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4-Quadranten-Labornetzgerät +/-40V / 100W  (1/3)

Programmierbar

4-Quadranten-Netzgeräte können sowohl positive und negative Spannungen erzeugen, wie auch positive und negative Ströme liefern und aufnehmen. Sie sind als Quelle und als Senke einsetzbar. Mein Gerät kann vier Betriebsarten mit je 8 Programme. Die Funktion ist am einfachsten mit einer Bedienungsanleitung zu beschreiben. Danach kommt die Beschreibung des Schaltbildes und zuletzt die Mechanik.   Ich hatte mir zur Bedingung gemacht, nur solche Teile zu verwenden, die sich bereits in meinen Bastellager befinden. Das erklärt die teilweise ungewöhnliche Schaltung und Konstruktion.

Meine Überlegungen

Für dieses Gerät wollte ich die selbe Gehäusekonstruktion wie bei meiner 360W-Stromsenke verwenden. Die maximale Leistung wie bei dieser kann ein 4Q-Gerät nicht bringen weil ein größeres Netzteil für die Stromversorgung dazukommt. Die Nennleistung habe ich auf 100W festgelegt. Eigentlich sollte dort ein primär getaktetes Schaltnetzteil reinkommen. Das war schon fertig und funktionierte sehr gut. Leider konnte ich die Störungen trotz Abschirmung und Filterketten nicht gänzlich beseitigen. Deshalb habe ich zum Schluss das SNT entfernt und ein 160VA-Ringkerntrafo eingesetzt. Der passte gerade eben noch an der Stelle des SNT ins Gehäuse. Leider hat diese Lösung ein Nachteil. Im Leerlauf geht die Betriebsspannung von +/- 43V auf +/- 53V hoch. Bein SNT war der Unterschied nur 2V. Deshalb musste ich die 100V-Typen (IRF540,IRF9540) gegen 200V-Typen (IRF640,IRF9640) austauschen. Die TO220-VMOS haben einen Wärmewiderstand von 1K/W. Es werden 4 VMOS pro Polarität verwendet, also 25W pro VMOS. Daraus errechnet sich eine maximale Temperatur des VMOS, besser gesagt dessen Kühlfahne, von (150 -25 =) 125 Grad. Als Kühlkörper verwende ich einen CPU-Kühler auf ein 10mm starkes Alublech und 2 Lüfter. Der Wärmewiderstand dieser Anordnung beträgt 0,46K/W (Messwert). Das ergibt einen Temperaturunterschied zur Umgebungsluft von (100W x 0,46K/W =) 46 Grad. Die VMOS werden mit Isolierscheiben aus Aluminiumoxyd aufgeschraubt. Die Wirkung diese Scheibe habe ich vorsichtshalber gemessen. Ohne Wärmeleitpaste beträgt der Wärmewiderstand > 1,2K/W, mit beidseitige dünne Paste waren es dann nur noch 0,4K/W. Daraus ergibt sich eine Temperaturdifferenz von 10 Grad. Bei einer Umgebungstemperatur von 25° und einer Last von 100W an alle VMOS hat die Kühlfahne eine Temperatur von (25+10+46/4+25=) 71,5°. Am fertigen Gerät habe ich im Dauerlauf gemessen: (42,4V x 2,5A =) 106W, Raum = 20°, VMOS = 70°. Das stimmt mit den berechneten Werten einigermaßen überein. Leider kann bei einen 4Q-Gerät die Verlustleistung im ungünstigsten Fall erheblich höher werden. Damit das zu keiner Zerstörung führt überwacht die CPU die Temperatur. Bevor eine Gefahr besteht wird über ein Relais der Ausgang getrennt. Gefahr besteht wenn: eine externe Quelle -42V liefert (über 42V trennt die Überspannungserkennung) und das 4Q-Gerät auf +40V steht und der Strom nur ganz knapp unter der Strombegrenzung ist. Dann werden 4 VMOS mit ((42+40)x2,5=) 205W belastet, also pro VMOS mit 51,25W. Die Kühlfahne des VMOS darf dann nicht über 99° kommen. Der Kühlkörper darf bei 205W nicht über (99-205x0,46 =) 4,7°kommen, das geht also schief. Deshalb berechnet die CPU die Anstiegsgeschwindigkeit der Temperatur um diese Gefahr früh genug zu erkennen. Die Temperatur des Kühlkörpers wird zusätzlich permanent auf dem LCD angezeigt. In der Endstufe verwende ich keine H-Brücke sondern eine Lösung mit symmetrischer Versorgung von +/-43V. Das ist etwas einfacher zu verwirklichen. Es wird immer nur eine Seite belastet, von einen notwendigen Ruhestrom mal abgesehen.  

