Motivation und Anforderung
Als Student hatte ich in den 1990er Jahren ein Universal-Netzteil gekauft, welches billig und für meine damalige Zwecke ausreichend schien. Irgendwann kaufte ich mir ein besseres, welches ich fortan auch nutzte. Als ich einmal mehrere Ausgangsspannungen benötigte und das alte Netzteil hervorkramte, musste ich feststellen, dass dieses defekt war. Im Innern überraschte mich ein komplizierter Aufbau mit kyrillisch bezeichneten Bauelementen. Reparaturfähig war das alles nur bedingt und ich stellte es wieder zurück (ich kann Dinge halt nicht wegschmeißen).
Später bin ich bei Ebay auf einen 700 VA Ringkerntrafo aufmerksam geworden und mir fiel das im Schrank stehende Netzteil ein. Für wenig Geld war dieser Trafo mein und ich dachte intensiver über das Projekt „Labornetzteil“ nach. Für etwas Geld kaufte ich ein programmierbares Labornetzteil DPS5015 mit der zugehörigen USB-Schnittstelle. Damit wäre ich in der Lage sehr präzise Ausgangsspannung (bis 0-50 Volt) und -strom (0-15 A) einzustellen. Mit dem USB-Erweiterungsmodul könnte man dieses auch von einer externen Hardware (PC) steuern.
Realisierung
Nach ein paar Tagen stand das Grobkonzept fest. Der Filter nach dem Kaltgeräte-Stecker dient der Entstörung. Es folgt eine Einschaltstrombegrenzung und der Ringkerntrafo stellte die Wechselspannung bereit. Mit zwei Doppeldioden und ca. 10 Elkos wurde eine Gleichspannung von ca. 60 Volt bereitgestellt. Diese sollte die Eingangsspannung für das elektronische Netzteil sein.
Der Ringkerntrafo benötigte noch eine Einschaltstrombegrenzung. Das alles musste in das vorhandene Gehäuse des alten Netzteils passen.
Warum ist bei Ringkerntrafos eine Einschaltstrombegrenzung nötig?
Ringkerntrafos mit ihrem Ferritkern können ein sehr hohen Einschaltstrom haben. Dieser kann mehrere Ampere betragen und damit die Leitungsschutzschalter im Haus auslösen. Die Ursache liegt im magnetischen Speicherverhalten des Ferritkerns. Wird die Stromzufuhr im Augenblick der höchsten Magnetisierung ausgeschaltet, bleibt diese Magnetisierung bis zum nächsten Einschalten erhalten. Wird jetzt die Spannung wieder eingeschaltet, fließt wieder der Strom durch die Wicklung und kann jetzt in Abhängigkeit der Stromflussrichtung (Sinushalbwelle) ein Magnetfeld in gleicher Orientierung wie das im Ferritkern gespeicherte Magnetfeld erzeugen. Da aber das (gespeicherte) Magnetfeld den Sättigungsgrad erreicht hat, wird sich dieses Magnetfeld bis zur nächsten Halbwelle nicht ändern können. Die Folge davon ist, dass im Augenblick des Einschaltens bis zur nächsten Halbwelle kein sich änderndes Magnetfeld existiert und dadurch kein Induktionsstrom erzeugt wird, der seiner Ursache entgegenwirken könnte (Induktionsgesetz). Im Augenblick des Einschaltens wirkt damit nur der ohmsche Wicklungswiderstand und die resultierende Stromstärke könnte den Leitungsschutzschalter auslösen.
Eine Unwägbarkeit hatte ich: Laut Aufdruck lieferte der Trafo 2x 42 Volt. Die Spitzenspannung ergibt sich dann mit 59,4 Volt. Die Leerlauf-Gleichspannung würde also in gleicher Höhe liegen. Wenn die Ausgangsspannung des Trafos nur ein paar Millivolt höher liegt, dann würden die maximale Eingangsspannung von 60 Volt für das elektronische Netztteil überschritten werden. Zu diesem Zeitpunkt hoffte ich allerdings, dass diese Problematik nicht relevant werden würde - das war ein Irrtum!
