Labornetzteil
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Vorwort
Hier ein Projekt, das seit einigen Jahren mehr oder weniger aktiv war und inzwischen einen Zustand erreicht hat, den man als "fertig" bezeichnen kann. Gleichzeitig demonstriert dieses Objekt, wie man ein Projekt nicht durchführen sollte.
Ein gutes Labornetzteil ist nahezu unverzichtbar, käufliche Geräte sind aber entweder mies, teuer oder meist beides. Zudem gehört ein Netzteil zu den hervorragend selbstbaubaren Geräten, was blieb also ausser dem Selbstbau?
Und so begann der irgendwann im Jahre 2004.Sinnvoll verwendbares kam ab 2006 raus, der Großteil der Arbeiten fand 2007 statt.
Selbst die Entwurfsgrundlagen, also v.a. die Ausgangsleistungen, änderten sich noch sehr spät, so dass vieles, obwohl funktionsfähig, noch einmal verändert werden musste. Dabei blieben einige Teile, v.a. das Gehäuse, leider unverändert, was zu einigen Problemen führte.
Letztendlich wurde das Gerät doch soweit fertig, erfüllt seine Spezifikationen und hat sich bereits im Einsatz bewährt.
Schaltungsprinzip
Gibt es denn nicht genug Labornetzteilschaltungen im Netz? Ja. Vor allem genug schlechte. Ein 723 ist einfach nicht geeignet, eine bis Null einstellbare Strombegrenzung zu realisieren, alle Worksrounds haben mindestens einen großen Nachteil (nicht kompensierte Temperaturkoeffizienten, großer Spannungsabfall).Genauso eignen sich IC-Spannungsregler aus ähnlichen Gründen nicht für den Zweck. Letztendlich endeten die zahlreichen Unzulänglichkeiten nahezu jeden Schaltungsvorschlags in einem Eigenentwurf aus Basis einer aus diversen älteren Schaltungstechnik-Lehrbüchern bekannten Schaltung auf Basis zweier Operationsverstärker. Das Schaltungsprinzip ist auch in vielen Markengeräten zu finden, auch in den Bausätzen eines ehemals guten Elektronikversenders mit 3 Buchstaben. Ideen wurden natürlich zum Teil aus diesen Vorlagen übernommen. Vorteile der Schaltung liegen u.a. in der Verwendung von NPN-Leistungstransistoren, geringer Dropoutspannung, Nutzung der Emitterwiderstände zur Strommessung, gleichermaßen gutes und separat abstimmbares Regelverhalten für Strom und Spannung und hoher Stabilität.
Ein wirklich vollständiger Schaltplan fehlt momentan leider, da viele nachträgliche Änderungen in den Unterlagen nicht mehr berücksichtigt wurden (was man unbedingt tun sollte!).
Auslegung
Für die am Ende feststehenden 32V/7,5A je Kanal wurden die Endstufe, deren Kühlung, die Netztransformatoren, Gleichrichter und Siebkondensatoren berechnet. Die zugehörigen Berechnungen befinden sich natürlich auf Papier und sind nur teilweise noch auffindbar. Da diese an sich nichts neues darstellen (Vorgehen nach Lehrbuch) fehlen diese hier.
Letztendlich wurden für die Endstufe pro Kanal 8 Transistoren TIP142 (Si-Darlington NPN 100V/15A TO218) gewählt, über Emitterwiderstände parallelgeschaltet. Diese dienen gleichzeitig der Strommessung, müssen folglich temperaturstabil sein (1%-Typ genügt idr.). Kühlkörperauslegung:Details bei Interesse. Der Netztransformator muss für eine ausreichende Spannung am Siebkondensator auch bei Netzunterspannung und im Tal der Brummspannung eine Spannung von 32 Volt liefern, bei einer Leistung von min. 500VA.Ein tauglicher Ringkerntyp mit 2 32V-Sekondärwicklungen mit zusammen ausreichender Leistung war kostengünstig als Restposten zu beschaffen und wurde daher verwendet. Für eine ausreichend geringe Brummspannung und hohe Lebensdauer wurde der Siebkondensator zu 17mF berechnet, ausgeführt als 8 parallele 2.2mF 50V Elkos auf einer Platine. Leider stellte sich später heraus, dass Reichelt Elkos eines chinesischen Herstellers (Jamicon) verkauft, der unter die allgemeine Bezeichnung "Würg-Con" fällt und sich durch sehr geringe Lebensdauer auszeichnet. So durfte ich die Teile kurz nach Inbetriebnahme nochmal ersetzen, da sie sich in der Lagerzeit schon verabschiedet hatten. Diesmal aber durch Panasonic FC, also ein hochwertiger Typ langer Lebensdauer. Der Gleichrichter ist ein 35A-Typ mit einer maximalen Sperrspannung von 400V, da ein kleiner dimensionierter Typ kaum Kostenvorteile bietet und das Gehäuse des gegebenen Typs eine einfache Kühlung ermöglicht.
