Labornetzteil 0 - 30 V und 2 mA - 3 A nachgebaut Drucken E-Mail
Donnerstag, den 02. März 2017 um 14:05 Uhr

Nachbau eines Labornetzteils von 0 bis 30 Volt mit einer regelbaren Strombegrenzung bis 3 Ampere

Das nachfolgend beschriebene längsgeregelte Labornetzteil soll sich von 0 bis 30 Volt einstellen lassen. Die ebenfalls einstellbare Strombegrenzung soll sich laut Angaben von nahezu 0 Ampere bis 3 Ampere einstellen lassen. Ist die Strombegrenzung aktiv, was eine Leuchtdiode signalisiert, verhält sich das Netzteil wie eine Konstantstromquelle. Leider tritt bei mir Schwingneigung auf, weshalb nach meinen Erfahrungen die Schaltung nur bis 15 Volt und bis 1 Ampere tauglich ist. Dies habe ich erst im Laufe der Zeit feststellen müssen. Die Eingangsspannung sollte 21,5 Volt AC nicht überschreiten, da sonst die Speisespannung für die Operationsverstärker zu hoch ist.

Beschrieben ist die Schaltung unter

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

Ziemlich weit unten auf der dortigen Seite sind anklickbare Bilder, die dann größer erscheinen, um sie nach dem Download als Arbeitsunterlage besser herauskopieren zu können.


Erster Test des Aufbaus.

Bestückungsplan: Damit der Bestückungsplan leichter zu lesen ist, habe ich mit IrvanView eine Gamma-Korrektur vorgenommen, wodurch die Leiterbahnen sichtbar wurden. Anschließend habe ich noch die Bauteilewerte aus der Stückliste übertragen.


Fertig bestückte Platine.


Größere Ansicht der Platine.
 

Leiterplattenherstellung: Für die Herstellung des Layouts musste ich das vorhande Layout spiegeln und der Größe nach anpassen, was ebenfalls mit dem Bildbetrachtungsprogramm IrvanView erfolgte. Das Layout übertrug ich mit der Toner-Transfer-Methode auf die Kupferseite der Platine. Aus urheberrechtlichen Gründen muss ich leider davon absehen diese Arbeiten hier zur Verfügung zu stellen. An einer Ecke war zu wenig Platz für das Bohrloch der Schraubbefestigung. Deshalb entfernte ich dort ein Stück Leiterbahn, das ich durch eine Drahtbrücke an anderer Stelle ersetzte.


Platine von der Kupferseite betrachtet. Ein Stück Leiterbahn in der rechten, unteren Ecke wurde entfernt, um Platz für ein Befestigungsloch zu schaffen. Eine Drahtbrücke ersetzt die unterbrochene Leiterbahn.

Verbesserungen und Änderungen an der Schaltung: Für Q2 kam ein Transistor von ähnlicher Größe aus der Bastelkiste zum Einsatz. Auf den Kühlkörper am Q2 könnte ich wahrscheinlich verzichten. Für Q1 und Q3 kamen ebenfalls andere Transistoren zum Einsatz, da an ihnen keinen hohen Anforderungen zu stellen sind.

C8 (330pF) musste ich auf 10nF erhöhen, damit nicht manchmal die Strombegrenzung sofort nach dem Einschalten leuchtet und gleichzeitig keine Spannung aus dem Netzteil kommt. Die Fehler hängt wohl mit unterscheidlichen Ladezeiten der großen Kondensatoren beim Einschaltvorgang zusammen.

Das Trimmpoti RV1 ist wirkungslos. Trotzdem lässt sich die Spannung auf wenige mV herunterregeln. Wunderbar!

Parallel zu den vier Dioden des Brückengleichrichters kommen noch Kondensatoren von 6,2 bis 10nF, die ein Brummen beim Betrieb von HF-Schaltungen verhindern.

Für R1 (2k2 / 1 Watt) kam ein dicker 2k7 zum Einsatz, dem ich 12k 1/4 Watt parallel schaltete, weil keine anderen Bauteile vorhanden waren.

Für C1 kamen 4700uF / 40 Volt zum Einsatz, da ich ihn hatte. Am Elko C2 lagen maximal 23,5 Volt an und an am Elko C3 nur 10,3 Volt. Die Stückliste schlägt 50-Volt-Elkos vor. Eine niedrigere Spannungsfestigkeit ist tolerierbar und leichter zu beschaffen.

Der Netztrafo liefert bei mir im Leerlauf 26 Volt eff. Dann liegt am C1 eine Spannung von 35,5 Volt an. 40 Volt zulässige Maximalspannung des C1 sind in meinem Fall also noch ausreichend.

Den Kühlkörper auf der Platine braucht man nicht.

