Labornetzteil 0-24V 3A aus Schrott Drucken E-Mail
Montag, den 30. Oktober 2017 um 09:00 Uhr

Labornetzteil 0 bis 23 Volt, max. 3 A aus Schrott mit Lüfter und Längsregelung

Nach einigen Monaten hat mein Labornetzteil endlich ein Gehäuse bekommen und nachträglich als Zugabe einen Lüfter für die beiden Transistoren 2N3055 der Längsregelung erhalten. Zum Einsatz kam neben Holz- und Blechabfällen auch eine Menge Elektronikschrott. Für mich war das Projekt ein sinnvoller Bastelspaß wie in den 70er- oder 80er-Jahren des letzten Jahrhunderts mit schweren Trafos, dicken Kühlblechen und bedrahteten Bauteilen.

Merkmale (ungefähre Angaben): 0 bis 24 Volt  Ausgangsspannung, bis 16 Volt max. 3 Ampere Ausgangsstrom, regelbare Strombegrenzung von etwa 10 mA bis 3 A. Brummspannung bei 9 Volt und 3 A etwa 3 mVss, beim Einsetzen der Strombegrenzung 10mVss. Beim Lastwechsel von 3 A auf 0 A steigt die Spannung um etwa 200 mV. Gewicht: 3,4 kg.

Die Schaltung:  Sie ist unter Labornetzteil 0 - 30 V und 2 mA - 3 A nachgebaut beschrieben. Man beachte dort im Text, dass eine  zu hohe sekundäre Trafospannung dazu führt, dass die Operationsverstärker an Überspannung sterben. Am Ladeelko sollten zur Sicherheit nicht mehr als 24 Volt DC anliegen. Dies entspricht einer Sekundärspannung von etwa 19 Veff bei 230 Volt Netzspannung, die sich aber bis auf 230 V x 1.1 = 253  Volt erhöhen kann. Die Betriebsspannung des TL081 Operationsverstärker darf 36 Volt nicht überschreiten. Die Hilfsspannung liefert 5,6  Volt. Am Ladeelko dürfen also bei 253 Volt Netzspannung nicht mehr als 36 Volt - 5,6 Volt = 31,4 Volt anliegen.

Der direkte Link zur Schaltung lautet

http://www.electronics-lab.com/project/0-30-vdc-stabilized-power-supply-with-current-control-0-002-3-a/.

Die Schaltung gibt es auch als Bausatz mit  Platine in der Bucht beim Chinesen unter "0-30V 2mA-3A Adjustable DC Regulated Power Supply DIY Kit Short w/ Protection MO" für ein paar Euro zu erwerben. Anstelle von 5,6 Volt Z-Dioden kommen solche mit 5,1 Volt Zenerspannung zum Einsatz. Dann ist noch ein 24-Volt-Festspannungsregler für den Betrieb eines Lüfters vorhanden. Der Kühlkörper und der Trafo fehlen bei diesem Bausatz. Auf manchen Platinen sollen die Symbole der kleinen Dioden in der falschen Richtung angebracht sein. Es gibt zum Glück im Internet genügend Fotos von der bestückten Leiterplatte.


Das fertig aufgebaute Netzteil besteht aus vielen Teilen von der Schrottkiste. Holz- und Blechabfälle nebst Platinenreste kamen zum Einsatz. Die Kabel stammen aus ausgeschlachteten Fernsehern.


Rückseite mit Lüftern und Kühlkörper. Die Lüfter stammen von AT-PC-Netzteilen


Ist das Netzteil im Regal untergebracht, kommt nur die Gestaltung der Front zur Geltung. Das kompakte Gerät passt selbst in eine kleine Ecke. Auf ausreichende Belüftung ist zu achten.

