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Labornetzteil 25V 15A

Abb. 1: Frontseite des Labornetzteils 25V/15A

Alle elektronischen Geräte benötigen eine mehr oder minder leistungsfähige Stromversorgung. Für die Entwicklung und Reparatur benötigt man oft eine einstellbare Gleichspannung und Strombegrenzung.

Dieses Projekt beschreibt den Eigenbau eines Labornetzteils, dessen maximale Ausgangsspannung und maximaler Ausgangsstrom an eigene Bedürfnisse angepasst werden kann. In der vollen Ausbaustufe besteht das Netzteil aus drei Platinen:

Die Layouts und Bestückungspläne für die Leiterkarten stelle ich als PDF mit hoher Auflösung und ABACOM Sprint-Layout (*.LAY) als "Download" bereit.
Achtung!  Alle Bohrungen sind mit 0,5 mm im Layout gezeichnet. Selbstgeätzte Platinen lassen sich so genauer bohren.
Wer die Platinen herstellen lassen will, sollte die Bohrungen mit Sprint-Layout anpassen. Sonst passen die Bauteile nicht in die Bohrungen.

Die Schaltpläne stelle ich als PDF mit hoher Auflösung als "Download" bereit.

Ich biete keine Platinen oder Bausätze zum Verkauf an.
Andere Formate (EAGLE, TAGET usw.) habe ich nicht und kann ich auch nicht!!!

Update: 11.07.2022

Auf der Reglerplatine wurde die Diode D11 (1N4007) in Reihe zum Emitter-Anschluss von T3 eingefügt. Die Diode verhindert eine unzulässig hohe inverse U_BE, an der Basis-Emitter-Strecke von T3. Auch das Endladen eines Akkus, bei abgeschaltetem Netzteil, über R20, T3 und K1 wird vermieden. Layout, Bestückungplan, Schaltpläne und Stückliste sind geändert.

Reglerplatine

Das folgende Blockschaltbild verschafft einen gesamten Überblick über das Netzteils, in der maximalen Ausbaustufe.

Abb. 2: Blockschaltbilds 25V/15A (PDF) (1200dpi)

Grundsätzliches zum Aufbau:

Dieses Labornetzteil ist ein etwas komplexes Projekt, welches sich ohne weitreichende Kenntnisse in der Elektronik und Elektromechanik nur schwierig durchführen lässt. Wer sich also schon bei der Berechnung eines Spannungsteilers oder beim Lesen und Verstehen von Schaltplänen schwer tut, sollte besser die Finger davon lassen.
Ebenso ist besonderer Wert auf die Einhaltung der Sicherheitsvorschrift, beim Umgang und Aufbau elektrischer Geräte, zu achten!!!
Ich kann weder Leiterkarten, noch programmierte PIC-Prozessoren für dieses oder andere Projekte liefern. Ebenso fehlt mir einfach die Zeit und Lust, bis ins kleinste Detail zu erklären, warum ich es so und nicht anders gemacht habe.
Aber keine Bange, wenn jemand wirklich ernst gemeinte Fragen zum Labornetzteil hat, bin ich gerne bereit diese per email oder telefonisch zu beantworten.

Der Netztransformator (230V / 2x 15V 15A) ist aus einer defekten USV-Anlage entnommen. Mein Labornetzteil hat eine einstellbare Ausgangsspannung von 0 bis 25V und einen maximalen Ausgangsstrom von 15A. Der Gleichrichter (35A) ist auf einem kleineren CPU-Kühlkörper mit Lüfter direkt hinter der Frontplatte montiert. Auf der Reglerplatine befinden sich 4x 15.000µF/50V Elektrolytkondensatoren zur Glättung der Gleichspannung. Vier NPN Leistungstransistoren vom Typ 2SC2922(o. ä.) bilden den Leistungssteller des Längsreglers. Die Leistungstransistoren verkraften bei 25 Grad Chiptemperatur insgesamt 800W Verlustleistung. Das hört sich erstmal üppig an, aber die maximale mögliche Verlustleistung nimmt bei steigender Temperatur stetig ab (480W bei 75Grad) (siehe Datenblatt: 2SC2922).
Von den Leistungtransistoren 2SC2922 gibt es auch Fälschungen auf dem Markt. Wer sich nicht sicher ist, kann sich hier informieren: Gefälschte Transistoren