Bedienung

Betriebsart “Linear”

In dieser Betriebsart liefert das Gerät eine konstante Gleichspannung oder -Strom. Als Quelle und als Senke einsetzbar. Mit den Programmschalter können gespeicherte acht Datensätze ins LCD geholt werden. Die Werte erscheinen sofort am Ausgang, falls das Ausgangsrelais eingeschaltet ist. Das ist an der grünen LED zwischen den beiden Laborbuchsen zu erkennen. Die Programm-Nummer wird in der 1.Zeile angezeigt. Links im LCD ist ein Pfeil (= Cursor), der mit den beiden Pfeiltasten bewegt wird. Er zeigt auf die editierbaren Daten. Die Daten können mit zwei Einstellern editiert werden. Die Einsteller werden mit den Tasten darüber aktiviert. Analog: das ist ein Poti, wird von der CPU gelesen und verarbeitet. Damit wird der komplette Bereich, z.B. von -40V nach +40V, mit einer einzigen 270°-Drehung durchfahren und ausgegeben. Eignet sich auch gut als “Grob”-Einsteller. Digital: das ist ein Inkrementalgeber, wird von der CPU je nach Drehtempo in variable Schritte verarbeitet. Ist als “Fein”-Einsteller geeignet. Weil das Analog-Poti die Werte ungefragt sofort überschreibt schaltet die CPU zuerst immer auf Digital. In der 2.Zeile Steht der Betriebsarten-Text “Linear”. Daneben wird der Regler (Spannungs- oder Strom-) angezeigt und ist mit Einsteller Digital umschaltbar. In der 3.Zeile wird je nach Reglerart die Spannung oder der Strom angezeigt. Diese Einstellungen werden in 16bit-Auflösung ausgegeben. In der 4.Zeile wird nur beim U-Regler die Strombegrenzung angezeigt. Die Strombegrenzung ist nur beim U-Regler erforderlich und wirkt in beiden Polaritäten. Die Strombegrenzung wird in 8bit-Auflösung ausgegeben. Die Memo-Betriebsart kann jederzeit dazu aktiviert werden. Wenn Memo aktiv ist erscheint im LCD in der 1.Zeile der Text “Memo Aufnahme”. Die OK-Taste bewirkt das die im LCD stehenden Daten ins EEPROM unter der Programm-Nummer gesichert werden. Die X- Taste holt die vorigen Daten zurück falls die OK-Taste noch nicht verwendet wurde. Wenn Memo nicht aktiv ist erscheint im LCD in der 1.Zeile der Text “Programm”. Dann haben die OK / X -Tasten eine andere Funktion. Mit OK wird der Ausgang über das Ausgangsrelais eingeschaltet. Mit der X-Taste wird ausgeschaltet. Die Stellung des Relais bleibt unverändert nach Wahl eines anderen Programms oder auch bei Memo ein/aus. Alle Daten sind im laufenden Betrieb einstellbar. Ebenso wirkt der Programmschalter sofort.
Pfeiltasten: Cursor bewegen
Digital verändert Daten
Analog überschreibt Daten
Programmschalter Auswahl von 8 Speichern
Wenn Betriebsart Memo aktiv: OK schreibt Daten ins EEPROM X    holt die vorigen Daten zurück Wenn Betriebsart Memo nicht aktiv: OK schaltet das Ausgangsrelais ein X    schaltet das Ausgangsrelais aus
Ausgang ist aktiv wenn grüne LED leuchtet
Spannungs-Monitor 10 : 1
Strom-Monitor 0,1V = 1A
Eingang: +/-5V = +/-40V am Ausgang
Betriebsart-Tasten: Linear: DC, U-Regler oder I-Regler Profil: programmierbares Spannungs- oder Strom-Profil Akku: programmierbarer Ablauf, Akkus oder Baterien testen Laden und/oder Entladen Memo: sichert die sichtbaren Daten ins EEPROM nach betätigen der OK-Taste Extern: Verstärker mit einstellbarer Strombegrenzung
Untere Zeile im Display: permanente Anzeige der Messwerte für Spannung, Strom und die Kühlkörpertemperatur

Betriebsart “Profil”

