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Praktische Elektronik


Ein einfaches Netzgerät mit einstellbarer elektronischer Sicherung.


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Netzgerät mit elektronischer Sicherung

Inhalt

Erklärung der Schaltung

Details der Schaltung

Dynamische Messungen

Aufbau für 1A


Netzgerät mit elektronischer Sicherung

Labornetzgeräte mit elektronischer Sicherung sind relativ teuer und in den meisten Fällen für zu hohe Ströme und Spannungen ausgelegt. Wir brauchen eigentlich nur 5V und einige hundert Milliampere. Aber wir brauchen eine elektronische Sicherung, die auch bei kleinen Ströme mit einigen Milliampere abschalten. Der Strom muss natürlich einstellbar sein.

Labornetzgeräte sind häufig für hohe Leistungen ausgelegt, z.B.

  • 16V / 5A
  • 27V / 3A
  • 32V / 2,2A

Seit Jahren hat der Autor

  • keine Spannungen über 15V,
  • bei 5V mehr als 5A,
  • bei 12V über 1,5A und
  • meistens bei 5V wenige mA < 100mA

benötigt.

Dagegen war es höchst ärgerlich, dass die Strombegrenzung bei Labornetzteilen sich nur sehr grob auf keine Ströme einstellen lassen. Die eingestellte Strombegrenzung wird dabei nicht unmittelbar angezeigt.

Das hier vorgestellte Netzgerät ist für Anfänger gedacht. Es liefert nur eine bzw. zwei Festspannungen dafür eine praxisnahe Strombegrenzung, die einfach über Schalter einstellbar ist. Es wird über ein Steckernetzteil gespeist und ist damit sicher, weil nicht mit der Netzspannung von 220V gearbeitet wird.

Das Netzgerät hat folgende Eigenschaften:

  • zwei Festspannung von 3,3V und 5,0V
  • es lassen sich zwei Festspannungen zwischen 3V und 6V einstellen
  • es ist auch nur eine Festspannung möglich
  • Elektronische Sicherung
  • einstellbar in Stufen
  • 20mA, 50mA, 100mA, 200mA, 500mA
  • bei ausreichender Kühlung ist auch 1A möglich
  • Eigensicher gegen Überhitzung.
  • Anzeige, wenn die Sicherung anspricht
  • Eingang ist gegen Falschpolung geschützt
  • Eingangsspannung von 8V oder 9V
  • ideal für ein elektronisches Steckernetzteil
  • einfacher Aufbau auf Lochrasterplatine
  • verwendet nur Standardbauelemente

Schaltung

Netzteil_prinzip_s.png
Bild 1: Schaltung des Netzgeräts

Diese Schaltung ist für zwei Festspannungen ausgelegt. Mit einem an JP3 angeschlossenen Schalter kann zwischen den beiden Spannungen von 5,0V und 3,3V gewählt werden. Wird nur eine Ausgangsspannung benötigt, kann R13 entfallen.

Der Stecker JP2 wird normalerweise überbrückt, aber auch an einen Ein- Ausschalter angeschlossen werden.

Am Stecker JP1 kann zwischen die Pins1 und Pin3 ein Messwiderstand gelegt werden. Unten wird ein passender Stromwähler vorgestellt. Zwischen Pin3 und Pin4 kann man eine Spannung messen, die dem Strom entspricht. Wenn dort ein Voltmeter angeschlossen wird entspricht die Spannung

Ustr = 1Ω * Iaus

Es werden 1000mV pro 1A angezeigt oder 1mV entspricht 1mA. Die Spannung Ustr ist negativ zur Masse.

R19 wird mit dem vollen Strom belastet und muss deshalb mit 2W belastbar sein.

Das Netzgerät kann auf einer Lochrasterplatine aufgebaut werden. Das Layout wurde speziell für Lötanfänger ausgelegt.

Anzeigen

Der Zustand des Netzgeräts wird über LEDs angezeigt.

LED Bedeutung leuchtet nicht leuchtet dunkel leuchtet hell
gelb externe
Stromversorgung
aus ein
grün (links) Netzgerät ausgeschaltet eingeschaltet
rot Sicherungs-LED kein Überstrom Achtung Überstrom
grün (rechts) Ausgangsspannung unter 2,5V unter 3V über 3V
blau Ausgangsspannung unter 4,5V unter 5V 5V

Bei 80% der eingestellten Stromstärke beginnt die rote Sicherungs-LED zu glimmen. Bei 85% leuchtet sie hell und die Ausgangsspannung wird unter 4,75V abgesenkt. Unter 4,5V leuchtet die blaue LED nicht mehr. Die rechte grüne LED leuchtet oberhalb 3V und ist bei 2,8V aus.

Aufbau auf einer Lochrasterplatine

Das Netzgerät lässt sich einfach auf einer Lochrasterplatine aufbauen. Der Stromwähler wird frei verdrahtet.

In Schaltung und Aufbau für 1A wird eine Alternative mit integriertem Stromwähler beschrieben.

Netzteil_prinzip_board_s.png
Bild 2: Platine des Netzgeräts

Es ist nur eine Drahtbrücke notwendig, die auf der Bauteilseite gelegt wird. Für die Potentiometer R6 und R13 werden Spindeltrimmer mit 20 Gängen gewählt. Sie sind kaum teurer als normale Trimmwiderstände, aber wesentlich präziser einstellbar.

