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Spannungsregler-Modul

Das hier vorgestellte Spannungsregler-Modul soll ein einfacher Ersatz für ein Labornetzgerät sein.

Es liefert nur Festspannungen:

  • 5V
  • 3,3V ( alternativ 3,0V )
  • 12V ( spezielle Variante )

Es enthält eine einstellbare elektronische Sicherung für

  • 20mA
  • 50mA
  • 100mA
  • 200mA
  • 500mA (600mA Variante ist möglich)

Das Modul wird von einem externen Steckernetzteil gespeist.

Es kostet einschließlich des Steckernetzteils etwa 16€.

Schaltung des Spannungsregler-Moduls

Das Modul verwendet den integrierten Spannungsregler L200.

Der L200 kann für Ausgangsspannungen von 3V bis über 30V eingesetzt werden. Er liefert bis zu 2A und schützt sich selbst gegen Überlastung (Strom, Temperatur).

Gegenüber den üblichen Spannungsregler-ICs verfügt der L200 über einen Eingang zur Strombegrenzung.

L200-Modul_s.png
Bild 1: Schaltung des Spannungsregler-Moduls

Das Modul wird von einer externen Stromversorgung gespeist, am besten von einem Steckernetzteil, das an J1 angeschlossen wird.

Es verfügt über einen Verpolungsschutz am Eingang mit D1, R1, LED1 und LED2.

Über die Widerstände R2, RV und R3.3V mit Jumper 3.3V wird die Ausgangsspannung eingestellt. Normalerweise werden 5V abgegeben. Durch Setzen des Jumpers 3.3V wird 3,3V eingestellt.

Der Ausgang ist gegen versehentliches Anlegen einer Spannung geschützt. Die Diode D2 schützt den L200, wenn eine positive Spannung am Ausgang angelegt wird. Die Dioden D3 oder D4 schließen den Ausgang kurz, wenn eine negative Spannung angelegt wird.

Die Suppressordiode 1N5908 begrenzt die Ausgangsspannung, falls sie über 5,6V ist. Es kann entweder die Suppressordiode 1N5908 oder die Diode 1N4001 eingebaut werden.

Die elektronische Sicherung bilden die Widerstände R21, R22, R23, R50, R100, R200 und R500. Die maximale Strom wird über den Jumper JP-I eingestellt.

Die Transistoren Q1 und Q2 aktivieren die LED3, wenn die elektronische Sicherung ausgelöst hat. Da die Spannungsschwelle für die elektronische Sicherung des L200 kleiner ist als die 0,6V der Basis-Emitter-Spannung von Q1, muss ein Spannungsteiler aus R21 und R22 verwendet werden.

Die Eingangsspannung kann alternativ zu dem Niederspannungsstecker J1 (Hohlstecker) über eine Pfostenleiste J2 oder die Anschlüsse zum Steckboard JP1 und JP2 angeschlossen werden.

Der Ausgang liegt am Steckboard über JP3 und JP4 oder an der Buchse B1.

Zwischen JP5 und JP3 liegt eine Spannung, die dem entnommenen Strom entspricht.

Externe Stromversorgung

Das Spannungsregler-Modul benötigt eine Stromversorgung von 9V. Diese muss natürlich den maximalen Ausgangsstrom liefern können. Ideal ist ein Steckernetzteil mit 5V und 600mA.

Kühlung des L200

Der L200 muss eine Leistung aufnehmen, die durch den Ausgangsstrom und der Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang zustande kommt. Beim maximalen Strom von 500mA und 9V-3,3V sind das

P = ( Uein - Uaus ) * Iaus
P = (   9V - 3,3V ) * 0,5A
P = 2,85W
P = (   9V -   5V ) * 0,5A
P = 2W

Die höchste Leistung tritt beim Kurzschluss des Ausgangs auf:

P = Uein * Iaus
R =   9V * 0,5A
P = 4,5W

Das sind keine hohen Leistungen. Sie können vom L200 leicht bewältigt werden. Allerdings wird er dabei nicht nur warm, sondern sehr heiß (über 100°C). Er wird den Strom begrenzen damit er nicht zerstört wird.

Wenn wir den L200 ohne zusätzliche Kühlung betreiben, wird er bei 5V nur kurzzeitig 500mA liefern.

Damit der volle Strom bereitgestellt werden kann, aber auch damit wir uns nicht verbrennen, wird das Modul mit einem Kühlkörper versehen. Mit dem Kühlkörper SK525-30 wird der L200 auch bei maximaler Belastung nicht über 60°C warm.