Speisespannungen für die Operationsvestärker etwas hoch: Sorgen mache ich mir wegen der Speisespannungen der drei Operationsverstärker TL081, die 36  Volt nicht überschreiten dürften. Tatsächlich liegen aber an den TL081 41,5 Volt an! Meine Exemplare scheinen diese Spannungen zu vertragen. Zur Sicherheit habe ich die TL081 steckbar montiert, falls sie dennoch durchknallen sollten.

Rauchwolken: Nach ein paar Stunden brannte beim Einschalten der Emitteranschluss des Q1 (2N2222) mit einer Rauchwolke durch. Der Operationsverstärker U2 (TL081) zeigte eine kaum sichtbare Beschädigung am Gehäuse und war ebenfalls defekt. Nach dem Austausch der beiden Bauteile wählte ich als Sekundärspannung des Trafos 21,5 Volt AC im Leerlauf. Die Speisepannung der Operationsverstärker beträgt dann 35 Volt und ist somit im sicheren Bereich. Die Ausgangsspannung des Netzteil lässt sich nun bis 27 Volt einstellen. An einem 10-Ohm-Widerstand als Last können noch 17 Volt stabilisiert werden. Es fließen dann 1,7 Ampere. Ansonsten funktionierte alles wie gewohnt.

Auf der Seite der Baubeschreibung gibt es eine Umbauanleitung, um die Speisespannung der Operationsverstärker zu begrenzen. Diese habe ich ausprobiert und musste feststellen, dass die Schaltung anfängt zu schwingen. Ich arbeite weiter an einer Lösung.


Stabilisierung der Speisespannung für die drei Operationsverstärker. Leider fing dann die Schaltung an zu schwingen, was sich durch ein Prasseln im Netztrafo bemkerbar machte.

Spannungsstabilisierung getestet: Klemmt man einen 10-Ohm-Lastwiderstand bei 10 Volt während des Betriebs ab, steigt die Ausgangsspannung um 60 mV an. Das entspricht einem Innenwiderstand des Netzteils von 60 mOhm. Beim Einschalten des Netzteils soll angeblich eine Spannungsspitze entstehen, die ich jedoch noch nicht feststellen konnte.

Leistungstransistoren: Als Stellglied für das längsgeregelte Netzteil kommt ein 2N3055 auf einem großen Kühlkörper zum Einsatz, der dann sehr warm werden kann. Es ist zu empfehlen zwei 2N3055 parallel zu schalten, um die Verlustleistung zu verteilen. Dabei sollten die beiden Exemplare einen möglichst gleichen Stromverstärkungsfaktor besitzen. In die Emitterzuleitungen der beiden Transistoren kommen zudem Widerstände von etwa 0,1 bis 0,3 Ohm, welche durch eine Stromgegenkopplung die Ströme auf den beiden Transistoren gleichmäßiger verteilen. Die Transistoren sind isoliert auf dem Kühlkörper unter Anwendung von Wärmeleitpaste zu montieren.


Das Gehäuse ist wenigstens schon teilweise fertig.

Netztrafo: Hat der Netztrafo sekundärseitig verschiedene Anzapfungen, lassen sich diese durch einen Umschalter nutzen, um die Verlustleistung bei niedrigen Ausgangsspannungen zu begrenzen.  Auf dem gewählten Netztrafo steht 100 VA. 100 VA / 25 Volt = 4 Ampere. Genügend Reserven liefert also der Trafo.

Potentiometer: Zum Einsatz kommen für Strom und Spannung normale lineare Potentiometer. Für mehr Feingefühl sind 10-gängige Potis eine gute Idee.


Anzeige für Strom und Spannung (siehe Text).

Anzeige für Strom und Spannung: Dafür ist eine kombinierte Anzeige wie unter LED-Strom-Spannungs-Anzeige im Einbaurahmen beschrieben vorgesehen. Da sich die Ausgangsspannung bis 0 Volt herunterregelen lässt, ist eine für die Spannungsversorgung dieser Anzeige ein kleines separates Netzteil mit einem eigenen Trafo vorgesehen.

Fertiger Bausatz: Eine ähnliche Schaltung gibt es bereits als Bausatz, was die Herstellung der Leiterplatte und die Zusammenstellung der Bauteile erspart. Die Suchbegriffe "0-30V 2mA-3A Adjustable DC Regulated Power Supply DIY Kit Short with Protection" helfen einem bei der Suche. Allerdings kommen diese Bausätze ohne Netztrafo, Kühlkörper, Anzeigen, Gehäuse und so weiter daher.

 

Zuletzt aktualisiert am Freitag, den 03. März 2017 um 19:56 Uhr
 

3. Februar 2017

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