Schaltung
Aus dem folgenden Schaltbild geht die Einschaltstrombegrenzung hervor. Diese Schaltung habe ich vom Elektronik-Kompendium entnommen. Die Herausforderung bestand hier im Einbau einer entsprechenden Platine unter den beengten Möglichkeiten. Die Platine musste ich zwischen Netzfilter und Gehäuse montieren. Die Bauelemente auf der Platine (Relais, NTC-Widerstände) wurden so platziert, dass diese nicht mit anderen Hardware-Komponenten kollidierten. Zur Gehäusewand wurden die Leiterzüge auf der Platine mit einer transparenten Plastikplatte isoliert, sodass eine Berührung 230 Volt führenden Leiterzüge durch die Luftschlitze des Gehäuses ausgeschlossen ist.
Das Kondensatornetzteil liefert bei 24 Volt ca. 20 mA. Das Kondensatornetzteil wird wieder mit einer 100 mA Sicherung abgesichert. Wie ich in meiner Dokumentation zur Reparatur einer Master-Slave-Steckdose beschrieb, ist eine solche Sicherung nicht bei allen industriellen Produkten Standard. Das Fehlen einer solchen Sicherung halte ich für fahrlässig. Nach dem Einschalten der Netzspannung wird das Relais entsprechend der Zeitkonstante von R9/C6 verzögert eingeschaltet. Bevor das Relais schaltet, fließt der Strom durch die in Reihe geschalteten NTC-Widerstände von insgesamt 110 Ohm. Mit dem Schalten des Relais werden die NTC-Widerstände überbrückt.
Die 42 Volt Ausgangsspannung wird von zwei Doppeldioden gleichgerichtet. Diese sind auf einer zweiseitigen Leiterplatte so installiert, dass die obere Fläche der Leiterplatte die negative und die untere Fläche die positive Gleichspannung führt. Die Kondensatoren sind entsprechend mit dem unteren bzw. oberen Layer der Leiterplatte verbunden. Dadurch ergeben sich auf der Leiterplatte keine enge Strompfade mit hohen Strömen, die Störungen verursachen könnten. Die so erzeugte Gleichspannung ergab tatsächlich 60,x Volt und steht als nicht stabilisierte Spannung auf der Frontseite des Netzteils zur Verfügung. Eine rote LED zeigt an, dass diese Gleichspannung zur Verfügung steht.
Diese Gleichspannung wird nun zum elektronischen Netzteil geführt. Der Ausgang des Netzteils wird zu den insgesamt vier Klemmbuchsen auf der Frontseite geführt. Eine Flachbandleitung verbindet das elektronische Netzteil mit der Display-Einheit.
Problematik mit der zu hohen Eingangsspannung für das elektronische Netzteil
Wie ich oben bereits schrieb, trat genau das ein, was ich nicht erhofft hatte. Die Gleichspannung betrug manchmal 61,x Volt. Das elektronische Netzteil versagte den Dienst und schaltete bei dieser (zu hohen) Eingangsspannung erst gar nicht ein. Bis 60,9 Volt hatte ich offensichtlich keine Probleme. In der Konsequenz ließ sich das Netzteil manchmal einschalten und manchmal eben nicht.
Die theoretische Möglichkeit, ein paar Wicklungen vom dem in Harz vergossenen Ringkerntrafo abzuwickeln, ergab sich nicht. Ich kam auf eine eher unkonventionelle Lösung: Vor dem Eingang des elektronischen Netzteils brachte ich eine kleine Stabilisierungsschaltung mit einer Z-Diode ein. Diese kleine Stabilisierungsschaltung sollte die Eingangsspannung auf maximal 60 Volt begrenzen. Wenn zwischen den Glättungskondensatoren und dem Eingang des Netzteils ein Spannungsunterschied von 2 Volt existiert, dann würde sich bei einem Strom von 10 Ampere eine Verlustleistung von 20 Watt ergeben, die in Wärme umgesetzt wird. Dies sollte sich durch entsprechende Leistungstransistoren ermöglichen lassen.
Um die thermische Last dieses Leistungstransistors zu reduzieren, wolle ich mir ein paar Transistoren ausmessen und diese parallel schalten. Ich hatte in meiner Bastelkiste jede Menge alte Leistungstransistoren KD606 von Tesla. Aus dieser Menge suchte ich mir drei heraus, die nahezu identische Kennlinien hatten, um diese parallel schalten zu können.
Die finale Schaltung ist im folgenden Bild zu sehen.
Die drei Transistoren KD606 haben einen Kühlkörper, der mit dem Gehäuse thermisch verbunden ist. Damit wird auch die Wärme über das Gehäuse abgeführt. Die Transistoren sind über Glimmerscheiben isoliert.
