Labor-Netzgerät, 3-fach (1/2)

Meine Überlegungen

Das Gerät sollte möglichst nur aus bereits vorhandenen Teilen bestehen. Deshalb werden teilweise unbekannte usw alte  Bauteile verwendet. Die Daten des Netztrafos sind nicht bekannt. Die Größe und das Gewicht deuten auf einen 300VA-Typ. Folgende Spannungen habe ich gemessen, der zulässige Strom wurde wegen der Drahtdurchmesser geschätzt: Primär = 230V Sekundär 1 =  32V /  5.6A Sekundär 2 =  17V / 3A Sekundär 3 = 17V / 1A Das entspricht einer Leistung von 247W. Der Trafo dürfte aber bis 300W belastbar sein, es gibt also noch Reserven. Die Netzteile werden als lineare Regler mit stufenloser Einstellung für Spannung und Strombegrenzung von Null bis Maximum entworfen. Nr. 1 = 0 bis 30V und 0 bis 5A, Spannung mit Mehrgangpoti Nr. 2 = 0 bis -15V (Minus) und 0 bis 3A, Spannung mit Mehrgangpoti Nr. 3 = 0 bis 15V und 0 bis 300mA, für Soll-Spannungen oder -Strom Mit gemeinsamen GND. Netzteil 1 und 2 können auch in Reihe verwendet werden, dann bis maximal 45V und 3A.

Leistungshalbleiter und Kühlung

Lineare Regler müssen die Spannung zwischen Eingang (Lade-Elko) und Ausgang vermindern. Mit den Strom multipliziert ergibt das eine Verlustleistung die über Kühlkörper an die Luft abgegeben werden muss. Für große Kühlkörper ist kein Platz im Gehäuse. Die Verlustleistung muss unbedingt durch eine Vor-Regelung mit Thyristor vermindert werden. Zwischen Gleichrichter und Lade-Elko ist ein Thyristor der vom Controller so geregelt wird, das nur 5V zwischen Lade-Elko und Reglerausgang liegen. Das ist nur für die beiden Regler 1 und 2 nötig. Die Verlustleistung ist dann: Regler 1 = 5V x 5A = 25W Regler 2 = 5V x 3A = 15W Regler 3 = 20V x 0,3A = 6W dazu kommt noch geschätzt 10W für die Gleichrichter Summe: 56W, ohne die Thyristoren könnte das bis max. 300W werden. Der Leistungsteil verwendet keine VMOS sondern: Regler 1 = zwei NPN-Transistoren MJ15022 (TO-3) parallel Regler 2 = PNP-Transistor 2SA1943 Regler 3 = einen Stabi LM317 Alle vier werden mit den Gleichrichtern auf ein 3mm-Alublech isoliert montiert. Die Transistoren sind oben, die Gleichrichter unterhalb montiert. Ich verwende einzelne Dioden für den Gleichrichter weil ich genug davon gesammelt habe. Aus meiner Kühlkörper Sammlung werden 2 Kühlkörper nebeneinander oben aufs Blech geschraubt. Deren Wärmewiderstand habe ich ermittelt: mit Lüfter = 0,6K/W pro Kühlkörper. Bei der Verlustleistung von 56W werden die Kühlkörper: 56W x 0,6K/W durch 2 = 16,8K über die Lufttemperatur. Bei 45°C Luft haben wir am Kühlkörper 45 + 16,8 = 61,8°C. Der Wärmewiderstand vom Alublech zum Kühlkörper schätze ich auf 0,2K/W, damit wird das Blech etwa 73°C warm. Die Temperatur im Transistor: MJ15022 + Glimmerscheibe = 0,7+0,4=1,1K/W x 12,5 = 14K 2SA1943 + Glimmerscheibe = 1 +0,4 = 1,4K/W x 15 = 21K Die Temperatur der Halbleiter liegt also bei 87°C und 94°C. Bis zu den zulässigen 150°C ist also noch reichlich Reserve. Aber Achtung! Wenn ein Lade-Elko (weil ohne Last) sich beim Regler 1 zum Beispiel auf 45V aufgeladen hat und dann ein Kurzschluss am Ausgang ist, muss der Transistor kurz hohe Leistung aushalten bis die Regelung eingreift! Die “Save Operating Area” beachten.