Stromwähler

Zu dem Netzteil gehört ein Stromwähler, der mit wenigen Widerständen und ein paar Schaltern aufgebaut wird.

Netzteil_Stromwahl.png
Bild 3: Stromwähler zum Netzgerät

Wenn alle Schalter ausgeschaltet sind, ist die Sicherung auf 20mA eingestellt. Die folgende Tabelle gibt die Stellung der Schalter für die dimensionierten Stromstärken am.

S50 S100 S200 S500 S1000 Strom
aus aus aus aus aus 20mA
ein aus aus aus aus 50mA
ein ein aus aus aus 100mA
ein ein ein aus aus 200mA
ein ein ein ein aus 500mA
ein ein ein ein ein 1000mA

Die Schalter werden einfach der Reihe nach eingeschaltet. Wenn eine andere Kombination gewählt wird, ist der maximale Strom der elektronischen Sicherung immer kleiner als die dem Schalter mit der größten Stromstärke entspricht.

Hier wurden ebenfalls Widerstände parallel oder in Reihe geschaltet, um keine speziellen Bauformen verwenden zu müssen. R501 und R502 ergeben 2Ω und R1001 bis R003 ergeben 0,3Ω. Alle Widerstände sind 0,25W-Typen.

Aufbau

Das Netzgerät sollte in ein Gehäuse eingebaut werden. Die Schalter des Stromwählers werden einfach in das Gehäuse eingebaut und die Widerstände unmittelbar an die Schalter gelötet und über einen Leitung mit der Schaltung verbunden. Es ginge auch ein Stufenschalter, der den Vorteil einer einfacheren Bedienung hat, aber beim Umschalten Unterbrechungen erzeugt.

Prinzipiell könnten diese Schalter auch durch eine Elektronik mit zwei Tastern ersetzt werden. Der Aufwand ist allerdings relativ groß. Es ist dagegen geplant, ein einfaches Labornetzgerät mit einem Mikrocontroller zu entwickeln.

Montage des Kühlkörpers

Der LM317T muss Kühlkörper mit einem Kühlkörper mit mindestens 25°C/W besser mit 10°C/W betrieben werden. Am besten ist der Fingerkühlkörper FK 223 geeignet. Er sollte möglichst, so montiert werden, dass Luft frei an den Kühlfingern vorbei strömen kann. Wenn die Platinen hochkant steht kann er flach auf die Platine montiert werden. Liegt die Platinen flach, muss er hinter der Platine montiert werden. Bei Betrieb in einem Gehäuse muss dieses über einen gute Lüftung haben.

Bei Kurzschluss des Ausgangs und 1A kann der Kühlkörper sehr heiß werden.

Wenn die Platine unmittelbar an der Rückwand des Gehäuses montiert wird, kann der Kühlkörper durch eine Aussparung nach außen ragen.

Das Board ist so ausgelegt, dass der FK 223 flach auf die vergrößerte Platine montiert werden kann. Die Leitungen zum LM317 werden entsprechend verlängert. Dann ist ein Betrieb über 500mA nicht zu empfehlen.

Erforderliches Netzteil für 230V

Das hier vorgestellte Netzteil wird nicht unmittelbar am 230V-Netz betrieben, sondern erfordert ein elektronisches Steckernetzteil, dass 8V und 1A liefert.

Bei Reichelt gibt es beispielsweise das geeignete Steckernetzteil (MW 3K10GS) mit wählbarer Spannung bis zu 12V und 1A für um die 10 Euronen.

Es gibt natürlich noch den feuerspeienden und energiefressenden Dinosaurier mit Transformator, Gleichrichter und Ladekondensator :-/
Siehe: Argumente gegen das Basteln von 230V Netzteilen

Einstellung der Ausgangsspannung

Das Netzteil ist für zwei feste Ausgangsspannung ausgelegt. Diese Spannungen müssen mit dem Trimm-Potentiometern R6 und R13 eingestellt werden. Mit R6 wird die höhere der beiden Spannungen eingestellt mit R13 dann die kleinere.

Die Eingangsspannung wird angelegt und der Jumper/Schalter JP2 geschlossen. Der Schalter an JP13 ist offen. Am Ausgang wird die Spannung von 5V mit einen Voltmeter gemessen und mit R6 eingestellt.

Der Schalter an JP3 ist wird geschlossen und mit R13 3,3V eingestellt.

Wenn R6 verändert wurde, muss R13 ebenfalls angepasst werden

Es lassen sich Ausgangsspannungen zwischen 3,0V und 5,5V einstellen. Das versorgende Netzgerät sollte etwa 3V mehr als die höhere Ausgangsspannung liefern, also 8V für 5V.

Korrekte Anwendung der elektronischen Sicherung

  • Als erstes muss die gewünschte Ausgangsspannung eingestellt werden.
  • Wenn eine neue Schaltung aufgebaut wurde, oder eine Schaltung verändert wurde, wird mit 20mA begonnen (alle Schalter sind aus).
  • 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 Umlegen des nächsten Schalters bis zu der erwarteten Stromstärke erhöht.
  • Wenn die Sicherung bei der erwarteten Stromstärke auslöst, wird nicht weiter erhöht, sondern der Fehler gesucht.