Bauteilliste

Die Preise der folgenden Bauteile sind natürlich unverbindlich und entsprechen in etwa denen bei Reichelt.

Als Steckernetzteil wird das Universal-Schaltnetzteil, 7,2 W, 3 - 12 V, 600 mA (MW 3N06GS) von Reichelt empfohlen.

Das Netzteil sollte auf 9V einstellbar sein und mindestens 500mA liefern. Der Anschluss muss ein Hohlstecker mit Plus in der Mitte sein.

Es kann auch ein 12V oder 15V Netzteil verwendet werden. Dann ist allerdings mit einem heißen Kühlkörper zu rechnen.

Es wird empfohlen, immer 0,6W Widerstände mit 1% zu verwenden.

Bauelement Wert Stück Preis Gesamtpreis
R1, R3, R6, R7 1kΩ 4 0.05 0.20
R2 820Ω 1 0.05 0.05
R4, R5, R8 10kΩ 3 0.05 0.15
R3.3V 200Ω 1 0.05 0.05
RV 680Ω 1 0.05 0.05
R21 5.6Ω 1 0.05 0.05
R22 20Ω 1 0.05 0.05
R50 16Ω 1 0.05 0.05
R100 11Ω 1 0.05 0.05
R200 5.1Ω 1 0.05 0.05
R500 1.6Ω / 0,6W 1 0.05 0.05
C1 Elko 22µF / 63V 1 0.11 0.11
C2, C3, C4, C5, C6 Keramik 0,1µF / 50V 5 0.04 0.20
D1, D2, D4 1N4001 3 0.02 0.06
D3 1N5908 1 0.71 0.71
LED1 LED, 3mm, grün 1 0.06 0.06
LED2 LED, 3mm, gelb 1 0.06 0.06
LED3 LED, 3mm, rot 1 0.06 0.06
Q1 BC337 1 0.04 0.04
Q2 BC327 1 0.04 0.04
IC1 L200-220 1 1.10 1.10
B1 Buchsenleiste 1 * 2 polig, 2,54mm, gerade 1 0.16 0.16
JP1, JP2, JP3, JP4, JP5, 3,3V, J2 Stiftleiste 1 * 10 polig, 2,54mm, gerade 1 0.18 0.18
JP-I Stiftleiste 2 * 4 polig, 2,54mm, gerade 1 0.19 0.19
J1 Einbaubuchse, 6,3mm, 2,1mm 1 1.20 1.20
KK1 SK 525 30mm 1 3.25 3.25
Steckernetzteil 7,2 W, 3 - 12 V, 600 mA 1 7.20 7.20
Summe 15.42

Aufbau

L200-Modul-brd_s.png
Bild 2: Board des Spannungsregler-Moduls

Bild 2 zeigt, wie das Spannungsregler-Modul auf einer Lochrasterplatine aufgebaut werden kann. Der Kühlkörper ragt über das Board hinaus. Er wird einfach auf den L200 im TO-220-Gehäuse gesteckt und über zwei Stifte mit der Patine verlötet.

Die roten Verbindungen sind isolierte Drähte, die auf der Bauteilseite verlegt werden.

Die Stifte für das Steckboard sind wie bei allen Modulen nach unten auf der Lötseite eingebaut. Sie werden erst ganz am Schluss eingesetzt, weil sie beim Löten stören.

Vorgehen beim Aufbau

Wir bauen in mehreren Runden auf und testen nach jeder Runde.

Attention attention

Fehler suchen

Wenn ein Fehler auftritt, testen wir nicht weiter, sondern suchen den Fehler und beseitigen ihn.

  • Die spiegelbildliche Lage auf der Bestückungs- und Lötseite führen häufig zu Fehlern.
  • Sind alle Bauteile korrekt eingebaut (Lage, Wert)?
  • Sind alle Verbindungen korrekt (vergessen, falsche Richtung, Lötbrücken)?

Runde 1

Die erste Runde im Aufbau umfasst den Anschluss J2, LED1, LED2, R1 und D1. Sind die LEDs und D1 korrekt eingebaut? Bei D1 zeigt der weiße Ring nach unten.