 Bedienung und Anzeige

Die Rückwand hat große Abstandshalter damit das Gerät mit der Front nach oben auf den Boden gestellt werden kann ohne die Lüftung zu behindern. Das Gerät hat alle Bedienelemente und auch den Netzanschluss auf der Front. Jedes Netzteil kann über Relais einzeln mit einen Schalter von den Ausgangsbuchsen getrennt werden. Vorteil: man kann die Spannung und Strombegrenzung einstellen bevor die Werte auf den Prüfling losgelassen werden. Bei meinen bisherigen Netzgeräten wurde Strom und Spannung mit gekauften Digitalanzeigen angezeigt. Die waren ungenau und am wandern. Vor allem der Nullpunkt stimmt selten. Das ist besonders nervig bei einer Stromanzeige. Die Frage: “ist der Strom nun Null oder nicht?” bleibt ohne Antwort. Das soll beim neuen Gerät automatisch korrigiert werden. Die Stellung der Schalter wird vom Controller gelesen. Der Controller liest den Messwert bei “Strom aus” und verwendet den Wert zur Korrektur der Stromanzeige. Das funktioniert aber nur wenn so ein Fehlerstrom positiv ist. Wegen der Offsetspannung der verwendeten OPs ist immer eine Abweichung nach oben oder unten. Die OPs auf den Reglerplatinen haben Fassungen und werden so ausgesucht, das die erforderliche Abweichung positiv ist. Die selbe Korrektur wird auch bei der Anzeige der Strombegrenzung gemacht. Das Foto rechts zeigt für Regler 2 und 3 den Fehlerstrom an, der wird nach Ein/Aus auf 0.000 korrigiert. Regler 1 ist voll belastet und in die Strombegrenzung, Text “Limit!” meldet das in Zeile 4. Die Spannung, die Stellung der Strombegrenzung und der Ausgangsstrom werden mit einen 12bit-ADW gemessen. Das Display zeigt an: Zeile 1 = Spannung Zeile 2 = Strombegrenzung, also die Stellung der Einsteller (Potis) Zeile 3 = Ausgangs-Strom Zeile 4 = Hinweise, ganz rechts die Temperatur der Kühlkörper

Die Firmware

Als Controller verwende ich einen 16bit dsPIC30F6012A. Die drei Regler arbeiten rein analog auch ohne einen Controller. Der Controller dient nur zur Anzeige auf ein Text-LCD-Modul und zur Steuerung der Thyristoren. Der Ablauf wird durch die Netzfrequenz synchronisiert, also im 100Hz-Takt. Die Reihenfolge: 1.) Warten auf den Nulldurchgang 2.) Nacheinander alle Spannungen, Strombegrenzung und Ausgangsstrom der 3 Regler messen. Nach Start eines ADW-Kanals wird mit den Assemblerbefehl “pwrsav #1” die CPU angehalten. Der ADW löst wenn er fertig ist einen Interrupt aus worauf die CPU wieder aktiv wird. Durch den Stopp der CPU erreicht der 12bit-ADW seine maximale Genauigkeit von +/-0,5 digits. 3.) Danach werden 3 Messungen durch geführt: die beiden Trimmer für die Einstellung der Thyristor-Regelung und der Temperatursensor. 4.) Nach 3,3ms ab Erkennung des Nulldurchgangs wird die Thyristorregelung aktiv. Ein Timer wird gestartet. Die Spannungen am Plus-Lade- Elko (für 30V-Regler) und am Minus-Lade-Elko (für -15V-Regler) werden gemessen. Die Abweichung zwischen Lade-Elko + Trimmerstellung und der Ausgangsspannung wird berechnet. Der Wert wird zum Phasenintegrator des beteiligten Thyristors addiert. Sobald der Wert des Phasenintegrators den Timerwert erreicht, wird der Thyristor getriggert. Sobald beide Thyristoren bedient sind ist dieser Teil fertig. Was durch Begrenzung der Werte irgend wann immer vor Ende der Netzperiode erfolgt. 5.) Die Relaisschaltung wird aktiviert. Die Strom-Werte werden korrigiert. Die Temperatur wird überwacht, über 75°C wird die Thyristor- Triggerung ausgesetzt und die Texte in der Zeile 4 veranlasst. Danach beginnt der Zyklus von vorn, also bei 1.) Die Ansteuerung des LCD erfolgt davon unabhängig. Die Vorregelung mit den Thyristoren arbeitet  schnell und sehr stabil. Weil alle Messungen mit der Netzfrequenz synchron ablaufen, erfolgen  die immer im identischen Zustand der Lade-Elkos. Hinweis: Geplant waren ein max. Strom von 6A beim 30V-Regler. Das wurde aber später aus Sicherheitsgründen auf 5A herunter gesetzt. Leider sind auf der Frontplatte und im Schaltplan noch “6A”-Angaben.

Mechanische Aufbau

Es war nicht einfach, die Teile ins Gehäuse einzuplanen. Der Aufbau besteht aus 3 Gruppen: Hauptteil, Frontplatte und Leistungsteil.

Hauptteil, rechte Seite mit -15V/3A- Regler und +15V/0,3A-Regler      Linke Seite mit +30V/5A-Regler und Relaisgruppe mit +/-12V-Versorgung Hauptteil von vorn,Frontseite Leistungsteil mit 2 Lüfter Softstart-Relais Anschlusskasten für die CuL-Drähte der Sekundärwicklung des Netztrafos mit Steckverbinder Leistungsteil von oben Stecker zum Netztrafo Leistungsteil von unten Dioden und Thyristoren Steuertrafos für die Thyristoren 10mF Lade-Elkos Ansicht von hinten, Rückwand Der Leistungsteil ist über den Netztrafo, es ist sehr eng. Die Lade-Elkos sind links und rechts senkrecht in einer vom Netztrafo nicht benötigten freien Lücke. Die Regler-Platinen sind senkrecht in kleinen Führungen links und rechts angeordnet. Die CPU-Platine wurde mit LCD auf so was ähnliches wie ein Regal montiert. Dieses blaue Teil kommt aus meinen 3D_Drucker und ist auf die Frontplatte geklebt.  