Spannung- und Stromregler arbeiten als Integralregler in einen Dual OP-Verstärker (AD712, bzw. LM358 o. ä.), mit jeweils eigener Referenzspannungsquelle (TL431). Die Ausgänge der OP-Verstärker steuern über ein Dioden-ODER-Glied, den Transistor T4 (BD139). T3 (BD441) Bildet mit T6 - T9 (2SC2922) eine Darlinton-Endstufe. Über eine rote LED (Stromkonstant) und eine grüne LED (Spannungskonstant) wird auf der Frontseite des Netzteils der Status des jeweiligen aktiven Reglers angezeigt.

Längere Zuleitungen zum Verbraucher sind am Ausgang kein Problem. Spannungsabfälle auf den Ausgangsleitungen können durch die Sense-Leitungen kompensiert werden.
Aber VORSICHT! niemals die Last nur an die Sense-Eingänge anschliessen. Die Widerstände R26 und R28 (47/2W) machen das nicht lange mit. Auf der Frontplatte habe ich einen 2 pol. Schalter eingebaut der wahlweise die Senseeingänge, wenn sie nicht benötigt werden, direkt mit den Ausgangsbuchsen verbindet (U-Sense intern/extern). Optional können zwischen die  Sense-Buchse und der Zuleitung zur Reglerplatine, jeweils eine Polymer-PTC-Sicherung (PFRA.010, 100mA) angelötet werden.

Das Relais K1 schützt beim Abschalten der Netzteils, den Verbraucher am Ausgang, vor Überspannung. K1 überbrückt T4 und sperrt somit den Treibertransistor T3, wenn die positive Spannungsversorgung des Festspannungsreglers (7812) unter ca. 18V absinkt.

Um HF-Störeinstrahlungen zu minimieren sind die Zuleitung zu den 10-Gangpotis Möglichst kurz auszuführen, zusätzlich sind die Leitungen durch Ferritröhrchen geführt. Als Anzeige für Spannung und Strom habe ich handelsübliche 3 1/2 stellige LED-Digitaleinbaumessinstrumenten verwendet. Die Stromversorgungen (=5V) für die DVM´s, auf der Steuerplatine, sind von einander galvanisch getrennt.

Die "sekundär Spannungsumschaltung" schaltet bei unterschreiten von ca. 12V Ausgangsspannung, den Transformator und Gleichrichter von Brücke-, in Mittelpunkt-Schaltung um. Dadurch verringert sich die Spannung an den Ladeelkos, und der maximal entnehmbare Strom steigt. Die Verlustleistung bei kleineren Ausgangsspannungen sinkt. Als Umschalter habe ich ein KFZ-Relais, mit je einen "Schliesser" und "Öffner" eingebaut. Geschaltet wird das Relais über einen Transistor T10 (BD649) vom PIC-Controller auf der Steuerplatine.

Abb. 3: Schaltplan NT 25V/15A mit sekundärer Trafo-Umschaltung (PDF) (2400dpi)

Abb. 4: Schaltplan NT 25V/15A mit Triac-Vorregler (PDF) (2400dpi)

Die +/- Sense.Leitungen und der Anschluss für ein Amperemeter (10mV/1A) sind auf der Platine über Stecker herausgeführt.

