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Einfaches Labor-Spannungsregler mit einstellbarer elektronischer Sicherung bis 1A


Schaltung und Aufbau für 1A


Schaltung und Aufbau für 1A

Der hier vorgestellte Aufbau des Labor-Spannungsreglers integriert den Stromwähler von 20mA bis 1A.

Der Labor-Spannungsreglers besteht aus zwei Teilen,

  • Spannungsregler
  • Es gibt nur zwei feste Spannungen
  • 5V
  • 3,3V
  • Stromwähler
  • Mit dem Stromwähler kann der maximale Strom einfach in Stufen eingestellt werden.
  • Das ist definierter und zuverlässiger als Potentiometer.
  • Am einfachsten ist die Bedienung mit Tasten.

Schaltung

Die Untersuchungen in Details der Schaltung insbesondere die Wahl des Kühlkörpers legen nahe, diesen einfachen Labor-Spannungsregler mit maximal 1A zu betreiben.

Regler-Regler_s.png
Bild 1: Labor-Spannungsregler für bis 1A

Die Umschaltung zwischen 5V und 3V übernimmt der Schalter SW1.

Die Ausgangsspannung liegt an zwei 4mm Bananenbuchsen: J5 und J6. Die Eingangsspannung wird über den üblichen Hohlstecker PJ1 zugeführt. Die Buchsenleiste J1 kann alternativ verwendet werden.

Die Buchsen J2 und J3 sowie J4 und J7 können für eine Zusatzschaltung verwendet werden.

Der Stromwähler liegt zwischen Um und Uout- bzw. GND parallel zu R20. Außerdem werden VDD und VSS für dessen Elektronik benötigt.

Über die Buchsenleiste J7 kann die Spannung Um am Messwiderstand, der durch die drei parallel geschalteten 3Ω Widerstände R12, R13 und R14 gebildet wird, entnommen werden. Die Spannung Um am Messwiderstand entspricht dem Strom. Sie ist allerdings auf VSS bezogen.

Um = Iout * 1Ω

Elektronischer Stromwähler

Stromwahl-Stromwahl_s.png
Bild 2: Stromwähler für den Labor-Spannungsregler

Die Messwiderstände R50, R100 usw. werden über MOSFETs parallel zu R20 geschaltet. Sie werden mit aufsteigender Stromstärke parallel geschaltet. Die eingeschalteten Stromstärken werden über LED50 bis LED1000 angezeigt. Die Schaltung besteht im Grunde genommen aus fünf gleichen Schaltungen mit jeweils einem MOSFET und einer LED mit Vorwiderstand.

Für die MOSFETs wurden SMD-Bauelemente gewählt, weil fünf TO220-Gehäuse sehr viel Platz auf der Patine belegen würden und keine brauchbaren MOSFET im TO92-Gehäuse zu bekommen sind. Die IRLML6244 haben außerdem einen geringen Ron von 21mΩ. (Und das für 14¢).

Jeder MOSFET schaltet einen Widerstand zwischen GND und Um. Um kann bis zu 1V betragen. Die Source der MOSFET liegt also um bis zu 1V höher als VSS. Die Gatespannung der IRLML6244 beträgt, wenn sie eingeschaltet sind, 9V. Also hoch genug, um den MOSFET einzuschalten.

Für die Ansteuerung wird nur das Schieberegister 4015 benötigt. Das CMOS-Bauelement 4015 kann an einer Versorgungsspannung von 3V bis 15V betrieben werden. Der Betrieb an der Eingangsspannung von 9V passt also.

Der Takt für das Schieberegister wird mit dem Taster I++ erzeugt. Am Eingang wird immer eine 1 erzeugt. Bei dem Takt wird eine weitere Stufe eine 1 ausgeben. Damit werden die MOSFET angesteuert.

Durch den Reset-Taster Off wird die Sicherung auf 20mA schaltet, d.h. alle Ausgänge des Schieberegisters sind 0.

Der 4015 hat am Takteingang CP einen Schmitt-Trigger. Wir können eine einfache Entprellung mit Widerständen und Kondensator bauen. Der Reset muss beim Einschalten erzeugt werden (Siehe: Entprellter Taster, Reset ).

