Startseite

Labornetztei 350/400mA 

 

Update 18.08.2013

  1. Zwischen dem Verbindungspunkt von R1, R3, R5, und R6 fehlte eine Leiterbahn, zum Verbindungspunkt von R13 und D3. Das Layout und der Bestückungsplan sind daraufhin geändert worden.

Update 01.04.2012

  1. Der parallele Betrieb mit einem zweiten HV-Netzteil, führte zu einem Rückstrom über D3, R13, T5 und T6. Eine zusätzliche Diode D14 (1N4007) in Reihe zu D3 verhindert den Rückstrom. Diode D3 wurde vom Typ ZD20 auf ZD18 geändert. (siehe geänderten Schaltplan)

Update 04.12.2011

  1. C14, das ist der Kondensator der parallel zur Referenzspannungsquelle D12 (TL431) liegt wird ersetzt durch einen Elko 100µF/16V. Der ursprüngliche Wert von 470nF führt laut TI- Datenblatt (siehe Datenblatt TL431, Seite 26, Figure 15) zu einer Instabilität des TL431, was ich durch Messungen mit dem Oszillografen bestätigen kann. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tl431.pdf

  2. Auf den Anschlussleitungen der 10-Gang-Potentiometer P3 und P4 kommt es zu Störeinstrahlungen (Brumm, HF). Das lässt sich erheblich verringern, in dem man die Spannungsteiler für den Spannungs- und Stromregler niederohmiger gestaltet.

I-Regler: P3 = 100 Ohm, P1 = 100 Ohm, R18 = 1,8KOhm

U-Regler: P4 = 1KOhm, P2 = 1KOhm,

Da nun der Strom, den die Referenzspannungsquelle liefern muß höher wird, muß R17 auf  680Ohm verringert werden.

Als vorteilhaft stelle sich, auch das Einlegen der Leitungen in 2 Klappferrite bzw. die Verwendung von abgeschirmten Leitungen, heraus.

  1. Direkt über die Ausgangsbuchsen sollte ein Elko 47-100µF/450V gelötet werden.

  2. Noch etwas zu den Kondensatoren C10 und C12. Die beiden Kondenstoren sind für die Regelgeschwindigkeit des U-Regler und I-Regler zuständig. Also wie schnell Spannungs- bzw. Lastsprünge ausgeregelt werden. In meinem Netzteil verwende ich jeweils 100 pF Kondensatoren. Den optimalen Wert, kann man durch Messungen der Anstiegsgeschwindigkeit und des Überschwingverhaltens mit dem Oszillografen, ermitteln. Denn die optimalen Werte sind in gewissem Maße vom Aufbau der Schaltung und von den verwendeten Bauteilen (OP-Type) abhängig.

  3. Schaltplan und Stückliste sind auf neuen Stand gebracht.

Update 29.05.2011

Im ursprünglichen Layout und in der Stückliste hatten sich 3 Fehler eingeschlichen:

  1. da es sich bei dem Relais K1 (FRT5 DC24V) um ein gepoltes Relais handelt waren die Anschlüsse im ursprünglichen Layout vertauscht.

  2. Dioden D12 und D13  waren vertauscht.

  3. C10 und C12 sind von 100pF auf 4,7 nF erhöht worden, um Schwingneigung des Netzteils wirkungsvoll zu unterdrücken.

  4. Um eine gleichmäßige Lastverteilung der MOSFET´s -Leistungstransistoren zu erreichen sollten diese nach gleicher Ugs selektiert werden. Wie das gemacht wird ist wird hier sehr gut erklärt.  http://www.saque.de/html/mosfets.html

Der Anlass zur Entwicklung dieses HV-Netzteils war de Umstand, das immer wenn ich eine Röhrenschaltung aufbauen wollte, die richtigen Spannungen oder Ströme nicht zur Verfügung standen. Ebenso kann es von Vorteil sein die Betriebsspannung langsam von 0 Volt auf die maximale Betriebsspannung  zu erhöhen. Man spart sich dadurch öfter „rauchende Überraschungen“, wenn nicht Schlimmeres.

Sicherlich hätte man so ein Netzteil auch mit Röhren, anstatt mit Halbleiten aufbauen können. Ich finde jedoch das Röhren (insbesondere EL34 und Co.) Besseres verdient haben, als in einem Netzteil verbaut zu werden. Außerdem dürfte die ganze Sache bei den heutigen Preisen für Röhren in „Sand“ billiger werden.