Abb. 5: Regler  NT 25V-15A Bestückungsplan (PDF) (2400dpi)

Abb.6: Bestückte Reglerplatine

Abb. 7: Detailaufnahme der Netzteilplatine	Abb. 8: Hochstromanschlüsse: M4 Messingmuttern              und Messingschienen

Um einen Strom von 15A über Leiterbahnen (35µ) fließen zu lassen müssen diese natürlich verstärkt werden. Ich habe das mit 4x4 mm Messingschienen gemacht. Dicker CU- oder Silberdraht (4 mm²) ist auch geeignet. Auf dem Bild von der Platinenunterseite sieht man auch die Stromschiene (2x10 mm), die von dem Masseanschluss der Elkos, bis dicht an den Shunt reicht. Befestigt habe ich sie mit zwei M4 Messingabstandsbolzen, die auch mit der Leiterbahn verlötet wurden. Für die Trafoanschlüsse und den Gleichspannungsausgang wurden Messingmuttern und Messingschrauben M4 verwendet.

Abb. 9: Platinenunterseite	Abb. 10: Emitterwiderstände und Wannenstecker für die                Leistungstransistoren

Je nach Ausgangsstrom können unterschiedliche Bauformen für die Emitterwiderstände R16 bis R19 eingebaut werden.

Abb. 11: 15A-Version:  PBH-Manganin Widerstände, Pv: 20W, Gehäuse ähnlich TO-247 (mit Wärmeleitpaste auf Kühlkörper montiert). Die Basiswiderstände R30 bis R33 müssen bei dieser Variante auf der Platinenunterseite auf Abstand eingelötet werden.

Abb. 12: 15A-Version: PBH-Manganin Widerstand, Pv: 10W, Gehäuse TO-220 (mit Wärmeleitpaste auf Kühlkörper montiert)
Die Basiswiderstände R30 bis R33 werden auf der Platinenoberseite auf Abstand eingelötet.

Abb. 13: 10A-Version: Keramic-Widerstand, Pv 4W, die Emitterwiderstände werden mit einem Abstand von ca. 10mm
auf der Platinenoberseite montiert.

Die Basiswiderstände R30 bis R33 werden auf der Platinenoberseite auf Abstand eingelötet.

Steuerplatine: Lüftersteuerung , Lüfternetzteil, Einschaltstrombegrenzung
und Netzteil für 2x Digitalvoltmeter

Abb. 14: Ansicht von oben, Reglerplatine	Abb. 15: Ansicht von unten, Steuerplatine

Auf der zusätzlichen Steuerplatine befindet sich das Netzteil für die 3 Lüfter (Endstufe) und 1 Lüfter (Gleichrichter). Die Temperatur des großen Kühlkörper (Endstufe) und des kleinen CPU-Kühlkörper (Gleichrichter) werden jeweils mit einem KTY81-110 (Genauigkeit 1%) erfasst. Die temperaturproportionale Spannung wird an den Analogeingängen AN3 und AN5 des Mikroprozessor PIC 16F876A erfasst. Im Programm ist die Ein- bzw. Ausschaltschwelle auf 40 Grad eingestellt. Durch die thermische Trägheit der Kühlkörper kommt es nicht zum "flattern" des Schaltvorgangs. Auf eine programmierte Hysterese wurde verzichtet. Die digitalen Ausgänge RC5 und RC6 schalten über einen Bustreiber (74HC541) jeweils einen MOS-FET-Transistor (BUZ10), die wiederrum die Lüfter ein-/ausschalten.

Abb. 16: KTY81-110 zwischen zwei 2SC2922 montiert	Abb. 17: Gleichrichter-Kühlkörper mit aufgeklebtem KTY81-110

Das Relais K3 schaltet den Haupttransformator mit 1 Sekunde Verzögerung nach anlegen der Netzspannung ein. Der Einschaltstrom des Haupttransformators wird nun durch zwei parallel geschaltete Widerstände Rv (100 Ohm/50W) auf maximal 6,5 A begrenzt.

Abb. 18: Vorwiderstände 2x 100 Ohm je 50W (parallel geschalt.)

