäuse des Netzgerätes wurde aus zwei Aluminium-Vierkantrohren 100×50×2 mm mit einer Länge von je 230 mm gebaut. Diese wurden jeweils an einer breiten Seite so aufgesägt, dass 10 mm breite Stege an den Kanten verbleiben. Die beiden Vierkantrohre werden dann an den offenen Seiten verbunden. Damit ergibt sich ein zweiteiliges Gehäuse mit Außenmaßen von 230×100×100 mm. Die offenen Enden der Vierkantrohre werden mit Kunststoffdeckeln verschlossen.
Messungen
Um das Verhalten der Regelung bei einem Lastwechsel zu untersuchen, wurde der Ausgang mit verschiedenen Lastwiderständen belastet, welche mit einem durch einen Rechteckgenerator gesteuerten MOSFET umgeschaltet wurden. Damit ergibt sich ein periodischer Lastwechsel, und die Antwort der Regelung auf diesen kann mit dem Oszilloskop beobachtet werden.
Lastausregelung im Konstantspannungsbetrieb
Die Ausgangsspannung wurde auf 15 V eingestellt, der Ausgangsstrom auf den größtmöglichen Wert von 1,1 A. Es wurde ein 150-Ω-Widerstand direkt und ein 16,4-Ω-Widerstand (2×8,2 Ω in Reihe) schaltbar über den MOSFET mit dem Ausgang des Netzgerätes verbunden. Damit stellt sich ein Laststrom von 0,1 A bei sperrendem MOSFET und etwa 1 A bei leitendem MOSFET ein.
Lastausregelung im Konstantstrombetrieb
Der Ausgangsstrom wurde auf 1 A eingestellt, die Ausgangsspannung auf ihren Maximalwert von 16,5 V. Der Ausgang wurde mit einer Reihenschaltung aus einem 1-Ω- und einem 14,1-Ω-Widerstand (2×8,2 Ω parallel in Reihe mit 10 Ω) belastet. Der MOSFET ist parallel zum 14,1-Ω-Widerstand geschaltet. Am Ausgang stellt sich damit eine Spannung von etwa 15 V bei sperrendem bzw. 1 V bei leitendem MOSFET ein. Die Messung des tatsächlichen Ausgangsstromes erfolgt über den Spannungsabfall am 1-Ω-Widerstand.