Diese Betriebsart arbeitet genau so wie “Linear”, aber mit bis zu 48 programmierbaren Sollwerten, die in einen Zyklus nach Ablauf einer Zeit nacheinander ausgegeben werden. Die Datensätze eines Programms nenne ich im Folgenden “Knoten”. In der 1.Zeile des LCD erscheint “Programm” oder “Memo Aufnahme” und die Programm-Nummer. In der 2.Zeile links erscheint der Betriebsartentext “Profil”. Daneben sind mit “Digital” einstellbar: U-Regler, I-Regler, Ende oder Profil. In der 3.Zeile ist die Knoten-Nummer. Möglich sind 1 bis 48. In der 4.Zeile ist eine Zeit einstellbar bis 65 Sekunden, Auflösung in 1ms. Die 5.Zeile enthält den Sollwert der Spannung (U-Regler) oder des Stromes (I-Regler). Einstellbar von -40V bis +40V oder, wenn I-Regler, -2,5A bis +2,5A. In der 5.Zeile steht die Strombegrenzung für den U-Regler. Einstellbar bis 2,5A, Auflösung 10mA. Die Sollwerte für Spannung und Strom wird mit 16bit ausgegeben, die Strombegrenzung nur mit 8bit. Wenn Memo aktiv ist, machen die Tasten OK und X das selbe wie bei Linear. Wenn Memo nicht aktiv ist, reagieren die OK / X -Tasten anders: Die Taste OK schaltet beim ersten betätigen das Ausgaberelais ein. Die im LCD stehenden Werte werden ausgegeben ohne den Zyklus zu starten. Alles was man jetzt an den Daten im LCD verändert erscheint sofort am Ausgang. Durch verstellen der Knoten-Nummer kann durch die Datensätze zwecks Kontrolle durchgeblättert werden. Erst wenn die OK-Taste ein zweites mal gedrückt wird, startet der Zyklus. Der Ablauf eines Zyklus: Der Zyklus startet mit den im LCD stehenden Knoten, sollte man vorher auf 1 stellen. Bis zum Ablauf der Zeit wird die Spannung (oder Strom) zeitlinear ausgegeben. Ist die vorige Spannung die selbe, entsteht eine Gerade. War die Spannung (oder Strom) ein anderer Wert, entsteht eine zeitlineare Flanke. Danach geht es mit den folgenden Knoten weiter. Steht im Knoten “Ende” wird der Zyklus angehalten und der letzte Wert bleibt dauernd am Ausgang. Steht im Knoten “Periode” beginnt der Zyklus von Vorn und wiederholt unendlich. Der Zyklus wird mit der X-Taste angehalten, dar Ausgang wird getrennt. Wenn im laufenden Zyklus der Programmschalter ein anderes Programm wählt, wird der Zyklus angehalten und der Ausgang getrennt. Für die Ausgabe eines Rechtecksignals sind 5 Knoten nötig, für ein Dreiecksignal nur 3 Knoten. Weiter unten zeige ich noch Beispiele mit Oszilloskop-Bilder.

Betriebsart “Akku”

Mit dieser Betriebsart können Batterien oder Akkus getestet und deren Kapazität gemessen werden. Für jedes der 8 Programme können 8 Datensätze (Knoten genannt) gespeichert werden. Jeder Knoten ist ein kompletter Lade- oder Entlade- Zyklus. Nach starten eines Zyklus werden nacheinander die programmierten Knoten abgearbeitet. Es gibt 3 verschiedene Knoten: 1.) Laden mit konstanter Spannung. Geladen wird mit der bei “Lade-U” eingestellten Spannung und mit den bei ”I-max” eingestellten Ladestrom. Beendet ist der Vorgang wenn der Ladestrom den Wert in “Ende-I” unterschreitet oder die Zeit in “Timout” abläuft. 2.)Laden mit konstanten Strom. Geladen wird mit den bei “Lade-I” eingestellten Strom. Beendet wird der Vorgang wenn die Spannung den bei “Ende-U” eingestellten Wert übersteigt oder die Zeit “Timout” abläuft. 3.) Entladen mit konstanten Strom. Entladen wird mit den bei “Entl-I” eingestellten Wert. Beendet wird der Vorgang wenn die bei “Ende-U” eingestellte Spannung unterschritten oder die Zeit “Timout” abläuft. Durch mehrere Knoten  hintereinander kann man zum Beispiel einen Akku erst komplett entladen, dann eine Pause, dann wieder Aufladen, wieder komplett Entladen und beenden. Dafür müssen 5 Knoten programmiert werden, der letzte (5.) muss die Timout = 00:00:00 enthalten. Beendet wird ein Zyklus wenn die “Timout” eines Knotens auf 0 gesetzt ist. Danach kann man in der 7.Zeile die gemessene Kapazität ablesen. Das wird für jeden Knoten eines Programms getrennt berechnet und einsehbar. Wenn Memo aktiv ist, sind in der 7.Zeile beim Vorgang “Laden U-Konst.” der maximale Ladestrom einzustellen. Wenn Memo nicht aktiv ist, erscheint hier die gemessene Kapazität. Alle Knoten haben einen eigenen Puffer für die Kapazität. Der kann eingesehen werden solange kein anderes Programm gewählt wird. Startet man mehrere Zyklen hintereinander, das geht ohne Probleme, werden die neuen Werte (Ah) auf die alten des selben Knotens addiert. Die OK / X -Tasten funktionieren, wenn Momo aktiv, ist wie bei den anderen Betriebsarten. Wenn Momo nicht aktiv ist, funktionieren sie wie bei der Betriebsart Profil. Wenn der Zyklus aktiv, also gestartet ist, ist die Bedienung des Programmschalters wirkungslos.

