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Labornetzgeräte
Hier werde ich alle von mir entwickelten Labornetzgeräte vorstellen
2.) Labornetzgerät 550VA
0...55V / 0...10A
Dieses Labornetzgerät besteht im Prinzip aus 2 hintereinander
geschaltete Regler. Einen Linearregler und davor eine
Phasenanschnittsteuerung. Bei einer maximalen Ausgangspannung von
55V und einen maximalen Strom von 10A würde im ungüstigsten Fall 600
Watt an Wärme weggekühlt werden müssen. Deshalb wird die Spannung
vorm Linearregler mit einer Phasenanschnittsteuerung auf etwa 5 bis 6V
herabgesetzt. Die maximale Verlustleistung liegt immer deutlich unter
80W.
Warum kein Schaltnetzteil?
Ein Schaltnetzteil kommt mit weniger Verlustleistung aus. Leider muss
dieser Vorteil mit einer hohen Störspannung erkauft werden.
Entstörschaltungen sind nicht einfach zu entwickeln, jedenfalls wenn
diese auch wirklich entstören sollen. Weil ich auch HF-Empfänger
entwickeln kann ich diesen Nachteil nicht hinnehmen. Die
Phasenanschnittsteuerung liegt auf der Sekundärseite des Netztrafos und
erzeugt weniger Störungen.
Beschreibung der Schaltung
Der Schaltplan besteht in 2 Teilen: der Steuerungsplatine und dem
Leistungsteil. Die Positionsbezeichnungen (Q1, R1, usw) überschneiden
sich leider. Wo nötig habe ich darauf verwiesen.
Die Steuerelektronik ist auf einer Platine untergebracht. Die Verbindung
erfolgen über mehrere Steckverbinder.
Die Spannung wird mit U3A geregelt, und der Strom mit U3B. Die
Referenzspannung von 5V wird mit D4 erzeugt. Die Spannung ist von 0V
bis 55V einstellbar über 2 Potis. Eines für den kompletten Bereich und ein
zweites zur Feineinstellung.
Der Strom ist von 0A bis 10A einstellbar. Damit auch kleine Verbraucher einfach zu betreiben sind, ist der Strom in 3 Bereichen unterteilt:
Beriech 1 = 0 bis 1,5A
Bereich 2 = 0 bis 3,5A
Bereich 3 = 0 bis 10A
Spannung und Strom werden mit 2 getrennten Digitalvoltmeter-Modulen angezeigt. Den Strom zeigt das Gerät zusätzlich mit einen
Zeigerinstrument an. Das hat sich in der Praxis bestens bewährt. Man erkennt Schwankungen und Trends an einem Analoginstrument
eindeutig besser als mit einer digitalen Anzeige.
Die Digitalvoltmeter-Module benötigen eine Betriebsspannung von 9V, die aber nicht geerdet sein darf. Dazu werden 2 getrennte 8,7V-
Wicklungen des Netztrafos verwendet.
Die Betriebsspannung für den Steuerteil wird einer getrennten 14V-Wicklung des Netztrafos entnommen.
Die beiden IGBTs Q3 und Q4 (im Leistungsteil) vom Typ IKW25N120T2 bilden den Leistungsregler. Diese IGBTs müssen kurzzeitig im
ungünstigsten Fall (also U = 55V, I = 10A, und dann ein Kurzschluss am Ausgang) eine sehr hohe Leistung vertragen.
Die Phasenanschnittschaltung wird von einen Mikroprozessor IC1 = ATtiny25 gesteuert. Der Optokoppler U4 übergibt an den Prozessor den
Nulldurchgang der 50Hz-Netzfrequenz. Dazu ist ein getrennter Netztrafo (T2 im Leistungsteil) erforderlich damit keine Rückwirkungen
entstehen. Verwendet wurde ein 30VA-Netztrafo. Dieser darf nicht kleiner sein, obwohl er nur wenige mW liefern muss. Der Grund: ein
kleinerer Netztrafo verschiebt die Phase zu stark so das der Nulldurchgang zu spät erkannt wird.
Der Triggerpuls für den Thyristor BTW69 (im Leistungsteil) wird mit Q1 und Q2 erzeugt. Dazu wird die Energie aus C21 schlagartig über den
Trafo T3 ins Gate entladen.
Mit Trimmer RV3 wird die Spannung zwischen Drain der beiden IGBTs (Q3 und Q4 im Leistungsteil) und positiven Ausgang eingestellt.
Dieser Trimmer darf nicht kleiner als 100k sein, er überbrückt den Leistungs-IGBTs. Sonst geht die Ausgangsspannung nicht mehr auf Null
Volt einzustellen.
Die Schaltung ist nicht einfach zu übersehen weil der positive Ausgang das Bezugspotential der ganzen Steuerung ist. Dieses Prinzip
vereinfacht aber die gesamte Schaltung entscheidend!
Der Prozessor steuert auch den Lüfter. Der Temperatursensor KTY10 sitzt auf dem Kühlkörper. Sobald dieser mehr als 60°C meldet, legt der
Lüfter los. Das kommt in der Praxis selten vor, vorausgesetzt man hat den Kühlkörper nicht zu geizig ausgelegt.
