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Stromversorgung

Stromversorgung Leistungsteil

mit Schaltnetzteilen

Zur Versorung des Leistungsteils wird noch ein Schaltnetzteil mit mindestens 36V/3A benötigt. Der Vorteil des Schaltnetzteiles ist der bessere Wirkungsgrad und daraus resultierend die geringere Abwärme und das geringere Gewicht.
Leider kann sich die Schaltfrequenz des Schaltnetzteiles am Ausgang bemerkbar machen. Von daher empfehle ich einen konventionellen Trafo.

mit Trafo

Damit steht bei meinem Trafo eine Ausgangsspannung von 30Volt und 2Ampere zur Verfügung. Grund ist der Leistungsverlustfaktor von ca. 1,8 der bei einem Trafo zu berechnen ist.

Formel: Graph

Das macht bei meinem 100VA-Trafo nur effektive 55,5VA. Bei einem 180VA-Trafo mit 2x 15V wären auch 30V/3A möglich.

Graetzbrücke mit Siebelkos:

Gleichrichtung mit Glättung (anklicken zum vergrößern)

Die 8000µF funktionieren nur wenn auch vom Trafo noch eine genügend große Leistungsreserve vorhanden ist. Da mein Trafo eher unterdimensioniert ist musste ich 15000µF vorsehen.

Stromversorgung Regelungseinheit

Für die Versorgung des Regelungsteils und des Digitalteils ist ein 9V-Trafo zuständig mit der Beschaltung nach [3] . Die ungeregelte Versorgung der OPVs birgt keine Probleme, da die +/-12V nur zur Versorgung der OPVs dienen.

Nachtrag: Da die Leerlaufspannung des kleinen Trafos zu hoch ist habe ich noch für die symmetrische Versorgung 2 10Volt Z-Dioden incl. Vorwiderstände am Ausgang eingebaut.

Stromversorung Regelung und Digitalteil

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Die Nutzung eines DC/DC-Konverters scheiterte am hohen Störpegel des 5V-Ausgangs des getesteten Konverters. Es waren kurze Spikes auf dem Oszilloskop zu sehen bei einer Grundlast von 10mA. Es ist zu befürchten, dass sich diese Störungen auf die Regelung und die Ausgangsspannung auswirken.

Zusatz-Stromversorgung

Zusätzlich zu der regelbaren Spannungsquelle soll es noch weitere Spannungsquellen geben. Meistens benötigt man 5Volt für Digitalschaltungen wie einen AVR-Mikrocontroller und für eine Versorgung von OPVs meistens +/-12Volt. Dafür kann man dann die fest vorgegebenen Spannungsquellen nutzen. Für die 5Volt nutze ich ein 7,5V-Schaltnetzteil, das als Steckernetzteil ausgeführt ist. Für die +/-12Volt nehme ich einen Flachtrafo 230V/2x15V. Zur Regelung kommen klassische Längsregler zum Einsatz. Diese tragen auch zu effizienten Unterdrückung von Störungen bei.

Zusatz-Stromversorgung

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Überstromsicherung

Eigentlich wollte ich die Absicherung der Zusatzstromversorgungen mit Schmelzsicherungen machen. Keine Ahnung was mich da geritten hat. Im Nachhinein stellt sich das als eine Fehlplanung heraus. Ich wäre nur am Sicherungswechseln gewesen. Desweiteren sind Schmelzsicherungen eher etwas träge im Ansprechverhalten, selbst die flinken. Also habe ich für die Zusatzversorgungen elektronische Überstromabschaltungen entwickelt und eingesetzt.

Die Schaltung funktioniert nur mit einer +/-15V Versorgungsspannung der OPVs. Der Grund ist der Common Mode Bereich des verwendeten OPVs. Der TL084 bzw. TL082 kann zwar ein Eingangssignal bis an die positive Versorgungsspannung verarbeiten aber kein Eingangssignal was bis an die negative Versorgungsspannung reicht. Als Lösung werden die OPVs mit einer 3Volt höheren Versorgungsspannung betrieben.

Prinzip der Überstromsicherung der +12V-Versorgung

Überstromsicherung +12V

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Nach dem Linarregler für die 12Volt folgt ein Shunt von 0.5 Ohm. Die über diesen Widerstand abfallende Spannung ist proportional zum fließenden Strom.