Nach dem ich das Internet, nach einer brauchbaren Schaltung durchsucht habe und nichts brauchbares gefunden habe, blieb nur die Entwicklung einer eigenen Schaltung übrig.

 Die Eckdaten sind:        Ausgangsspannung:      0 … 350 V,      Ausgangsstrom:             0 … 400 mA

Spannung und Strom lassen sich getrennt von einander einstellen. Dadurch können Überlastungen im Versuchsaufbau wirkungsvoll vermieden werden. Durch eine rote und eine blaue LED wird jeweils angezeigt, ob das Netzteil als Spannungs- oder Stromregler arbeitet. Die Werte für Spannung und Strom werden durch zwei digitale LED-Messgeräte auf der Frontseite dargestellt.

Inspiriert durch eine Netzteilschaltung aus meiner Lehrzeit, entstand nun folgende Schaltung:

 

Schaltplan als PDF 

Wie man unschwer erkennt ist die gesamte Schaltung, außer dem Netztransformator, den 10-Gang-Potentiometern, die LED´s und die Leistungs-MOSFET´s kompakt auf einer Platine 160x150 mm aufgebaut. Alle Anschlüsse sind auf Steckkontakte auf der Leiterkarte zugänglich. Die Leistungs-MOSFET´s können auch direkt auf die Platine gelötet werden, wenn ein entsprechender Kühlkörper zum Einsatz kommt. Ich habe mich für Steckkontakte entschieden. Dadurch ist der Einbau in ein Gehäuse flexibler.

Platine Bestückungsseite Platine Lötseite

Die Messingschiene auf der Platinenunterseite ist die Masseverbindung von den Elko´s zum Ausgang der Schaltung.  Somit muss nur noch der Trafo (230V/270V/0,6A ), 230V für den Steuertrafo, die beiden Potis, und die LED´s angeschlossen werden.

Vom Netztrafo (230V/270V) geht es auf einen Brückengleichrichter (KBL406). Die 4 Dioden des Gleichrichters sind mit 2,2nF/2kV Kondensatoren überbrückt, um Schaltimpulse der Dioden zu unterdrücken. Zur Siebung kommen dann 4 Elko´s 470uF/450V zum Einsatz. Als Leitungsregler habe ich 4 MOS-FET-Transistoren SPW20N60S5 (600V/20A, 208W) verwendet. Dadurch ergibt sich reichlich Reserve für Spannung und Strom. Bei einer Trafospannung von Primär 270V, ergibt das an den Ladeelkos USek1 * 1,414 = UGleich1 = 380V. Es lassen sich auch andere Leistungs-MOSFET´s mit vergleichbaren Kennwerte oder besser, verwenden.

Immerhin fällt eine Verlustleistung PVerlust = UB * Iout = 380V * 0,4A = 152W im Kurzschluss an den Leistungstransistoren ab. Ein entsprechender großer Kühlkörper oder Zwangskonvektion (Ventilator) ist also nötig. Bei meinem Netzteil kommen 3 CPU-Kühlkörper mit 12V-Ventilator zum Einsatz

Als Option ist eine Temperaturüberwachung des Kühlkörpers vorgesehen (noch in Entwicklung). Diese regelt den Strom runter, bevor die zulässige Temperatur der Endstufen-MOS-FET´s überschritten wird. Angezeigt wird diese durch eine rote LED. Legt man an den Anschluss eine positive Spannung in Höhe von max. 15V, wird T6 voll durchgesteuert, dadurch sperren die MOS-FET´s T1 bis T4. und die Ausgangsspannung sinkt auf null. Man kann diesen Anschluss also benutzen um die Ausgangsspannung ab zu schalten oder mit einem Thermoschalter eine Übertemperaturabschaltung zu realisieren.

Der Shunt-Widerstand ist auf einem kleinen Kühlkörper montiert. Das muss aber nicht, es reicht auch ein Widerstand mit einer Leistung von 1 Watt.

Das IC TL431 erzeugt die Referenzspannung von 5V für den Spannungs- und Stromregler.

