Labornetzteil für Bastler

[shedepe]

Hallo zusammen,

in diesem Thread stelle ich ein selbstentwickeltes Labornetzteil vor, dass vorallem für Bastler interessant ist, da alle Chips und Bauteile bis auf eins in Through-hole-technology gehalten sind.
Die Daten des Netzteils:

24736

Input: 12-21V (Maximal 40V - dazu muss jedoch der Spannungsteiler über den gemessen wird angepasst werden und eventuell die Auswahl der Kondensatoren)
Output: - 5V Fix - 2,5A
- 1-21V Regelbar (Maximale Ausgangsspannung abhänging von Eingangsspannung) - 3A
Anzeige: 4 x 7 - Segment
Strommessung auf beiden Ausgängen
Digitale Regelung der Ausgangsspannung auch über den PC möglich
FT232R - USB auf seriell Wandler integriert.
Mega32 zur Steuerung

Bilder vom Aufbau und der Sourcecode für den Mega32 erscheinen sobald ich meinen eigenen Aufbau fertig haben.

Im Anhang: Schaltplan, Layout als Target 3001 Datei, Layout als Eagle script

[ichbinsisyphos]

Verfälscht diese Strommessung nicht die Ausgangsspannung leicht? Bei 3A liegt Masseausgang auf 0.45V, oder?

[shedepe]

Das passiert aber bei jeder Art von Strommessung...Außerdem könntest du den Spannungsabfall digital wieder ausregeln.

[ichbinsisyphos]

Ja, ich les nur "Strommessung" und dachte du hattest vielleicht eine geniale Idee, das Problem zu umgehen ;)

[shedepe]

Nein, das ist ne ganz stinknormale Strommessung. Aber falls dich das Thema interessiert, man kann auch über das bei einem elektrischen Leiter entstehende Magenetische Feld die Stromstärke messen. Dabei hat man das Vorteil dass man so gut wie keinen Spannungsabfall hat

[Tpro]

Sehr interesante Schaltung! Konntest du schon mal die Ripple Spannung messen?

[Besserwessi]

Für einige Anwendungen ist das schon ein interessantes Netzteil, aber halt kein Labornetzteil.
Ein Labornetzteil zeichnet sich durch eine einstellbare schnell ansprechende Strombegrenzung bzw. Stromregelung, eine praktisch rippelfreie und stabile Spannung mit geringem Ausgangswiderstand aus. Außerdem sollte ein Labornetzteil bei jeder Last stabil sein, zumindest bei realistischen.

Die Schaltung hier ist ein Schaltregler mit per µC einstellbarer Spannung. Da wird man einiges an Restwelligkeit haben. Über die Shunts hat man auch noch einen deutlichen Ausgangswiderstand (zwar nur 150 mOhm, aber doch mehr als nötig). Dazu kommt, dass der Regler eventuell Probleme mit der Stabilität bekommt, wenn zu viel kapazitive Last dran hängt. Eine kleine Verbesserungen sollte man wenigstens noch machen: Hinter den Schaltregler gehört ein LC Tiefpassfilter (etwa 10-50 µH und 100-500 µF) - damit hätte man weniger Rippel, und eine größere Kapazität am Ausgang macht keine Probleme mehr.

Der µC sollte auch lieber eine eigene Spannungsregelung bekommen, sonst ist der µC aus, wenn man am 5 V Ausgang einen Kurzschluss macht.

Bei den OPs für die Verstärkung der Spannung am Shunt muss man ggf. mit dem Offset aufpassen, wenn man Pech hat, fängt die Messung erst bei 10 mV am Shunt (oder 70 mA) an.

[ichbinsisyphos]

Was gibts den da für einfache Möglichkeiten, ein Netzteil, das auf Spannungsregler-ICs beruht mit einer Strombegrenzung zu versehen?

Der Strombegrenzung hätte ich auch bei meinem Netzteil keine Aufmerksamkeit geschenkt, ich will nur eine möglichst glatte und lastunabhängig geregelte Spannung. Für den schlimmsten Fall haben die Regler eine Strombegrenzung. Der Maximalstrom von um die 3A bringt empfindliche Verbraucher trotzdem wie nichts um, aber zumindest passiert nichts schlimmeres.

Aber wenn ich hinten dran noch eine Stromregelung anbauen kann, die auch die Spannung nicht verfälscht, würd ich das schon machen. Besonders weil Stromregelung auch Strommessung bedeutet.

[Tpro]

Da du den Strom ja ohnehin misst, kannst du erst mal eine Softwareregelung einbauen. Eventuell könnte man die Stromregelung aber mit einem zusätzlichen OPV der den Feedback vom Spannungsregler beeinflusst realisieren.

Ich muss Besserwessi aber zustimmen dass man mit dem Offset von den OPV unangenehme Probleme bekommen könnte. Ich hatte das gleiche Problem auch schon bei einer Strommessung. Da macht es vieleicht Sinn auf OPVsmit einer Offsetkorrektur per externen Potentiometer zurückzugreifen.

Die einfache Verwendung des ICs macht das Projekt so interessant. Abhängig vom Ripple und ob eine Stromregelung hinzugefügt werden kann bietet sich aber eine Alternative zu sonstigen, wesentlich aufwändigeren Ansätzen für solche regelbaren Shaltnetzteile.