Detailbilder
Erfahrungen mit dem Netzteil
Das Netzteil hat bei mir einen Stammplatz am Arbeitsplatz bekommen. Ich habe bisher nicht die mögliche Störstrahlung gemessen. Die sehr präzise Einstellung von sehr geringen Spannungen ist der eigentliche Vorteil dieses Netzteil, insbesondere zum jetzt in die Jahre gekommenen analogen Netzteil.
Ob das Netzteil thermisch stabil genug ist, wollte ich natürlich auch wissen. Ich ließ es ein Weile bei 12 Volt mit 14,5 Ampere laufen. Bei 174 Watt (laut Display) wurden folgende Temperaturen an den Bauelementen gemessen:
- Leistungstransistoren: 51 - 52 °C
- Gleichrichter-Dioden: 58 - 59 °C
- Treibertransistor: 44 °C
- Emitterwiderstände: 45 - 47 °C
Thermisch blieben Transistoren und die Emitterwiderstände unbeeindruckt. Die Kollektor-Emitter-Spannung liegt im unbelasteten Zustand bei 3,2 - 3,3 Volt. Bei einem Strom von 4,4 Ampere (63 Watt) sinkt diese auf ca. 2,7 Volt. Ab einem Strom von 9 Ampere (108 Watt) sinkt diese auf weniger als 2,5 Volt. Ich erwarte also keine thermischen Probleme. Ich glaube aber auch nicht, dass ich in einer Leistungsklasse von 600 Watt (42 Volt Akku mit 15 Ampere laden) eine Schaltung testen werde.
Ab 80 Watt beginnt der Lüfter des Netzteils taktend zu arbeiten. Ab 100 Watt läuft er (geräuscharm) ständig.
Ich hatte auch das USB-Erweiterungsmodul mit eingebaut. Von der Seite des Herstellers kann man die entsprechende Windows-Software / Windowstreiber herunterladen. Auf einem alten PC eines Freundes habe ich diese Windows-Software ausprobiert. Zwei bunte Bilder sind unten zu sehen. Diese Software lässt sich nicht wirklich fürs Labor verwenden. Außer der farbenfrohen Darstellung sehen wir viele grafische Elemente, die modern wirken. Hier hat sich der Entwickler dieser Software selbst verwirklicht. Was er nicht so beachtet hat, was aber der Verwendbarkeit gut tun würde, ist die Darstellung von Informationen. Aus dem zweiten Bild gehen die eingestellten Spannungen nicht vollständig hervor. Sichtbar sind die Zahlen 2,14 Volt. Die „1“ davor sieht man nicht. Es ist ein Unterschied, ob ich eine Schaltung mit 2 Volt oder 12 Volt betreibe. Die Folge solcher Fehler müssen nicht näher erläutert werden. Des weiteren scheint auch die Programmierung von „Steps“ nicht richtig zu funktionieren. Der „Step 1“, den ich programmiert hatte, wurde nicht ans Netzteil geschickt; die Sequenz begann immer mit dem „Step 2“. Für mich zeigt sich wieder, wie viel Schrott von kommerziellen Herstellern für Windows produziert wird. Das hat nichts mit dem Windows-Betriebssystem zu tun, sondern hat mit der Nachlässigkeit einiger Software-Hersteller und (leider) auch mit dem Drang zur Selbstverwirklung einiger Software-Entwickler zu tun.
Ist in Linux alles besser? Bestimmt nicht. Allerdings lässt sich das nicht immer vergleichen. Auf der einen Seite agiert eine Milliarden-schwere Industrie, auf der anderen Seite viele lose organisierte Entwickler in einer großen Community (auch mit teilweiser Unterstützung der Industrie). Und wenn man dies miteinander vergleicht, dann hat die Community einiges erreicht und das ohne den Kommerz in den Vordergrund zu rücken. Sicherheitstechnisch ist es sowie das Letzte, was die Windows-Industrie für (zu viel) Geld anbietet.
Vom Hersteller des Netzteils wird der Source-Code für Linuxtreiber mitgeliefert. Eine Programm-Spezifikation habe ich auf Nachfrage vom Hersteller sofort erhalten. Damit wäre man zumindest in der Lage eine Anwender-freundliche Applikation für Linux (und auch für Windows) zu programmieren. Das werde ich vermutlich nicht tun, da ich noch viele andere unerledigte Projekte habe.
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