Die Schaltung der Transistoren T5 und T6 (MJE340) mag auf den ersten Blick etwas seltsam erscheinen. Es handelt sich um eine Kaskodenschaltung. Die Kollektorspannung von T6 wird annähernd konstant gehalten. In diesem Fall beträgt UCE(T3) = UR2 - UBE(T5) = 380V/2 - 0,7V = 189,3V. Durch diese Schaltung wird die maximale Kollektor-Emitter-Spannung (300V) des MJE340 nicht überschritten.

Das Schaltungsdetail um das Relais K1 erschein etwas ungewöhnlich, hat aber folgende Bewandtnis: Wenn das Netzteil über den Netzschalter ausgeschaltet wird bleibt die Spannung an den Kondensatoren (C5 - C8) lange Zeit stehen, während die Versorgungsspannung für die Regler IC´s schon abgefallen ist. Dadurch kann T6 nicht mehr durchgesteuert werden und als Folge davon steigt die Ausgangsspannung kurz nach dem Abschalten kurzzeitig auf 380V an. Das wäre aber alles andere als wünschenswert. Die Schaltung um das Relais K1 bewirkt nun ein Überbrücken der Kollektor-Emitter-Strecke, wenn die +24V Betriebsspannung (C16) auf +22V abfällt. Dadurch wird die Ausgangspannung augenblicklich abgeschaltet. Ebenso kann beim Einschalten des Netzteils erst Ausgangsspannung anliegen wenn die Betriebsspannung des Spannungs-Regler-IC´s (V1) auf über +22V angestiegen ist.

Die Hochlast-Drahtwiderstände R7 und R11 müssen mit einem Abstand von ca. 20mm von der Platinenoberseite montiert werden.

 

Hier nun das Layout: Stand 01.04.2013

Layout Sprint-Layout 5.0

Layout hochauflösendes PDF (2400dpi) Achtung! Beim Ausdruck mit dem AcrobatReader unbedingt unter "Anpassen der Seitengröße";  Keine, wählen.

Sonst wird das Layout nicht masshaltig gedruckt! Platinenabmessungen: 160 x 150 mm

Bestückungsplan hochauflösendes PDF (2400dpi)

 

Stückliste: HV- Netzteil 350V/400mA 

Kondensatoren

 

 

 

C1, C2, C3, C4

2,2nF/2KV

Keramik

RM: 7,5 mm

C5, C6, C7, C8

470µF/450V

Elko 105 C

RM: 10 mm

C9

33µF/450V

Elko 105 C

RM: 7,5 mm

C10, C12

100pF/63V

Keramik

RM: 5 mm

C11

220nF/630V

MP

RM: 22,5 mm

C13, C15, C17, C18, C21, C22

100nF/63V

Keramik Vielschicht

RM: 5 mm

C14

100µF/16V

Elko 105 C

RM: 5 mm

C16, C20

1500µF/50V

Elko 105 C

RM: 7,5 mm  D: 16 mm

C19, C23

100µF/25V

Elko 105 C

RM: 2,5 mm  D: 6 mm

C24 100µF/450V Elko 105 C  

 

 

 

 

Widerstände

 

 

 

R1, R3, R5, R8

100 /2W

Metalloxidschicht

RM: 15 mm

R2, R4, R6, R9

10 /2W

Metalloxidschicht

RM: 15 mm

R7, R11

15k /5W

Hochlast-Draht-Widerstand

RM: 30 mm

R10, R28

100k /2W

Metalloxidschicht

RM: 15 mm

R13

1k /2W

Metalloxidschicht

RM: 15 mm

R12, R14

150k /2W

Metalloxidschicht

RM: 15 mm

R15

39k /2W

Metalloxidschicht

RM: 15 mm

R16, R19, R20, R24, R25, R31

10k /0,6W

Metalloxidschicht

RM: 10 mm

R32, R33, R35

10k /0,6W

Metalloxidschicht

RM: 10 mm

R17

680 /0,6W

Metalloxidschicht

RM: 10 mm

R18

1,8k /0,6W

Metalloxidschicht

RM: 10 mm

R21

3,3k /0,6W

Metalloxidschicht

RM: 10 mm

R22, R23

1,5k /2W

Metalloxidschicht

RM: 15 mm

R26

3,3k /2W

Metalloxidschicht

RM: 15 mm

R27, R29

5,1k /0,6W

Metalloxidschicht

RM: 10 mm

R30

6,8k /0,6W

Metalloxidschicht

RM: 10 mm

R34

2,2k / 0,6W

Metalloxidschicht

RM: 10mm

RShunt

0,75 /10W

 