Der Standard-CMOS-Baustein 4015 kann am Ausgang nur geringe Ströme liefern. Deshalb beträgt der Vorwiderstand für die LEDs 2,2kΩ.

Liste der Bauelemente

Bauelement Wert Stück Preis Gesamtpreis
R1, R2, R15 1kΩ 207 3 0.05 0.15
R3, R7 Trimmpoti 1kΩ 9mm liegend 2 0.22 0.44
R4, R5, R10 270Ω 207 3 0.05 0.15
R8 240Ω 207 1 0.05 0.05
R9 300Ω 207 1 0.05 0.05
R11 4,7kΩ 207 1 0.05 0.05
R12, R13, R14 3,0Ω 3 0.05 0.15
R20 82Ω 207 1 0.05 0.05
R41, R43 10kΩ 2 0.05 0.10
R42, R44 100kΩ 207 2 0.05 0.10
R50 39Ω 207 1 0.05 0.05
R59, R109, R209, R509, R1009 2,2kΩ 207 5 0.05 0.25
R100 22Ω 207 1 0.05 0.05
R200 10Ω 207 1 0.05 0.05
R500 2,0Ω 0,6W 207 1 0.05 0.05
R1001, R1002, R1003 1,0Ω 0,6W 207 3 0.05 0.15
C1 100µF 63V 1 0.25 0.25
C2, C3, C4, C41, C42 0,1µF 50V 5 0.05 0.25
LED1, LED50, LED100, LED200, LED500, LED1000 3mm grün 6 0.04 0.24
LED2, LED3 3mm rot 2 0.04 0.08
LED4 3mm blau 1 0.08 0.08
Q1, Q2 BC337 2 0.04 0.08
D1,D3 1N4004 2 0.02 0.04
D3 1N4148 1 0.02 0.02
U1 LM317T 1 1.60 1.60
U2 4015 (CMOS) 1 0.28 0.28
KK1 94x46x33mm PR138/94-M3 1 3.85 3.85
J1 Hohlbuchse 6,3-2,1mm BKL 1 1.25 1.25
J2, J3, J4, J8 Buchsenleiste 1x2 2,54mm 4 0.06 0.24
J5 Bananenbuchse, 4mm, rot 1 0.32 0.32
J6 Bananenbuchse, 4mm, schwarz 1 0.32 0.32
J7 Buchsenleiste 1x3 2,54mm 1 0.09 0.09
SW1 Kippschalter 1xEin 1 1.09 1.09
SW41, SW42 Kurzhubtaster 6x6, Höhe 5mm 2 0.13 0.26
Isolierscheibe Glimmerscheibe TO220 1 0.05 0.05
Isolierbuchse Isolierbuchse TO220 1 0.10 0.10
Distanzbolzen Distanzhülsen, Metall, 6-Kant, M3, 25mm 4 0.19 0.76
Platine 100x160mm 2,54mm 39 Reihen einseitige Cu-Auflage 1 2.10 2.10
Netzteil Steckernetzteil, 12W, 9V, 1,33A 1 7.99 7.99
Summe 15.24

Der Labor-Spannungsregler mit Stromwähler inklusive Steckernetzteil kann für etwa 15€ aufgebaut werden.

Die in der Bauteilliste aufgeführte Platine hat das Europa-Format von 100x160mm und besteht aus Hartpapier.

Epoxid-Karten gibt es im Europa-Format für 5,65€.

Die Platine

  • braucht nicht durchkontaktiert zu sein
  • wenn sie durchkontaktiert ist müssen der Kühlkörper und der Schalter SW1 auf der Oberseite gegen die Lötinseln isoliert werden, damit es keine Kurzschlüsse gibt.
  • muss mindestens 36 Punkte auf der 100mm Seite haben.
  • Am besten sind Platinen ohne Firlefanz geeignet, die auf der gesamten Fläche Lötpunkte haben.

Aufbau auf Lochrasterplatine

Labor-Spannungsregler mit Stromwähler wird auf einer Lochrasterplatine aufgebaut. Es ist nur ein einseitiges Lochraster mit 2,54mm Raster notwendig. Die Platine ist eine Europakarte mit 100mmx160mm.