[Besserwessi]

Das verwendetet Schaltregler IC hat eine feste Strombegrenzung. Da kann man so schnell nichts ändern. Einen Spannungsregelung mit Strombegrenzung findet man z.B. in den Typischen Schaltungen zum LM723 oder L200. Das sind allerdings Linearregler mit entsprechend großer Verlustleistung, dafür aber mit sehr wenig Rippel. Das kommt einem Labornetzteil dann aber schon deutlich näher. Es hat schon seinen Grund das Labornetzteile in aller Regel einen Linearregler nutzen, und wenn überhaupt einen Schaltregler nur als Vorstufe nutzen, um die Verlustleistung am Linearregler zu reduzieren. Das ist dann aber schon eine deutlich aufwendigere Schaltung.

Den Spannungsabfall durch den Shunt könnte man schon weitgehend vermeiden, indem man den Shunt an einer anderen Stelle in der Schaltung hat: entweder High Side, oder auch auf der anderen Seite des GND Pins vom Schaltregler. Auch wenn es nicht ideal ist, kriegt man den den Shunt raus aus der Regelschleife für die Spannung. Allerdings fließt der Eigenverbrauch des Regler ICs mit über den shunt, aber da dürfte das kleinere Problem sein, denn der Strom ist klein und recht konstant.

Für eine einfache Nachrüstung einer Strombegrenzung hätte ich jetzt keine gute Idee - wenigstens nicht als Schaltregler. Ein prinzipielles Problem dabei ist, das so ein Schaltregler relativ langsam reagiert - zwar immer noch deutlich schneller als eine Softwarelösung, aber halt doch zu langsam um eine Schaltung zu schützen. Wenn schon müsste man die Strombegrenzung für jeden Puls machen, und das macht das IC hier nicht mit.

[Tpro]

Die Frage ist eigentlich was man von einem Labornetzteil erwartet. Sicher ist der Vorteil eines Linearreglers der geringere Ripple. Hat aber auch einen geringeren Wirkungsgrad und die damit verbundenen thermischen Probleme. Die bei einer Leistung von max 120W (40V x 3A, vergl. LM2576) kaum noch händelbar sind. Damit hat auch ein Schaltregler als „Labor“ Netzteil seine Berechtigung wenn man mit dem Ripple leben kann.
Wie schnell muss eine Strombegrenzung denn reagieren? Laut Datenplatt reagiert der IC in ca 100µs auf einen Lastwechsel von 3A auf 0A. In einem ähnlichen Zeit Bereich müsste doch auch eine eventuelle Strom Begrenzung reagieren.
Die Idee ist das man das Feedback über ein analoges „oder“ realisiert. Ist die Spannungsbegrenzung aktiv bleibt alles wie bisher. Ist die Strom Begrenzung aktiv wird die Spannung am Feedback Pin verringert, damit verkleinert sich auch das Tastverhältnis und die Ausgangsspannung sinkt solange bis der erlaubte Strom erreicht ist.

[ichbinsisyphos]

... Sicher ist der Vorteil eines Linearreglers der geringere Ripple. Hat aber auch einen geringeren Wirkungsgrad und die damit verbundenen thermischen Probleme.Deswegen hab ich mir ein kombiniertes Netzteil entworfen. Das Schaltnetzteil der ersten Stufe wird so geregelt, dass am Linearregler eine feste Spannung abfällt. Die kann runter bis auf 1.2V, obwohl ein bisschen Reserve nicht schadet. Sichere 3V bei maximal 3A bedeutet, dass die Anlage immer weniger als 9W verheizen muss, dafür reicht der kleinste Kühlkörper.

Der L200 hat jede Menge andere Nachteile gegenüber dem L150, den ich jetzt vorgesehen habe. Und eine serielle Stromregelung hintendran stört auch die Spannungsregelung ...

[steveLB]

Ich habe mir Radigs Labornetzteil zusammen gebaut:
http://www.ulrichradig.de/home/index.php/projekte/Power-Supply-PS1

Dabei habe ich noch alle Modifikationen aus seinem Forum übernommen, Widerstände als SMD und das ganze etwas kleiner gemacht. Da er in seinem Shop keine Platinen mehr hatte.

Edit:
Das kann man dann schon als Labornetzteil nutzen, da es linear ist. Als Labornetzteil willst so wenig Dreck auf deiner Versorgungsleitung wie möglich haben, dabei ist der Wirkungsgrad egal, du betreibst damit deine Schaltung nicht dauernd, sonder nur beim Test. Für den Dauerbetrieb nimmst dann ein günstiges Stecker(schalt)netzteil und fertig.

[Tpro]

Verstehe ich dich richtig, deine vorgestellte Schlatung dient nicht als Netzteil, sonder nur als Vorstufe? Damit wäre die Strombegrenzung natürlich überflüssig... die gesamte Schaltung aber auch wesentlich aufwändiger. Wie sind denn deine ansprüche an das NT?

[ichbinsisyphos]

http://www.ulrichradig.de/home/index.php/projekte/Power-Supply-PS1

Versteh ich das richtig, der misst den Spannungsabfall am Shunt in der Zuleitung zum Regler mit einem Differenzverstärker, das geht dann in einen Komperator, der hinterm Regler dann den Strom durch den Spannungsteiler vergrößert, wodurch der Regler gezwungen ist, runterzufahren, weil das den Spannungsabfall zwischen Ausgang und ADJ erhöht?

[Tpro]

Genau so. Hier gibts nen netten Threat dazu http://www.mikrocontroller.net/topic/124858

[steveLB]

Tpro hat dir schon den richtigen Link gegeben.
kannst dir dort alles mal durchlesen, oder
http://www.mikrocontroller.net/topic/124858#1176851
dazu noch aus seinem Forum einpaar Tips
http://www.ulrichradig.de/forum/viewtopic.php?f=18&t=1472&start=30