 

Im Gegensatz zur ursprünglichen Schaltung kamen zwei 2N3055 zum Einsatz. Die Emitter werden über zwei 0,47-Ohm-Widerstände zur Stromgegenkopplung gespeist, umd die Ströme gleichmäßiger zu verteilen, da die beiden Transistoren nicht den gleichen Stromverstärkungsfaktor besitzen.

Ein 10-Gangs-Poti würde die Einstellung der Spannung erleichtern.

Wer sich weniger Mühe machen möchte, kann für wenig Geld zu fertigen Netzteil-Bausätzen greifen, die es in z.B. in der Bucht direkt aus China gibt. Die Platine muss nur bestückt werden. Die Hauptarbeit macht das Gehäuse.


Nachbau der Schaltung auf einer Platine. Der Kühlkörper war überflüssig. Die Entbrumm-Kondensatoren parallel zu den Dioden des Brückengleichrichters fehlen noch. Beschreibung unter Labornetzteil 0 - 30 V und 2 mA - 3 A nachgebaut.


10nF-Kondensatoren über den Dioden des Brückengleichrichters vermeiden Brumm bei angeschlossenen Radios von Langwelle bis Kurzwelle. Die Dioden werden heiß. Kabel dürfen sie nicht berühren.


Zusätzlicher Widerstand von etwa 4,7 kOhm am Poti für die Spannungswahl. Der Widerstand sorgt dafür, dass maximal 23 Volt eingestellt werden können.

 


Der Drahtverhau war leider nicht zu vermeiden.

Entbrummen für  den Betrieb von Empfängern unter 30 MHz: Das Netzteil eignet sich für den Radiobastler, da nachträglich parallel zu allen Gleichrichterdioden Entbrumm-Kondensatoren von 10 nF geschaltet wurden. Testweise wurde ein Kofferradio auf UKW bis Langwelle mit dem Netzteil betrieben. Kein Brummen oder Pfeifen war zu vernehmen.

Beschaffung der Leistungstransistoren, der Kühlkörper, des Isolationsmaterials und der Wärmeleitpaste: Kühlkörper, die für die Montage des 2N3055 in seinem TO3-Gehäuse geeignet sind, sind inzwischen schwer zu beschaffen.  Alternativ geht auch der preisgünstige 2SD1047, welcher im TO3-P-Gehäuse daher kommt und einfacher zu montieren ist, da nur ein Loch zu bohren ist. Die Materialien zur Kühlung findet man in der Bucht mit den Begriffen "insulation washer" (Isoliernippel)  und "TO3P insulation" bzw. "TO3 insulation" für die Isolierscheiben oder Glimmerscheiben. Mit "heatsink" oder "Kühlkörper" findet man die Kühlkörper und mit "heatsink plaster" eine große Auswahl an Wärmeleitpasten.  Der Wikipedia-Artikel über den 2N3055 ist lesenswert und warnt vor gefälschten 2N3055.

Gehäuse: Zum  Einsatz kamen alte Bretter, die ich mit grauer Bodenfarbe lackierte und anschließend mit Lackreiniger polierte, damit die Pinselstriche verschwinden. Das Alublech der Frontseite schliff ich mit 300er-Schleifpapier und danach mit rostfreier Stahlwolle und Seifenwasser immer in einer Richtung.

Digitale Strom-Spannungsanzeige: Sie ist unter LED-Strom-Spannungs-Anzeige im Einbaurahmen beschrieben und muss in diesem Fall mit einer galvanisch getrennten separaten Stromversorgung betrieben werden, die unter Bau eines brummfreien, stabilisierten Netzteils beschrieben ist und 5 Volt liefert. Dieses Netzteil ist notwendig, da sich die Ausgangsspannung unter 4,5 Volt herunterregeln lässt. Die Anzeige braucht mindestens 4,5 Volt. Die Anzeige des Stroms ist unter 200 mA sehr fehlerhaft.


Zum Einsatz kommt die digitale Anzeige WR-005 für Strom und Spannung, die es ebenfalls in der  Bucht aus China kommt.