Labor-Spannungsregler_und_Stromwahl_1000_elektronisch-brd_s.png
Bild 3: Board des Labor-Spannungsregler mit Stromwähler bis 1A

Für die Details lässt sich Bild 3 vergrößern.

Oben liegt der große Kühlkörper PR138/94-M3 von Alutronik, der auch bei offenem Betrieb des Labor-Spannungsreglers die Temperatur soweit reduziert, dass keine Verbrennungen zu befürchten sind.

Unten liegen die fünf MOSFET und die LEDs für die Anzeige der gewählten Stromstärke.

Rechts liegen die Ausgänge mit 4mm-Bananenbuchsen.

Die Buchsenleisten J2, J3, J4 und J7 sind so angeordnet, dass eine Zusatzschaltung auf sie aufgesetzt werden kann.

Die LEDs für die Anzeige des Zustands liegen in einer Zeile in der Mitte. Links oben liegen die beiden Trimmpotentiometer für die Einstellung der Ausgangsspannung.

Die Schaltung kann auf einer einseitigen Lochrasterplatine im Europa-Format 100x160mm² aufgebaut werden. Es sind die Drahtbrücken JP1 bis JP12 auf der Oberseite notwendig. Sie sind im Layout magenta dargestellt. Die Drahtbrücken werden mit isoliertem Draht erstellt.

Die Lage der Bauelemente und Leitungen kann mithilfe des eingezeichneten Rasters und den Zählern am Rand bestimmt werden.

Labor-Spannungsregler_und_Stromwahl_1000_elektronisch-brd-Top-3D_s.png
Bild 4: Boards des Labor-Spannungsreglers von oben in 3D

Der LM317T muss unter Verwendung einer Isolierscheibe (Glimmer) und einer Isolierbuchse vom Kühlkörper isoliert werden.

Die 4mm-Bananenbuchsen für den Ausgang brauchen nicht isoliert zu sein.

Labor-Spannungsregler_und_Stromwahl_1000_elektronisch-brd-Bottom-3D_s.png
Bild 5: Boards des Labor-Spannungsreglers von unten in 3D

Die fünf MOSFET werden auf der Unterseite eingebaut.

Die Platine wird auf vier Distanzbolzen M3x25mm gesetzt.

Verbindungen zu Bauelementen

Der Schalter SW1 hat keine Lötstifte. Die Verbindungen zum Schalter SW1 wurden nicht dargestellt :-) Die dafür vorgesehenen Anschlüsse sind in Bild 5 mit Sw-3,3V beschriftet.

Zu den 4mm-Bananensteckern wird am besten auch eine Verbindung zu den Lötanschlüssen hergestellt. Die Anschlüsse auf der Platine sind in Bild 5 mit Uout+ und Uout- bezeichnet.

Einbau der MOSFET im SMD-Gehäuse

Die MOSFET haben ein kleines SMD-Gehäuse, dass nicht unmittelbar auf das 2,54mm Raster der Platine passt.

Wie sie eingesetzt werden ist in SOT-Gehäuse beschrieben.

In Bild 5 ist zu sehen, wie die MOSFET liegen.

Einstellung der Ausgangsspannung

Der Labor-Spannungsregler ist für zwei feste Ausgangsspannung ausgelegt. Diese Spannungen müssen mit dem Trimm-Potentiometern R4 und R8 eingestellt werden. Wenn der Jumper / Schalter J5 geschlossen ist, ist 3,3V gewählt. Diese Schaltung hat den Vorteil, dass es am Ausgang beim Umschalten keine Überspannungen gibt.

Bei geöffnetem J5 wird zunächst mit 5V eingestellt. Am Ausgang wird die Spannung von 5V mit einen Voltmeter gemessen und mit R8 eingestellt.

Dann wird bei geschlossenem J5 3,3V eingestellt. Am Ausgang wird die Spannung von 3,3V mit einen Voltmeter gemessen und mit R4 eingestellt.

Wenn R8 verändert wurde, muss R4 ebenfalls angepasst werden

Es lassen sich Ausgangsspannungen zwischen 3,0V und 5,5V einstellen.

Das versorgende Netzgerät sollte 3V mehr als die höhere Ausgangsspannung liefern, also mindestens 8V für 5V, 9V sind besser.