Technische Daten

Hinweis: Geplant waren ein max. Strom von 6A beim 30V-Regler. Das wurde aber später aus Sicherheitsgründen auf 5A herunter gesetzt. Leider sind auf der Frontplatte und im Schaltplan noch 6A-Angaben. Überprüfung der Anzeige, leider fehlen mir geeichte Messgeräte, habe die Werte mit 3 normale DVMs mit Abweichungen von ca. -0.6V bis +0.14V überprüft. Sobald mir bessere Nornale zur Verfügung stehen wird alles noch einmal eingestellt. Die Anzeigen im LCD sind sehr stabil, auch nach längerer  Laufzeit. Die getrennte Verlegung aller GND-Leitungen ist eine gute Lösung. Die “zentrale Masse”-Platine wird für alle Messungen in der Schaltung als GND-Potential verwendet. Von hier aus konnte ich auch nachweisen: keine GND-Leitung fälscht die Messergebnisse. Ein Spannungsabfall auf den GND-Leitungen ist natürlich noch vorhanden, liegt aber immer unter 0,1mV. Soweit das überhaupt noch messbar ist. Die Innenwiderstände sind relativ hoch. Das ist wegen der Relais und der dazu gehörenden Leitungen nicht zu vermeiden. Der dsPIC30F6012A hat einen 12-bit-ADW mit 16 Eingängen. Davon werden 14 verwendet. Nach Start des ADW wird mit den Befehl “pwrsav #1” die CPU angehalten. Ist der ADW fertig aktiviert er die CPU wieder. Eine solche Wandlung dauert nur 6,1us weil der Takt noch weiter läuft. Die Ergebnisse sind genauer als ich erwartet hätte: +/- 0,5 bit wird eingehalten. Ohne “pwrsav #1” wackelt das Ergebnis um +/- 2bit. Leider ist der Nullpunkt etwas angehoben. Der ADW leifert das erste bit (0x001) erst wenn am Eingang 2 mV sind. Das liegt vermutlich an einen Schaltplanfehler: der AVSS am dsPIC soll laut Datenblatt über einen 10 Ohm an GND gehen. Habe ich leider übersehen. Nachträglich einbauen ist bei eine Platine mit SMD nicht möglich. Die Ausgangsströme (und Spannung) der Regler sind etwas größer (z.B. 5,1A statt 5,0A) weil etwas Luft nach oben für die automatische Nullpunktkorrektur nötig ist. Labor-Netzgerät 30V 5A kleinste Spannung bei Anzeige 00.00 = 10mV Anzeige 00.01V = 82,9mV Anzeige 00.10V = 120mV Anzeige 05.00V = 5.069V Anzeige 10.00V = 10.08V Anzeige 20.00V = 20.12V wenn I = 1A, 20.04V wenn I = 5A, Innenwiderstand 16mR Anzeige 30.00V = 30.15V wenn I = 1A, 30.07V wenn I = 5A, Innenwiderstand 16mR Stromanzeige 0.000A = 0A Stromanzeige 1.000A = 1,01A Stromanzeige 5.000A = 5,05A max. Verlustleistung bei I = 5A: 25W Labor-Netzgerät -15V 3A  kleinste Spannung bei Anzeige 00.00 = 21.6mV Anzeige -00.01V = -112.6mV Anzeige -01.00V = -1.014V Anzeige -05.00V = -5.007V wenn I = 1A Anzeige -10.00V = -10.03V wenn I = 1A, -9.98V wenn I = 3A, Innenwiderstand 16mR Anzeige -15.00V = -15.06 wenn I = 1A, -15.00V wenn I = 3A, Innenwiderstand 20mR Stromanzeige 0.000A = 0A Stromanzeige 0.075A = 0.0745A Stromanzeige 0.500A = 0.501A Stromanzeige 3.000A = 3.01A max. Verlustleistung bei I = 3A: 15W Labor-Netzgerät 15V 0,3A kleinste Spannung bei Anzeige =00.00V = -0,3mV Anzeige 00.01V = 48mV Anzeige 00.10V = 138mV Anzeige 01.00V = 1.038V Anzeige 05.00V = 5.028V Anzeige 10.00V = 10.05V wenn I = 0A, 10.03V wenn I = 0.3A Anzeige 15.00V = 15.07V wenn I = 0A, 15.05V wenn I = 0,3A, Innenwiderstand 67mR Stromanzeige = 0.0000A = 0.1mA Stromanzeige 0.0041A = 4,22mA Stromanzeige 0.1000A = 102mA Stromanzeige 0.3000A = 305mA max. Verlustleistung wenn 0.004V und 0,3A: 6W Gehäuse: b = 224mm, h = 148m, t = 264mm + 25mm, Maße ohne Füsse, Griff und Abdeckhauben