Kurzschlussfestigkeit und regelbare Strombegrenzung: Nach meinen Versuchen ist das Netzteil kurzschlussfest. Angeblich soll beim Einschalten des Netzteils eine Spannungsspitze auftreten, die ich aber nicht feststellen konnte. Die regelbare Strombegrenzung ist beim Experimentieren eine angenehme Erleichterung, die die Bildung von ungewollten Rauchwolken und anderen Knalleffekten verhindert.

Warum eine Längsregelung? Im Vergleich zu einem Schaltnetzteil gibt es keinen Ärger mit HF-Störungen und einem Ripple auf der Ausgangsspannung, der nur schwer wegzufiltern ist. Nachteilig sind die hohe Verlustleistung und die erhebliche Wärmeentwicklung der Transistoren in der Längsregelung. Gerade bei hohen Strömen und gleichzeitig niedrigen Ausgangsspannungen ist die Wärmeentwicklung besonders hoch.

HF-fest? Ich habe nicht geprüft, ob das Netzteil für den Sendebetrieb HF-fest ist. Beim Senden mit einem angeschlossenen Funkgerät könnte Hochfrequenz einströmen, die  Ausgangsspannung erhöhen und dadurch das Funkgerät beschädigen.

Lüfter: Den Lüfter baute ich nachträglich ein, da ich die passenden Teile gefunden hatte. Bei 9  Volt und 3 A Ausgangslast läuft der Lüfter 3 Minuten lang mit Pausen von 5 Minuten. Der Lüfter stammt aus einem alten AT-Schaltnetzteil für PCs. Die Regelung folgt mit einem Thermoschalter auf dem Kühlkörper. Bei etwa 56 °C Kühlkörpertemperatur schaltet sich der Lüfter ein und bei 41 °C schaltet er sich ab. Der 12-Volt-Lüfter läuft mit 15 Volt. Das ist etwas zu viel. Allerdings läuft er ja nur sehr selten. Der Lüfter bläst in Richtung Kühlkörper. Die seitlich entweichende Luft ist dann spürbar warm. Die Versorgungsspannung für den Lüfter wird direkt am Ladekondensator entnommen. Dort liegen 24 Volt DC an, die mit einem 15-Volt-Festspannungsregler stabilisiert werden. Für die Montage der Kühlkörper und des Thermoschalters kam Wärmeleitpaste zum Einsatz. Normalerweise läuft der Lüfter nie, da die meisten Schaltungen nicht mehr als 500 mA benötigen.

Verbesserungen mit zwei Lüftern: Leider hatte sich die Zweipunkt-Regelung mit dem Thermoschalter nicht bewährt. Parallel zum Thermoschalter wurde ein Widerstand von etwa 220 Ohm geschaltet und zusätzlich ein Elko von 100uF. Dadurch läuft der Lüfter ständig mit minimaler Drehzahl. Der Elko erleichtert das Starten des Motors. Bei einer Last von 9 Volt und 3 Ampere steigt die Temperatur des Kühlkörpers nie über 30 °C. Zur Not kann sich der Thermoschalter bei etwa 50 °C schließen und der Lüfter läuft dann mit voller Drehzahl.

Im Gehäuse ist es bei einer Last von 9  V und 3 A mit über 50 °C sehr heiß geworden, wozu die Rückseite des Kühlkörpers und der Trafo, welcher ebenfalls 40 bis 50 °C warm wird, ihre Beiträge als Wärmequellen leisten. Deshalb wurde ein weiterer Lüfter auf den Deckel geschraubt, der ständig läuft. Die Temperatur sank dann im Gehäuse auf 30 °C.

Das Rauschen der Lüfter ist so leise, dass sie von einem Radio mit Zimmerlautstärke übertönt werden.

Unter http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AN1040-D.PDF steht mehr zur Kühlung von Halbleitern und ihre Montage auf Kühlkörpern. Die Seite http://www.elektronikbasteln.pl7.de/berechnung-von-kuehlkoerpern-fuer-halbleiter.html gibt Auskunft zur Berechnung von Kühlörpern.