TO-220

P1

100 lin. 10-Gang Trimmer

 

 

P2

1k lin. 10-Gang Trimmer

 

 

P3 100 lin. 10-Gang    
P4 1k lin. 10-Gang

 

 

 

 

Drahtbrücken

 

 

 

DB-1

L: 18 mm

Drahtbrücke

 

DB-2, DB-3

L: 10 mm

Drahtbrücke

 

DB-4

L: 145 mm , B: 10mm , H: 2 mm

Messingschiene

 

 

 

 

 

Halbleiter

 

 

 

T1, T2, T3, T4

SPW20N60S5, IRFP460, o.ä

Power MOS-FET

min. UDS: 500V

T5, T6

MJE340

HV-NPN-Transistor

 

T7, T8

2N2222, BC548C, o.ä.

NPN-Transistor

 

Br1

KBU8M o.ä.

Gleichrichter

 

Br2

B40C800

Gleichrichter

 

V1

7815

Festspannungsregler

TO-220

V2

7915

Festspannungsregler

TO-220 

V3

AD712, LM358 o.ä.

2-fach OP

 

V4

TL431

Programmable Shunt Regulator

 

D1, D2, D4, D5, D6, D7, D8, D9, D14

BYX10, 1N4007, o.ä.

 

 

D10, D11, D12

1N4148

Diode

 

D13

ZPD 20

Zenerdiode

 

D3 ZD18 Zenerdiode  

LED1

LED – rot    5mm

Leuchtdiode

 

LED2

LED – blau  5mm

Leuchtdiode

 

 

 

 

 

Transformatoren

 

 

 

230V 270V / 0,6A   170VA

 

Netztrafo

 

230V – 2x 15V / 0,16A   4,8VA

GERTH 421.30-2

Steuertrafo

 

 

 

 

 

Kühlkörper

 

 

 

VPR32/50,8-MC

für 2x MJE340, bzw BUT18AF

 

 

VPR32/25,4

für 0,75 Ohm Shunt

 

 

 

 

 

 

Sicherung

 

 

 

F1

50mA Träge

 

 

F2, F3

1A träge

bzw. je nach verwendetem Trafo

 

 

 

 

 

Steckverbinder

 

 

 

4x Wannenstecker, gewinkelt

AKL 230-03

o.ä.

RM: 5,08 mm

4x Stecker

AKL 249-03

o.ä.

RM: 5,08 mm

2x Wannenstecker, gewinkelt

STL 266-02

o.ä.

RM: 7,62 mm

2x Stecker

AKL 262-2

o.ä.

RM: 7,62 mm

1x Wannenstecker, gewinkelt

STL 266-03

o.ä.

RM: 7,62 mm

1x Stecker

AKL 262-03

o.ä.

RM: 7,62 mm

       

Relais

 

 

 

K1

FRT5 DC24V

 

 

 Stückliste Datei download (PDF) fast alle Bauteile gibt´s bei Reichelt-Elektronik

 

Noch in Entwicklung:

Die MOS-FET-Leistungstransitoren sind auf der Gehäuserückseite auf 2 CPU-Kühlkörper mit je einem 12V-Lüfter montiert. Die Verbindung zur Reglerplatinen wird über Steckkontakte hergestellt. Auf der Lüftersteuerplatine sind 4 Anschlusse für 12V-Lüfter und 4 Temperaturfühler KTY10 vorgesehen. Der LM139 ist ein 4-fach Komperator mit Open-Kollektorausgang. Die Spannung am jeweiligen nichtinvertierten Eingang wird mit der Referenzspannung (2,45V) am invertierten Eingang verglichen und schaltet entsprechen einen MOSFET BUZ10. Der Einschaltpunkt liegt ca. bei 60 Grad.

Der 4. Lüfteranschluss steuert den Lüfter für ein weiteres HV-Netzteil kleinerer Leistung und ein Netzteil für 6,3 V Heizspannung. (beides noch in Entwicklung)

 

Das Netzteil wurde von Andreas Halank erfolgreich nachgebaut.

Das Gehäuse ist aus Platinenmaterial gefertigt. Eine prima Möglichkeit für ein ansprechendes Gehäuse.

 

Ein Belastungstest mit Glühlampe.