Die ersten Prüfungen können wir mit 5V Eingangsspannung vornehmen - natürlich mit elektronischer Sicherung. Wir prüfen, ob bei positiver Eingangsspannung an J2 die grüne LED leuchtet. Mit einem Spannungstester sollte hinter D1 eine Spannung sein (eine LED mit Vorwiderstand leuchtet). Wenn wir eine negative Spannung an J2 legen, sollte die gelbe LED leuchten und hinter D1 keine Spannung anliegen.

Runde 2

Im weiteren Aufbau wird am besten mit dem Spannungsregler und dem Kühlkörper begonnen.

Der L200 hat ein modifiziertes TO-220-Gehäuse mit fünf Anschlüssen (Pentawatt-Gehäuse). Die Anschlüsse zählen von links nach rechts. Wir müssen die Anschlüsse vorsichtig auf das 2,54mm Raster der Platine biegen.

Die Bohrungen für den Kühlkörper müssen auf 2mm erweitert werden. Die Stifte des Kühlkörpers lassen sich gut mit angrenzenden Lötinseln verlöten.

Der L200 wird in den Kühlkörper geschoben und dann gemeinsam mit dem Kühlkörper eingesetzt.

Dann werden die Widerstände R21, R22, R2, RV, R8, die Stiftleiste JP-I und die Buchse B2 eingebaut. Alle Anschlüsse zum L200 und den genannten Bauelementen werden verlegt. Wichtig ist die Verbindung von U- zum Anschluss GND des L200 (Pin3).

Nach der Sichtprüfung schließen wir 5V (20mA) an den Eingang an. Es sollte ein Strom unter 20mA fließen. Am Ausgang liegt dann eine Spannung von über 3V an. Es geht auch ohne Voltmeter: Eine LED mit 1kΩ Vorwiderstand sollte leuchten. Wenn dieses nicht der Fall ist, muss die Schaltung auf fehlerhafte Leitungen überprüft werden.

Wenn wir jetzt den Ausgang kurzschließen, sollte die elektronische Sicherung der speisenden 5V auslösen. Stellen wird die speisende elektronische Sicherung auf 50mA, sollte sie nicht auslösen. Wer ein Messgerät hat, sollte am Ausgang des Moduls etwa 15mA bis 25mA messen.

Runde 3

Wir bauen R3.3V und den Jumper 3.3V ein.

Wir testen konsequent wie in Runde 2.

Wer sich das Testen spart, muss oft später dafür zahlen.

Wir prüfen, ob nach dem Setzen des Jumpers über 3.3V auch am Ausgang eine Spannung liegt. Die LED mit 1kΩ Vorwiderstand sollte noch leuchten.

Runde 4

Wir bauen die Buchse J1 ein.

Läuft alles bei Runde 2?

Jetzt können wir es wagen, die externe Stromversorgung anzuschließen.

  • Die 5V Stromversorgung abnehmen.

Das Steckernetzteil muss auf 9V und einen Hohlstecker mit Plus am mittleren Stift eingestellt sein.

Leuchtet die gelbe LED? Dann ist die externe Stromversorgung verpolt.

Am Ausgang sollten 5V liegen (4,9V bis 5,2V sind OK). Mit dem Jumper 3.3V erhalten wird 3,3V (3,2 bis 3,4V).

Jumper 3.3V wieder entfernen. Wir schließen 100Ω am Ausgang an. Die Ausgangsspannung sollte sinken - unter 3V.

Runde 5

Als nächstes bauen wir die Anzeige mit LED3 auf: R3, R4, R5, R6, C5, C2, Q1, Q2 und LED3.

Wir testen wieder wie in Runde 2 mit 5V.

Wenn wir jetzt die 9V an legen, sollten am Ausgang 5V stehen. Mit 100Ω am Ausgang sollte LED3 das Auslösen der elektronischen Sicherung anzeigen.

Runde 6

Alle restlichen Bauelemente werden eingebaut. Die Stifte zum Steckboard zuletzt. Wir müssen uns entscheiden, ob wir einen Überspannungsschutz mit der 1N5908 oder nur einen Schutz gegen Verpolung mit der 1N4001 wollen.

Testen wie in Runde 2 mit 5V.

Die externe Stromversorgung anschließen und wie in Runde 5 testen.

Für den Test der Sicherung benötigen wir eigentlich ein Amperemeter, aber wir können uns behelfen.

Wir messen bei einer Ausgangsspannung von 5V.