Weitere Details (Hilfsnetzteile, Voltmeter, Lüfterregelung) bei Interesse.
Aufbau
Als Gehäuse sollte ein vorhandenes 19" 2HE (88mm) Gehäuse voller Tiefe dienen. Dies stellte sich später als Problem heraus, da das Platzangebot verhältnismässig klein ist. Hauptproblem wurde das weit unterschätzte Volumen der Verdrahtung. Ein weiteres Problem ist die ungenügende Steifigkeit des rel. dünnen Gehäuseblechs. Im Nachhinein wäre es sehr vorteilhaft gewesen, ein eigenes Gehäuse zu konstruieren, das sowohl ausreichend gross (3HE hoch) und wesentlich steifer ist.
Die Endstufe mit deren Lüfterkegühltem Kühlkörper und die Transformatoren stellen natürlich die größten Bauteile dar, die als erstes montiert wurden. Die Lüfter sind an der Rückwand befestigt, die Luftströmung wird durch einen Kanal aus Kunststoffplatten durch den Kühlkörper geführt.
Die zahlreichen Platinen wurden, wo möglich, in 2 Etagen montiert um den vorhandenen Platz möglichst gut zu nutzen, da ein Platzmangel bereits absehbar wurde. Die Verdrahtung komplettierte letztendlich die Katastrophe, es blieb kaum mehr freier Raum im Gehäuse. Trotzdem konnte eine einigermaßen gute Luftströmung aufrechterhalten werden.
Die Platinen wurden vollständig in konventioneller bedrahteter Technik auf einseitigen Platinen aufgebaut, wo möglich wurden Sockel und Steckverbinder verwendet, um die Servicefreundlichkeit zu erhöhen. Leider stellte sich letzteres als ein großer Fehltritt heraus, die verwendeten 2,54mm Steckverbinder von AMP neigen zur Oxidation und dann zu großen Kontaktproblemen, vor allem dort wo nur geringer Strom fliesst. Hier müssen unbedingt vergoldete Steckverbinder eingesetzt werden, sonst wird die Inbetriebnahme zur Katastrophe. Leitungen größeren Stroms wurden mit steckbaren Schraubklemmen und 1,5mm^2 Litze verdrahtet, lediglich an den Gleichrichtern wurde gelötet.
Sämtliche Verbindungen sind auf Platinen ausgeführt, so dass weder Leitungen gestückelt werden müssen noch irgendwelche Lüsterklemmen oder anderer Murks nötig werden. Nicht gebrauchte Drähte des Trafos werden auf unbelegte Klemmen geführt. Die vielen Leitungen zur Frontplatte wurden auf einen vielpoligen Stecker zusammengeführt, der auf einer kleinen Platine hinter der Front befestigt ist, um die Menge an Steckverbindern zu begrenzen und die Fehleranfälligkeit bei der Montage zu reduzieren. Alle Netzspannung führenden Klemmen sind mit Kunststoffplatten abgedeckt oder durch dickwandigen Schrumpfschlauch ausreichend isoliert, um ein gefahrloses Arbeiten am offenen Gerät zu ermöglichen.
Zur Bündelung aller Kabelbäume wurde mindestens eine Tüte am Kabelbindern verwendet. Gesamt wurden mindestens 50m an diversen Litzen verwendet, verbunden mit ca. 200 Steckkontakten und ca. 30 Aderendhülsen.
Die Frontplatte besteht aus einem Stück 6mm dickem billigen blauen Kunststoff, der sich vor allem durch seine gute Bearbeitbarkeit und sein Vorhandensein im Materiallager auszeichnet. Stabil ist leider etwas anderes, 4mm Aluminium wäre eindeutig besser gewesen, sofern man eine ausreichend große Fräsmaschine zu dessen Bearbeitung hat.
Alle Schrauben wurden versenkt, so dass die durch die bedruckte Folie verdeckt werden. Diese wurde mangels ausreichend langen Papiers auf 2 Seiten gedruckt und gestückelt, was nicht schön ist aber funktioniert. Beklebt wurde deren Aussenseite mit einer transparenten Klebefolie zum Schutz vor Verschmutzung.
Gesamtes Gerät
Front abgenommen, Verdrahtung
Detail Endstufe, oben links ging beim Bohren leider was schief :(
Front Bauphase
Leistungsaufname bei Volllast
Bauphase
Funktioniert!
Frontplatte fertig