Formel: Graph

Diese Spannung wird mit einem Differenzverstärker verstärkt und danach auf eine Komparator gegeben. Mittels des Potis am Komparator wird die Schaltschwelle bzw. der Abschaltstrom eingestellt. Die Abschaltung auch bei einem Überstromimpuls übernimmt das nachgeschaltete Flip-Flop. Rückgesetzt wird es durch Aus- und Wiedereinschalten des Labornetzteils. Damit muß bewußt das Netzteil bei einem Fehler aus- und wiedereingeschalten werden. Die Abschaltung selbst übernimmt ein P-Channel-MOSFET.

Prinzip der Überstromsicherung der -12V-Versorgung

Überstromsicherung -12V

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Die Schaltung ist identisch der Schaltung für die +12V aber der Unterschied ist die Abschaltung der negativen Versorgung. Knackpunkt ist hier die Tatsache das eigentlich GND das positivere Potential besitzt gegenüber -12V. Um den MOSFET sicher abschalten zu können ist eine Steuerspannung auf den gleichen negativen Potential der -12V notwendig. Der Ausgang des Flip-Flop kann aber nur entweder GND oder +12Volt ausgeben was noch höher vom Potential ist als GND. Der Trick ist hier die Z-Diode. Jede Z-Diode hat im 3.Quadranten ihrer Kennline einen Durchbruch. Dies habe ich mir zunutze gemacht. Die Anode liegt am Gate des Mosfet und wird über den Widerstand R20 auf negativem Potential gehalten. Damit leitet die Z-Diode wenn 12Volt an ihrer Kathode anliegen und wenn 0Volt anliegen ist sie hochohmig. Im Umkehrschluß heißt das wenn der Flip-Flop am Ausgang 0Volt ausgibt sperrt der N-Channel-Mosfet und bei +12V am Ausgang des Flip-Flop schaltet der Mosfet durch.

Beide Schaltungen zusammengefasst ergibt dann die endgültige Überstromsicherung für +/-12Volt. Die +/-15Volt werden von der ungeregelten Spannung mittels Z-Dioden erzeugt.

Schaltplan:

Schaltplan +/-12Volt

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Anstatt des TL084 kann auch ein anderer 4fach-OPV verwendet werden. Der OPV muß nur eine Versorgungsspannung von 30V aushalten (TL074, LM324…).

Überstromsicherung +5V

Überstromsicherung +5V

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Bei den 5Volt habe ich die gleiche Schaltung wie bei den +12V gewählt. Als Shunt kommt ein Stück Draht von 0,5mm2 Querschnitt und 15cm Länge zum Einsatz was dann ca. 0,015Ohm sind. Die Messung des Stroms erfolgt als Low-Side-Messung. Das macht die Auswahl des OPV einfacher. Das Prinzip ansonsten ist gleich der Überwachung der +/-12Volt. Wichtig ist hier ein Logik-Level-Mosfet zu verwenden, da ansonsten der Mosfet bei +5Volt nicht vollständig durchschaltet und der Innenwiderstand zu groß ist.

Wer einen anderen OPV verwenden möchte muß auf den Common Mode Bereich des OPVs achten. Dieser muß mit einem Eingangssignal bis zu GND funktionieren. Ein TL082 z.B. kann dies nicht !!! Die beste Wahl ist hier ein Rail to Rail Input OPV. Ein Vertreter wäre der MAX407.

Leistungsteil

Den Leistungsteil werde ich von [4] übernehmen und auf meine Bedürfnisse anpassen.

Ansteuerung Leistungstransistor

(Bild-Quelle http://www.linuxfocus.org/English/June2005/article379.shtml)

Berechnung der Verstärkung: Graph

d.h. wir brauchen eine Verstärkung von 6 um mit 5Volt Steuerspannung mind. 30Volt Ausgangsspannung zu ereichen.

Da sich herausgestellt hat das ein Leistungstransistor ungünstig bei der Wärmeabfuhr ist, habe ich 2 Transistoren BD245 eingebaut. Dabei ist ein Widerstand (Parallelschaltung aus 4x 1Ω-Widerständen = 0,25Ω) in der Emitterleitung wichtig um die unterschiedlichen Streuungen der Transistoren auszugleichen. Ansonsten kann es dazu führen das ein Transistor eher leitet als der Andere. Dadurch steigt die Chiptemperatur was zu einer weiteren Erhöhung des Stromes führt bis zur Zerstörung dieses Transistors. Der Emitterwiderstand wirkt dem entgegen. Man kann hier auch zur noch besseren Verteilung der Verlustleistung weitere Transistoren parallel schalten, darf aber den Emitterwiderstand dabei nicht vergessen.