Betriebsart “Extern”

 In dieser Betriebsart ist das Gerät ein Verstärker mit durchgehender DC-Kopplung. Bei einer Eingangsspannung von +/-5V erscheinen am Ausgang +/-40V. Nur als U-Regler verwendbar, I-Regler wurde nicht vorgesehen. Die Strombegrenzung ist einstellbar und kann in 8 Programme gespeichert werden. Die Strombegrenzung ist in beiden Polaritäten in der selben Höhe wirksam, obwohl immer ein + davor steht. Die Bedienung der OK / X -Tasten ist mit Betriebsart Linear identisch. Wenn die Eingangsspannung zu hoch ist und deshalb auch die Ausgangsspannung, trennt die Überspannungserkennung den Ausgang.

Technische Daten und Testergebnisse

Reaktionszeit des Stromreglers Wenn am Ausgang (I-Regler!) keine Last angeschlossen ist, geht die Spannung auf die maximale Betriebsspannung von ca. 52V hoch. Wenn dann ruckartig eine Last (z.B. ein Prüfling) kommt, kann es für beide (Gerät und Prüfling) problematisch werden. Ein solcher Fall ist auf den Oszi-Bildern gut zu erkennen. Die blaue Kurve zeigt den Strom (invertiert) und die gelbe die Spannung. Das obere Bild zeigt das innerhalb der ersten 1,6ms nach der Triggerung. Das untere Bild zeigt die Strom-Nadel am Anfang stark gedehnt. Siehe Zeitachse. Um Schäden zu vermeiden schaltet die CPU, wenn eine Laste fehlt, den gewünschten Strom auf den niedrigsten Wert. Die fehlende Last meldet die Überspannungserkennung. Wenn die Last kommt, also die Überspannung auf einen Wert unter der Überspannungserkennung fällt, leitet die CPU wieder den richtigen, gewünschten Wert weiter. Sofort nach Anschluss der Last geht der Strom auf maximal 4A hoch. Das wird durch einen “Notbremse” - Transistor in der Endstufe auf diesen Wert begrenzt. Ohne diese “Notbremse” wird der Strom viel zu  hoch. Nach etwa 50us reagiert die Stromregelung und regelt auf den Minimalwert herunter. Nach etwa 0,8ms schaltet die CPU wieder auf den gewünschten Strom von 1A.
Strombegrenzung beim U-Regler Die Reaktion einer Strombegrenzung wird hier gezeigt (U-Regler!). Das Bild entsteht wenn man ruckartig einen Widerstand an den Ausgang steckt. Die blaue Kurve zeigt den Strom (invertiert) und die gelbe die Spannung.
Betriebsart Profil Hier ist ein mit 3 Knoten programmierte Dreieckkurve zu sehen. Links ohne Last Rechts mit Last und Strombegrenzung. Hier ist ein mit 5 Knoten programmierte Rechteckkurve zu sehen. Links ohne Last Rechts mit Last und Strombegrenzung
Links eine gedehnte Darstellung der Kurve mit Strombegrenzung der Rechteckkurve. Rechts ist die Simulation einer 12V-Kfz-Versorgung beim Anlassen zu sehen. Für dieses Profil waren 17 Knoten nötig.
Betriebsart Extern
An den Eingang ist ein Funktionsgenerator angeschlossen. Sinuskurve 1kHz Links ohne Last Rechts mit Last und Strombegrenzung Dreieckkurve 1kHz Links ohne Last Rechts mit Last und Strombegrenzung Rechteckkurve 1kHz Links ohne Last Rechts mit Last und Strombegrenzung
Technische Daten: Max. Spannung und Strom: +/-40V und +/-2,5A Grenzfrequenz als Verstärker: 0db ca.2,5kHz  -3dB ca. 9kHz Programme Betriebsart Linear: 8 Programme mit je 1 Datensatz Programme Betriebsart Profil: 8 Programme mit je 48 Datensätze (Knoten) Programme Betriebsart Akku: 8 Programme mit je 8 Datensätze (Knoten) Programme Betriebsart Extern: 8 Programme mit je 1 Wert Strombegrenzung Max. Strom bei Kurzschluss: ca. 3,6A für ca. 50us Reaktionszeit der Regler: etwa 50us Max. Dauer-Leistung: 100W Überlastschutz gegen: Übertemperatur, Überspannung Software Durchlauf / Reaktion: mind. 82us max. 162us Programmiersprache: Assembler Quelldateien: 30 mit insgesamt 7085 Zeilen Code
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