  • Die Einstellung der elektronische Sicherung mit den Jumpern ist unten beschrieben.
Eingestellt Widerstand LED3
20mA kein aus
20mA 330Ω aus
20mA 220Ω an
50mA 220Ω aus
50mA 220Ω parallel 100Ω an
100mA 220Ω parallel 100Ω aus
100mA 33Ω an
200mA 33Ω aus
200mA 22Ω an
500mA 22Ω aus
500mA 22Ω par 22Ω par 22Ω an

Wir sollten 22Ω Widerstände mit 2W einsetzen. Solche unter 2W dürfen nur kurzzeitig (1s) angeschlossen werden oder es stinkt.

Ein Dauertest wird im 200mA-Bereich durchgeführt. Wir schließen den Ausgang kurz. Nach einigen Minuten wird der Kühlkörper warm. Nach dem Entfernen des Kurzschlusses prüfen wird elektronische Sicherung bei 200mA erneut.

Einstellungen

Die Ausgangsspannung ist normalerweise 5V. Sie wird durch Setzen des Jumpers 3.3V auf 3,3V eingestellt.

Die Auslösestromstärke wird mit Jumpern auf der Stiftleiste JP-I eingestellt. Wenn kein Jumper gesetzt ist, sind es 20mA. Es werden immer Jumper parallel gesetzt. Dadurch wird der Stromkreis nicht unterbrochen, wenn die Stromstärke geändert wird.

Strom 50mA 100mA 200mA 500mA
20mA offen offen offen offen
50mA gesetzt offen offen offen
100mA gesetzt gesetzt offen offen
200mA gesetzt gesetzt gesetzt offen
500mA gesetzt gesetzt gesetzt gesetzt

Korrekte Anwendung der elektronischen Sicherung

  • Wenn eine neue Schaltung aufgebaut wurde, oder eine Schaltung verändert wurde,
  • wird mit 20mA begonnen (alle Jumper sind entfernt).
  • Wenn die Sicherung unterhalb der erwarteten Stromstärke auslöst,
  • kann es akzeptiert werden.
  • Wenn ein höherer Strom erwartet wird,
  • wird die Stromstärke der elektronischen Sicherung Schritt für Schritt durch setzen der Jumper
  • bis zur erwarteten Stromstärke erhöht.
  • Die Jumper werden parallel gesetzt.
  • Wenn die Sicherung bei der erwarteten Stromstärke auslöst,
  • wird nicht weiter erhöht, sondern der Fehler gesucht.

Externe Stromversorgung

Die externe Stromversorgung muss eine Spannung von 9V und 500mA liefern. Natürlich kann das Netzgerät auch einen höheren Strom liefern.

Attention attention

12V Netzteil

Manchmal werden sehr günstige Steckernetzteile für 12V angeboten. Sie sind im Prinzip geeignet.

Dann muss allerdings mit einer höheren Temperatur des Kühlkörpers gerechnet werden: 65°C bei 5V, 0,6A und 100°C bei 0,6A Kurzschluss.

  • Damit besteht Verbrennungsgefahr, weil der Kühlkörper offen ist.

Varianten

3V

Der Ausgang kann einfach durch Ändern des Widerstands R3.3V von 3,3V auf 3V umgestellt werden.

Änderung:

R3.3V 75Ω

5V 600mA

Das vorgeschlagene Steckernetzteil kann bis zu 600mA liefern. Da kann es sinnvoll sein, die Sicherung anstelle von 500mA auf 600mA einzustellen.

Änderung:

Netzteil 9V, 600mA
R500 1,3Ω

12V

Das Spannungsregler-Modul kann auch für 12V verwendet werden.

Wegen Überhitzung sollte es nur bis 200mA verwendet werden.

Es ist ein Steckernetzteil mit 15V 200mA nötig.

Die Suppressordiode D3 (1N5908) muss unbedingt gegen D4 (1N4001) getauscht werden.

Änderungen:

Netzteil 15V, 200mA
R3.3V entfällt
Jumper 3.3V entfällt
Rv 2,7kΩ
R500 entfällt
D3, 1N5908 entfällt
D4, 1N4001 einbauen

Prototyp

Ein Prototyp der Schaltung in Bild 1 und Bild 2 wurde aufgebaut. Der Widerstand R500 wurde für 600mA auf 1,3Ω modifiziert.

Spannungsregler-Modul.png
Bild 3: Prototyp des Spannungsregler-Moduls

Im Bild 3 wird das Modul mit 5V und Sicherung auf 200mA betrieben. Die Sicherung hat angesprochen, weil der Ausgang mit 10Ω belastet wird.