Leistungsteil

Für die Regelung der Ausgangsparameter wird noch eine Messschaltung benötigt. Im Gegensatz zu [3] wird der Strom gegen Masse gemessen mit einem Shunt von 0,5Ω (10x 4,7Ω parallel) oder 0,1Ω (10x 1Ω parallel) was bedeutend einfacher ist als eine High-Side-Strommessung. Dabei wird aber eine differentielle Messung mit einem OPV eingesetzt. Dies hat laut [11] eine linearere Messkurve gegenüber dem Messverfahren aus [2] .

Formeln:

Spannungsabfall über dem Shunt: Graph

Leider hat bei dieser Strom-Messung Einfluss auf dei Spannungsmessung. Dies wird mit einem OPV-Subtrahierer von der Ist-Spannung kompensiert. Diese Schaltung stammt aus der Application Note 450 von ATMEL. Um den Spannungshub des Shunt-Widerstandes bei Stromfluß zu kompensieren ist der Bezugspunkt des nichtinvertierenden OPVs nicht Masse sondern der Shuntanschluß. Damit arbeitet der OPV als Subtrahierer und die Offsetspannung des Shunts hat auf die Messung und Regelung keinen Einfluß mehr.

Prinzipschaltung:

Prinzip Leistungsmessung

Berechnung der Werte:

Widerstandswerte:

Graph

Graph

Graph

Graph

Verstärkung des Differenzverstärkers:

Graph

Graph

Graph

Auflösung der LCD-Anzeige des Spannungswertes:

Graph

Graph

Regelungsteil analog

Die Regelung selbst erfolgt mit 2 Operationsverstärker, die am Ausgang eine ODER-Schaltung aus 2 Dioden haben. Das Prinzip ist in [1] /Seite9 gut zu erkennen. In der fertigen Schaltung kommt dann ein LT1014 zum Einsatz, da dieser einen Eingangsoffset von nur 150µV besitzt. Beide OPV`s haben zusätzlich zur Schwingungsunterdrückung eine externe Frequenzgangkompensation bestehend aus C3 und C4. Detailierte Erläuterungen sind unter [7] zu finden. Die Shottky-Diode antiparallel zum Ausgangselko (10µF/100V) dient dem schnellen Abbau der Kondensatorspannung wenn die Ausgangsspannung verringert wird. In Planung ist noch eine separate Überstrom-Schutzschaltung gegen Falschpolung z.B. eines Akkus am Ausgang. Die Sollvorgaben der Regelung erfolgen vom ATMEGA8 mit jeweils einem 12Bit-DA-Wandler für Spannung und für Strom.

Der hier gezeigte Schaltplan ist nicht vollständig und dient nur zum Verständnis. Den kompletten Schaltplan findet man unter: Platinen: Regler-Platine

Prinzip der Regelung

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Zum Test habe ich die Schaltung probeweise auf Lochraster aufgebaut (ohne differentielle Messung und Kompensation) und trotz wildem Aufbau erfolgreich in Betrieb genommen.

Testplatine Oberseite

Testplatine Unterseite

Power ON Delay

Durch einen Zufall ist mir aufgefallen das beim Einschalten des Netzteils ein hoher Spannungspeak auftritt. Ursache wird sein das die +5Volt eher anliegen als die +/-10V Versorgung der OPVs.

Um dies zu unterbinden ist ein Power-ON-Delay dazu gekommen. Diese Schaltung kann man auch auf einer bestehenden Platine nachrüsten.

Damit wird der Transistor Q2 für 0,5sek. nach dem Einschalten auf Masse gehalten und der Spannungspeak unterbleibt.

Temperaturüberwachung

Zur Sicherheit wird der Kühlkörper des Leistungsteils temperaturüberwacht. Dies geschieht mit einem Bimetallschalter. In meiner Bastelkiste fand sich ein kleiner Bimetallschalter mit der Bezeichnung „PEPI NR“. Dieser schaltet bei 60°C durch. Bei Conrad gibt es ähnliche Bimetall-Schalter. Falls diese bei der Grenztemperatur öffnen, wird der Schalter zwischen dem 1KΩ-Widerstand und Masse gelegt. In die +5V Zuleitung kommt der 10kΩ-widerstand. Der NPN-Transistor Q5 schaltet bei Alarm die Steuerspannung des Transistors Q2 auf Masse. Eine weitere Leitung geht zum Controller.