Ein alter Lüfter aus einem PC bläst auf die Transistoren, wenn es ihre Verlustleistung erfordern. Die Transistoren sind mit Glimmerscheiben isoliert montiert. Die Glimmerscheiben sind beidseitig mit Wärmeleitpaste bestrichen.


Trotz reduzierter Drehzahl ist die Kühlung der beiden 2N3055 sehr gut. Der 12-Volt-Lüfter läuft gedrosselt mit 5 Volt und bläst direkt auf den Kühlkörper.

 


Verdrahtung auf der Rückseite Kühlkörpers. Zwischen den beiden Transistoren sitzt der Thermoschalter.


Nachträglich eingebaute Spannungserzeugung für den Lüfter. Festspannungsregler, zwei Schutzdioden für alle Fälle und zwei 220nF-Kondensatoren, damit es nicht schwingt.


Vorwiderstand des Lüfters mit Elko parallel zum Thermoschalter (Beschreibung im Text).

 

Verdrahtung: Die Verdrahtung ist wild, da die langen Kabel notwendig waren, um den Kühlkörper und die Frontplatte verdrahten zu können. Dazu sind diese beiden Einheiten abzuschrauben. Trotz der chaotisch anmutenden Verdrahtung konnte ich keine Schwingneigung feststellen.  Die gedrängte Bauweise erschwerte die Montage.


Frontplatte von der Rückseite.

Sicherheitsaspekte: Die beiden Netztrafos sind mit Feinsicherungen abgesichert. Alle Metallteile des Gehäuses, der Kühlkörper und der große Trafo sind mit dem Schutzleiter verbunden.  Die Schaltung selbst ist nicht mit dem Schutzleiter verbunden. Am Kühlkörper kann man sich die  Finger verbrennen und der Lüfter birgt eine Verletzungsgefahr. Zudem ist der Kühlkörper so scharkantig, dass er den Tisch zerkratzen kann. Aus diesen Gründen läuft das Netzteil nur unter Aufsicht und im Regal, wo es vor neugierigen Katzen und anderen Lebewesen sicher ist. Es ist eben ein Selbstbauprojekt für die Werkstatt und nicht für den allgemeinen Verkehr gedacht. Es ist auch fraglich, ob das Netzteil einen Transport mit der Post überleben würde, weil der eine kleine Kühlkörper doch sehr wackelig angebracht ist. Beim nächsten Mal mache ich es besser. Man lernt immer was dazu.


Labornetzteil von oben. Da die Temperatur innen auf über 50 °C stieg, kam auf dem Deckel ein zusätzlicher Lüfter zum Einsatz. Dieser Lüfter bläst nach oben.


Befestigung des zweiten Lüfters, der parallel zum ersten geschaltet ist. Er kühlt die Innentemperatur von 50 °C auf 30 °C, wenn das Netzteil mit 3 Ampere bei 9 Volt belastet ist. Nagellack dient als Sicherungslack für die kleinen M3-Muttern.


Kabelbinder halten den Hilfstrafo fest, da Heißkleber schmolz.

Wer braucht schon 3 Ampere? In den allermeisten Fällen würde für den Radiobastler eine Ausgangsspannung von 500 mA bis 1 Ampere ausreichen. Dazu lässt sich am Strom-Poti ein zusätzlicher Widerstand einbauen. Es kommt ein kleinerer Trafo und ein kleinerer Kühlkörper zum Einsatz. Der Lüfter entfällt. Wer die volle Leistungs ausschöpfen will, muss mit großen Kühlkörpern und Lüftern arbeiten. Die gilt besonders bei einer kompakten und platzsparenden Bauweise.

Zuletzt aktualisiert am Donnerstag, den 09. November 2017 um 17:42 Uhr
 

3. Februar 2017

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