Nach einer weiteren Verzögerung von 0,5 Sekunden überbrückt das Relais K4 den Vorwiderstand Rv. Ein kurzer Signalton signalisiert die Einsatzbereitschaft des Netzteils. Während der Einschaltprozedur wird ein Test der Lüfter ausgeführt.

Das DVM-Netzteil erzeugt 2 x 5 Volt Ausgangsspannung, die galvanisch vom Rest des Netzteil und der Steuerschaltung getrennt sind. Die beiden Festspannungsregler sind LowDrop Typen (LM1086 +5.0). Der maximale Ausgangsstrom, pro Ausgang, beträgt 300mA.

Die Schaltung um Relais K2 führt nach einem Netzausfall einen "Reset" des Mikroprozessors aus.

Der Buzzer signalisiert die Bereitschaft der Netzteils nach dem Einschalten. Sollte durch defekte Lüfter oder durch eine zu hohe Umgebungstemperatur, die Kühlkörpertemperatur auf >70^oC ansteigen, wird ein intermittierender Ton ausgegeben und der Transformator (Tr1) wird durch Relais K3 und K4 ausgeschaltet. Das Signal und der entsprechende Lüfter läuft so lange, bis die Temperatur auf unter 40^oC fällt. Die Relais K3 und K4 für den Transformator (Tr1) bleiben bis zum erneuten Betätigen des Netzschalters oder Resettasters abgeschaltet.
Eine Unterbrechung der Temperaturfühlerleitung für zu einem dauerhaft intermittierenden Ton und zur Abschaltung des Transformators (Tr1)

Abb. 19: Steuerplatine Schaltplan 1 (PDF) (1200dpi)

Abb. 20: Steuerplatine Schaltplan 2 (PDF) (1200dpi)

Abb. 21: Steuerung Netzteil Bestückungsplan (PDF) (1200dpi)

TRIAC - Vorregler (Verlustleistungsbegrenzung)

Um die Verlustleistung an den Endstufen-Transistoren bei geringen Ausgangsspannungen, in vertretbaren Grenzen zu halten, wurde folgender TRIAC-Vorregler entwickelt. Der Opto-Koppler wird von PIN 15 des Contollers PIC16F876 angesteuert.

Der Triac-Vorregler sorgt durch Phasenanschnitt auf der primär Seite des Netztransformators dafür, dass die Gleichspannung an den Siebelkos ca. 5 Volt höher gegenüber der Ausgangsspannung des Labornetzteils ist. Der PIC-Prozessor misst über die Analogeingänge AN0 (PIN-2) und AN1 (PIN-3) die Spannung an den Elkos und die Ausgangsspannung. Wenn die Spannung an den Elkos höher als 5V gegenüber dem Ausgang ist, wechselt RC4 (PIN-15) auf H-Level. Über eine Potentialtrennung (OPTO-Koppler, CNY17) wird der Integralregler (IC302) angesteuert. Am Ausgang steht die Steuerspannung für den Phasenanschnittsteuerbaustein (TCA785) bereit.  An Pin 14 und 15 werden Zündimpulse (0 ... 180^o) in Abhängigkeit von der Steuerspannung an PIN 11 erzeugt, die den  Triac (BTA25-600) zünden. Am Trimpoti P301 kann die Geschwindigkeit eingestellt werden mit der, der Vorregler auf Spannungsänderungen am Netzteilausgang reagiert. Mit P303 wird die maximale Steuerspannung auf 10V eingestellt. P302 wird so abgeglichen das ein Steuerspannungsbereich von 0 ... 10V einem Phasenanschnitt von 0 ... 180^o entspricht (siehe Abb. 22).

Vorsicht: Die gesamte Triac-Vorregler Platine liegt auf Netzspannungspotential, mit Ausnahme der +/- Anschlüsse (1, 2) am Optokoppler (IC303, CNY17)

Abb. 22: Ansicht der Bestückungsseite des TRIAC-Prereglers

Abb. 23: TRIAC-Preregler Schaltplan (PDF) (1400dpi)

Abb. 25: Triac-Preregler eingebaut

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