(Schaltung siehe „Regelungsteil analog“)

Eine weitere Möglichkeit ist eine Diode oder einen Transistor als Sensor zu nutzen.

Thermostat

Mit dem Poti wird eingestellt bei welcher Temperatur das Leistungsteil des Netzteiles sich abschalten soll.

Schutz gegen Überlast und Falschpolung

Das Netzteil ist bis 30V/3A mit Trafo Dauerlastfähig. Gegen Falschpolung oder Fremdeinspeisung über die Ausgangsbuchsen ausserhalb dieses Bereiches muß das Netzteil geschützt werden.

Dazu sind auf der Ausgangsplatine mehrere Schutzmaßnahme vorgesehen. Gegen zu hohem Strom schützt die Schmelzsicherung, die als flinke Sicherung ausgelegt ist. Diese unterbricht den Strom innerhalb von ca. 50ms bei 2,5facher Überschreitung des angegebenen Wertes auf der Sicherung. Dies alles elektronisch umzusetzen ist um einiges komplizierter, da auch der entgegengesetzten Stromfluss durch z.B. falsch gepolte Fremdeinspeisung mit überwacht werden soll. Gegen Falschpolung soll die Leistungsdiode D4 schützen und gegen zu hohe Fremdspannung schützt die Überspannungsschutzdiode D3. Da eine ausgelöste Sicherung von der Reglerplatine nicht erkannt wird, ist über die Sicherung eine Defekterkennung mit einem OPV vorhanden. Bei ausgelöster Sicherung leuchtet die LED auf durch die erhöhte Differenzspannung am Eingang des OPV. Die Dioden D5 und D6 sorgen in Verbindung mit den Widerständen R2 und R9 für eine Spannungsbegrenzung des OPV-Einganges bei negativer Spannung. Bei einer negativen Spannung am Ausgang (falsch gepolter Akku) leuchtet die LED ebenfalls. Mehr erfährt man unter [10] woher auch diese Schaltung stammt. Dazu ist gekommen eine Frequenzgangkompensation durch C2 und eine Offsetverschiebung mit R1 und R6. Damit wird erreicht das die LED nicht leuchtet wenn keine Spannung an den Ausgangsklemmen anliegt aber die Sicherung in Ordung ist.

Die anderen Bauteile sind für die Regelung und nicht vollständig dargestellt.

Der hier gezeigte Schaltplan ist nicht vollständig und dient nur zum Verständnis. Den kompletten Schaltplan findet man unter: Platinen: Ausgangsplatine

Schutzschaltung

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Eine andere Variante wäre keine Schmelzsicherung einzusetzen sondern eine elektronische Sicherung wie im 2.Teil von [10] . Damit erspart man sich den lästigen Sicherungswechsel muss aber den erhöhten Bauteilaufwand Inkauf nehmen. Ich stelle die 2.Variante als elektronische Sicherung erstmal mit vor. Über die Notwendigkeit kann man ja mal diskutieren. Zur Funktionsweise: Nach dem Einschalten zieht das Relais im Gegesatz zum Original selbstätig an. Bei einer Falschpolung oder einem Stromfluss über 3,5A (einstellbar mit dem Poti) fällt das Relais ab und muss von Hand mittels des Tasters wieder aktiviert werden. Der Rest ist ähnlich wie unter [10] /Teil2 beschrieben. Ich habe lediglich die Eingänge des OPVs vertauscht und die Aufladung des Kondensators erfolgt erst bei Überschreitung der Stromes.

:!: Die Schaltung ist nicht getestet.:!:

Die entsprechende Schaltung ist hier zu finden:

elektronische Sicherung

(anklicken zum vergrößern)

Eagle-Dateien:

netzteil_ausgang2.zip

Ich selbst habe mich für die einfache Variante entschieden da die Sicherung im eigentlichen Betrieb nie ansprechen dürfte. Der einzige Fall wäre bei einer falsch herum gepolten Fremdspannung von außen.

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labornetzteil/funktionsprinzip.txt · Zuletzt geändert: 2017/04/15 22:59 (Externe Bearbeitung)
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