Ergebnisse

Leerlaufspannung ist 4,97V bzw 3,23V.

Strommessungen bei 5V.

Is Ia Ik I^ tv
20mA 18mA 22mA 0,1A 5µs
50mA 51mA 58mA 0,2A 5µs
100mA 102mA 108mA 0,4A 5µs
200mA 208mA 213mA 0,8A 5µs
600mA 590mA 602mA 1,5A 5µs

Is ist der eingestellte Strom der Sicherung.
Ia ist der Strom bei dem die Sicherung auslöst.
Ik ist der Kurzschlussstrom.
I^ ist der maximale Strom beim Kurzschluss des Ausgangs.
tv ist die Zeit bis der Strom auf 0,1 * I^ gesunken ist.

Die Sicherung reagiert in der Zeit tv. Während dieser Zeit kann der Strom auf maximal I^ steigen. Bei diesem Modul ist I^ aufgrund der Konstruktion auf I^=10*Is beschränkt.

Rs = 0,5V / Is
I^ = 5,0V / Rs
I^ = Is * 5,0V / 0,5V
I^ = 10 * Is

Vergleich mit Netzgeräten

Zwei im Handel erworbene Labornetzgeräte, das Modul der elektronische Sicherung mit kleinem Spannungsabfall und das Spannungsregler-Modul wurden hinsichtlich ihres Abschaltverhaltens verglichen.

Der Ausgang der getesteten Geräte wurde mit 5V ohne Last betrieben. Dann wurde der Ausgang mit einem 0,1Ω Widerstand kurzgeschlossen, die Spannung an diesem Widerstand gemessen und daraus der Strom berechnet. Insbesondere wurde gemessen, wie hoch der maximale Strom I^ war und nach welcher Zeit tv dieser auf ein Zehntel abgefallen war.

Im ist der gemessene Strom im Kurzschluss.

LED-Test

In einem weiteren Versuch wurde eine LED ohne Vorwiderstand an den Ausgang angeschlossen während die Strombegrenzung auf 20mA eingestellt war.

Wenn die Strombegrenzung empfindliche Bauelemente schützt, sollte die LED die Tortur überstehen.

Gerät Strom I^ tv Im LED-Test Preis Spannung Strom
LSP-1403 22mA 10,0A 3000,0µs 16mA defekt 190€ 0-36V 0-5A
LSP-1403 54mA 11,0A 6000,0µs 41mA
LSP-1403 96mA 11,0A 6000,0µs 90mA
KA3005P 20mA 9,0A 400,0µs 22mA OK 109€ 0-30V 0-5A
KA3005P 50mA 9,0A 400,0µs 51mA
KA3005P 100mA 9,0A 400,0µs 102mA
elektron. Sich. 20mA 10A 0,3µs 21mA OK 3€ 20mA - 100mA
elektron. Sich. 50mA 20A 0,3µs 48mA
elektron. Sich. 100mA 20A 0,3µs 96mA
L200-Modul 20mA 0,1A 5,0µs 18mA OK 16€ 3,3V; 5,0V 20mA - 500mA
L200-Modul 50mA 0,2A 5,0µs 51mA
L200-Modul 100mA 0,4A 5,0µs 102mA
L200-Modul 200mA 0,8A 5,0µs 208mA
L200-Modul 600mA 2,4A 5,0µs 590mA

Fazit

  • Das einfache Modul liefert die Spannungen, die wir meistens benötigen.
  • Mit einem Strom bis 500mA können wir die die meistens unserer Versuchsschaltungen versorgen.
  • Über 500mA können wir das für die Schaltung notwendige Netzgerät unmittelbar anschließen.
  • Die einstellbare elektronische Sicherung ermöglicht die Schaltungen sicher in Betrieb zu nehmen.

Für diesen Zweck übertrifft das Modul wesentlich teurere Labornetzteile:

  • Es regiert sehr schnell, etwa 10 mal schneller.
  • Es begrenzt im Fehlerfall auftretende Ströme wesentlich besser, auf unter ein Zehntel.
  • Es kostet um 16€.
  • Wir können es für 3€ selbst bauen.
  • Das teuerste Netzgerät LSP-1403 sichert nicht unbedingt empfindliche Bauelemente ab.
  • Es hat allerdings einen Schalter zum aktivieren des Ausgangs. Dann übersteht es die LED.
  • Die Einstellung der Strombegrenzung ist für kleine Ströme kaum möglich. Daher 22mA und 54mA.