Der große Netztrafo hat eine Leistungswicklung von zwei mal 49V. Er leistet maximal 895VA. Ein Trafo von dieser Größe hat einen nicht zu
unterschätzenden Anlaufstrom, der manchmal einen Sicherungsautomat zum Ausschalten bringt. Zur Vermeidung dient der Vorwiderstand in
der 230VAC-Leitung von 10 Ohm/17W. Dieser wird kurz nach dem Einschalten mit Relaiskontakt K1B überbrückt. Das ist ein Relais mit AC-
Spule. Die Schaltung ist Erdfrei aufgebaut und muss am Ausgang über zwei 0,47uF-Kondensatoren mit dem Metallgehäuse verbunden
werden.
Der mechanische Aufbau
Die Schaltung habe ich in einen vorhanden Einschub meines Messplatzes eingebaut. Die Steuerelektronik mit den
Bedienelementen und der Platine sitzen auf der Rückseite der Frontplatte. Ebenso der Kühlkörper mit Lüfter. Der Lüfter
bläst die Luft durch den Kühlkörper nach vorn aus der Front. Als Kühlkörper habe ich den Typ PR169/100/SE
verwendet. Der wurde in der Mitte getrennt und mechanisch so zusammengebaut wie in der 3D-Zeichnung links zu
sehen ist. Die IGBTs Q3/Q4 (im Leistungsteil) kommen auf die eine Seite, der Thyristor auf die andere. Der Lüfter wird
so angeordnet, das die Luft durch die Kühlrippen hindurch muss. Der Leistungsgleichrichter muss ebenfalls gekühlt
werden, dessen Wärmeabgabe wird oft unterschätzt!
Der Schaltplan
Leistungsteil
Steuerplatine
Update : Rev 1.1
Die Schaltung wurde geändert weil in einigen Lastfällen die Regelung unsauber lief. Zum Zünden des Thyristors wurde statt der einfachen
Ankopplung über einen Kondensator ein 1:1-Zündtrafo (T3) verwendet.
Der Trafo T3 besteht aus:
Ringkern d=25, Material N30
n = 2 x17 Windungen, 0.35CuL
Die Induktivität einer Wicklung beträgt etwa 0,4mH. Die Daten des Trafos sind unkritisch, beinahe jeder 1:1-Trafo wird funktionieren. Die
Ansteuerung durch Q2 wurde entsprechend geändert. Die beiden VMOS-Leistungstransistoren wurden gegen stärkere IGBTs ausgetauscht.
Der dazu gekommende Kondensator C6 = 6uF ist ein “Anlaufkondensator”. Damit wird die Streuinduktivität des Trafos kompensiert. Ohne
diesen Kondensator kann der Thyristor bei großen Kurzschlußströmen (>8A) nicht immer zuverlässig sperren.
Außerdem im Steuerteil geändert:
R1 wurde von 4k7 auf 1k, R24 entfällt, C22 durch Brücke ersetzt.
Im Leistungsteil geändert:
C3 entfällt, VMOS Q3 und Q4 durch IGBTs ersetzt,
C6, C11, D3 und R3 zusätzlich.
Der Schaltplan (oben) ist auf neuen Stand. Das Platinenlayout wurde nicht geändert.
Falls jemand das Gerät nachbauen will
Den gleichen Netztrafo wird man wohl kaum am Markt beschaffen können. Man kann jeden anderen Netztrafo mit der gewünschten Leistung
verwenden. Die Software im ATtiny25 ist so ausgelegt, das auch andere Spannungen bearbeitet werden. Natürlich sollte man anstatt der
zwei 49V-Wicklungen eine einzige mit Brückengleichrichter verwenden.
Die übrigen Spannungen (2 mal 8,7V und 14V) kann man mit getrennten Trafos realisieren. Für die Einstellung der Spannung sollte man
besser ein präzises Mehrgangpoti einsetzen anstatt der beiden grob/fein-Einsteller.
ACHTUNG: wegen der doch nicht ganz kleinen Leistung “im” Gerät sollte nur jemand mit guten Kentnissen dieses Gerät nachbauen. Der
kleinste Fehler und alles fliegt einem um die Ohren!
Download
alle KiCAD-Dateien und die HEX-Datei für die Software im ATtiny
Die Schaltpläne sind mit den kostenlosen Programm KiCAD erstellt worden. Alle KiCAD-Dateien stehen hier zum Download bereit.
KiCAD ist ein komplettes und nicht eingeschränktes Schaltplan / Leiterplatten Programm. Das kann kostenlos heruntergeladen werden.
Wegen der www-Adresse bitte googeln.
Wer KiCad nicht kennt:
Die Dateien sind ge"zip"t. Das ent"zip"en kann man auch mit KiCAD machen wenn man kein Programm dafür hat. Im Menü "Datei" unter
"Entpacke Archiv". KiCAD arbeitet am besten wenn jedes Projekt ein eigenes Verzeichnis erhält. Deshalb die Dateien in ein eigenes
Verzeichnis kopieren.
NTG9100.* = Leistungsteil
NTG9101.* = Steuerplatine
NTG91V10.HEX = Software für den ATtiny