Labornetzteil selber bauen: Teil 3

Seit knapp zwei Jahren habe ich nun meinen Eigenbau eines Labornetzteils in Betrieb und es ist sehr stabil. Ausgelegt ist es auf 24 V Ausgangsspannung und 1 A Laststrom, völlig ausreichend für meine Projekte bisher. Mit nicht mal 1 mVrms Ripple ist es teilweise sogar besser als professionelle Geräte.


Ein Problem tat sich aber bei mir auf: Versorgt wird das Netzteil aus einem Trafo mit 30 VA. Stellt man nun 3.3 V ein und fordert rund 1 A an dauert es etwa eine halbe Stunde bis das Netzteil wegen thermischer Überlast des Kühlkörpers (Temperatur > 100°C) abschaltet. Das ist sehr unschön und kann auch lästig werden mit der Zeit. Der Grund ist auch schnell gefunden: Es werden 3.3 W dem Trafo entnommen, d.h. 26.7 W müssen an der Endstufe verheizt werden. Also entweder einen dicken Kühlkörper einsetzen (das macht aber mein Wunschgehäuse nicht mit von Fischer (KOH2 + KOH4)) oder man nutzt eine andere Technik.
Die erste Idee war mehrere Trafos zu benutzen bzw. einen Trafo mit mehreren Wicklungen und dann entsprechend umschalten. Ich habe mich hierbei für einen Trafo von BLOCK entschieden, einen FL30 mit zwei mal 15 V auf der Sekundärseite. Das funktioniert zwar aber auch hier läuft man immer noch in den thermischen Überlastfall, wenn auch erst deutlich später.

Also kam die Überlegung was man wohl als beste Lösung hier nehmen könnte.

Die Idee

Den Drop von Eingangsspannung zu Ausgangsspannung des Netzteils konstant halten. Das sorgt dafür, dass man immer die selbe Leistung über der Endstufe verbrät, unabhängig von der eingestellten Ausgangsspannung des Netzteils.

Die Lösung

Die Spannung des Trafos auf einen einstellbaren Schaltregler packen und diesen entsprechend ansteuern.
Hier kam dann die Qual der Wahl: Schaltregler gibt es wie Sand am Meer, ich brauchte aber nur einen der 1 A Ausgangsstrom kann und eine Eingangsspannung von 2 * 15 V * 1.1 * SQRT(2) * 1,17- 1.1 V verträgt. Die 1.1 V kommen vom Gleichrichter, SQRT(2) wegen der sinusförmigen Spannung und der Faktor 1.1 ist schlicht dem Netz geschuldet dass ja ± 10% schwanken darf. Der Faktor 1,17 kommt vom Trafo und stellt dessen Leerlauffaktor dar. Der Schaltregler muss also mindestens 53,5 V aushalten können.

Zwei Schaltregler kamen bei mir in die nähere Auswahl: LT1076 und LT1074. Beide gibt es in einer Hochvolt-Version (HV) mit der sie auch 60 VDC Vin aushalten, haben den Schalter schon im Chip implementiert sodass extern lediglich Diode, Spule und Kondensator nötig ist. Der LT1074 zeichnet sich dadurch aus, dass er etwa den doppelten Strom des LT1076 tragen kann, mit 2 A Iout ist aber auch schon der LT1076 völlig ausreichend für meine Anwendung.

Auswahl Diode, Spule und Kondensator

Bei der Auswahl der Diode habe ich mich an die Datenblattempfehlung gehalten und eine MBR140 benutzt.
Spule und Kondensator habe ich empirisch ermittelt indem ich mit LTSpice ein paar Simulationen durchgeführt habe. Als Startwert für die Spule wählte ich 100 uH und für den Kondensator 500 uF (lt. Datenblatt für 5 V und einen Strom ≤ 1.8 A). Mein Augenmerk galt darauf, dass der Regler innerhalb von 10 ms eingeschwungen ist, das schien mir ein guter Kompromiss zu sein. Ich habe mich für eine 330 uH Spule entschieden und einen 220 uF großen Kondensator.

Drop messen

Den Drop über der Endstufe misst bei mir die OPV-Subtrahierer-Schaltung, als OPV habe ich mich für einen AD620 entschieden. Ich habe ihr eine kleine Verstärkung mitgegeben sodass bei rund 4 V über der Endstufe der OPV ca. 2,21 V ausgibt. Das Ausgangssignal dieser Schaltung wird dem LT1076 als Feedback zugeführt. Dadurch regelt sich der Schaltregler immer so, dass über der Endstufe grade mal 4 V abfallen, für 1A am Ausgang genügt das und die Endstufe muss so nun nur noch maximal 4 W verheizen statt 26,7 W (vgl. oben).

Fazit

Mit dem neuen Trafoteil läuft das Netzteil praktisch perfekt. Ich kann nun auch 100 mV und 1 A stundenlang entnehmen ohne dass die Endstufe zu heiß wird. So hab ich mir das vorgestellt.

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