Labornetzteil mit Schaltregler

So ein Schaltregler ist eigentlich kein kompliziertes Ding. Transistor, Spule, Kondensator und Diode - kräftig geschüttelt ergibt einen Invers-, Step-Up, Step-Down-Wandler oder ähnliches.

Nur, niemand erzählt einem die Wahrheit darüber, wieviel Gerümpel man außen rum löten muss um das Elektronengehackte in irgendwas gleichspannungsähnliches zu bekommen.

An dieser Stelle darf ich auf das Buch von Ulrich Schlienz - "Schaltnetzteile und ihre Peripherie" verweisen. Hier werden auch EMV Aspekte behandelt und genau das hilft bei der Konstruktion des Wandlers weiter. Ein extrem lesenswertes Buch.

Warum überhaupt ein Labornetzteil mit Schaltwandler aufbauen? Ganz einfach - um die Verluste niedrig zu halten, und auf diesem Weg eine hohe Ausgangsleistung zu ermöglichen. Ein Netzteil mit Linearregler "verheizt" Leistung um die Ausgangsspannung konstant zu halten. Nehmen wir als Beispiel eine Trafospannung von 24V an, die in einen Linear-Regler geht, welcher eine Ausgangspannung von 5V erzeugt (vgl. hierzu die Schaltung zum µC Labornetzteil). Am Leistungs-Transistor fällt die Differenz von 19V ab, was z.B. bei 2A Ausgangsstrom einer Verlustleistung von 38 Watt entspricht. Dem gegenüber steht die Nutzleistung von 10 Watt, was einen Wirkungsgrad von ca. 20% bedeutet. Würde jemand beim Kartoffel schälen 80% der Frucht wegwerfen, hielte das jeder für krank.

Beim Schaltregler ist das mit den Verlusten anders, es wird nur die Leistung entnommen, welche auch am Ausgang gebraucht wird. Abgesehen natürlich von diversen Verlusten innerhalb des Wandlers. Nachteil ist, dass die Ausgangsspannung extrem zu filtern ist. Hohe Stromänderungen durch Spule und Kondensator, sowie bei der Kommutierung zwischen Diode und Transistor sorgen für Störungen in allen Schaltungsteilen.

Die grundsätzliche Funktionsweise des Wandlers erkläre ich hier nicht, da unzählige und vor allem sehr gute Seiten im Netz zu finden sind. Siehe z.B.:
http://elektroniktutor.oszkim.de/analogtechnik/l_gleich.html
http://danyk.cz/s_atx_en.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Abw%C3%A4rtswandler
http://www.sprut.de/electronic/switch/schalt.html

Interessant ist die Tatsache, dass die Ausgangsspannung des Step-Down Wandlers weitgehend unabhängig vom Ausgangsstrom ist. Das obige Bild "U-I Kennlinie Step-Down Wandler Versuchsaufbau" zeigt das Kennfeld des Versuchsaufbaus. Problematisch sind kleine Ausgangsleistungen, da hier die Spule in die Sättigung läuft und der Ausgangskondensator "aufgepumpt" wird. Wie in diesen Bereichen die Regelung aussehen soll muss sich noch zeigen.

Mit den Versuchen stehe ich noch ganz am Anfang. Taugen Regler ICs, wie der TL494 oder SG3525? Welche Filter- und Snubberschaltungen sind geeignet, um die Ausgangsspannung zu glätten und von Schaltspitzen zu befreien? Ist eine Linearreglerstufe nach dem Schaltwandler notwendig, oder kann man den Regler präzise genug steuern?

Außerdem kommt ein neuer Prozessor für die Steuerung zum Einsatz. Ein Atxmega 128A3-AU. Dazu ist ein Board zu entwickeln und nicht zu vergessen, der ganze Software-Döns auch noch, bei dem endlich mal eine saubere Architektur entstehen soll (Das schiebe ich schon genauso lange vor mir her, wie Werkstatt aufräumen. Kennt Ihr das?).

Mehr davon demnächst auf diesem Kanal!

Schaltungsbeschreibung

Eine Rechteckspannung, erzeugt vom Arduino-Board liegt an Q1 an. C1 und R1 dämpfen den Flankenanstieg (Stichwort "Snubberschaltung").

Q2 und Q3 stellen eine sog. Push-Pull Treiberstufe dar, die das Gate des Mosfets Q4 über R5 ansteuern. Der Widerstand sorgt dafür, dass die Flanken nicht zu steil sind und damit die Störungen verursacht durch große Stromänderungen (großes di/dt) kleiner bleiben. Als Snubber dienen hier zusätzlich C2 und R6.

Im Testaufbau ist noch ein P-Channel Transistor verbaut, evtl. kommt jedoch ein N-Channel zum Einsatz.

Spule L1, Kondensator C3 und Diode D1 stellen die eigentliche Funktion des Step-Down Wandlers dar.

Zum Schluss wird die Ausgangsspannung über ein CMC Filter geleitet, eine stromkompensierte Drossel. Diese Filter zeigten in den ersten Versuchen die beste Wirkung. Der Tantal-Kondensator C4 glättet noch die Restwelligkeit.

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