Labor-Netzgerät ENT1

Labor-Netzteil ENT1v1 (ENT1-Original)

Originalschaltung ENT1

Unterlagen zum industriell gefertigten ENT1 waren nicht mehr vorhanden. Deshalb wurde die Schaltung neu aufgenommen (26.09.2007).

Schaltungsbeschreibung

Der Trafo liefert zwei potentialgetrennte Spannungen um die 20 Vac, die in getrennten Kanälen gleichgerichtet und geregelt werden. Ergebnis ist ein Doppelnetzteil mit 2x 1,8 bis 25 Vac.

Hauptbestandteil der Regelschaltung ist der altbewährte Spannungsregler MAA723, hier ein IC tschechischer Produktion im runden 10-poligen Metallgehäuse. Die Beschaltung zeigt nichts Besonderes.

Eine LED je Kanal zeigt die Betriebsbereitschaft an. Sie verlöscht bei Kurzschluss am Ausgang. Der Längsregler mit dem Leistungstransistor KU607 ist dabei nicht gefährdet, da die 723-Strombegrenzung den Kurzschluss-Strom auf ca. 1,3 A begrenzt.

Die Einstellung der Ausgangspannung ist durch das einfache Poti (kein Mehrgang-Poti) ziemlich grob. Der Maximalwert wird mit dem 100k-Trimmer festgelegt. Die untere Spannungsgrenze lag bei ca. 1,8 V. Für die wünschenswerte Einstellung ab Null wäre eine negative Referenz-Spannung erforderlich gewesen. Offensichtlich sollte die Schaltung so einfach wie möglich gehalten werden.

Der Leistungstransistor KU607 ist auf einem riesigen Kühlkörper montiert. So können schätzungsweise 30 W dauernd abgeführt werden. Die zwei Kühlkörper (einer je Kanal) und der Trafo nehmen 90 % des Gehäusevolumens ein.

Eingangsseitig wurde am Lade-C gespart, bei 25 V Ausgangsspannung und 1 A Last war die Rippelspannung über dem Lade-C so groß, dass sie nicht mehr ausgeregelt werden konnte und am Ausgang mit dem Oszi nachweisbar war. Wurde dann auch der zweite Kanal belastet, verschlimmerte sich das Ganze noch, da der Trafo für 2x 1 A bei 25 V einfach zu wenig Leistung lieferte. Die Messungen wurden bei 230 V Netzspannung durchgeführt. Bei Netz-Unterspannung reicht die Rohspannung erst recht nicht aus.

Trafo des ENT1

Fazit

Trotz einiger Unzulänglichkeiten war das ENT1 für viele Bastelanwendungen ein zuverlässiger Helfer. Einzig die fehlende Spannungsanzeige habe ich oft vermisst.

Labor-Netzgerät ENT1v2 (Vers. 071010)

Zur Gebrauchswerterhöhung wurde das ENT1 (siehe voriger Abschnitt) von mir mit einer digitalen Spannungsanzeige, einer Feinregelung der Ausgangsspannung und einigen Schutzdioden ausgestattet. So entstand das ENT1v2 vom 10.10.2007.

Eigenschaften

• Ausgang 2x 1,8 bis 25 V, einstellbar mit Grob- und Feinregler
• Strombelastbarkeit nominal 1 A, Kurzschluss-Strom 1,16 A
• Parallel- und Serienschaltung der Ausgänge möglich (dadurch  max. 2 A bzw. max. 50 V)
• Digital-Anzeige umschaltbar auf Ausgang 1 oder 2, Bereiche schaltbar 19,99 V und 199,9 V)
• Spannungsregel-ICs MAA723 und 50W-Längstransistoren KU607

Schaltung des ENT1v2

Die Schaltung enthält einige wichtige Messwerte. Die beiden Regelschaltungen einschließlich des Trafos mit Gleichrichter sind original ENT1v1. Nur die Sollspannungs-Einstellung wurde verändert (Fein-Regler).

Digitale Spannungsanzeige

Zur Spannungsanzeige wurde die Platine des Digitalmultimeters M-830B (Billigartikel aus dem Baumarkt) verwendet. Gehäuse und Bereichsschalter entfallen, notwendig sind einige Brücken und Verbindungen zur neuen Bereichsumschaltung (Kippschalter S3) sowie zur Umschaltung auf die Ausgänge (Kippschalter S2). Im Bild sind die Änderungen/Ergänzungen dokumentiert.

Die Multimeter-Versorgung muss potentialfrei erfolgen. Ein kleiner Netztrafo mit Gleichrichterteil und die Regelschaltung mit einem weiteren MAA723 (aus der Bastelkiste) liefert die nötige 9V-Betriebsspannung. Die gute Stabilisierung ist hier eigentlich nicht nötig, schadet aber auch nicht.

Einbau des Digital-Voltmeters

Berechnung

Grundlegende Berechnungsschritte sind im Beitrag "Netzteile mit dem 723" beschrieben. Zur Strombegrenzung und für das Einstellen der Ausgangsspannung gelten die folgenden Überlegungen:

Labor-Netzgerät ENT2

Das in 2007 schon einmal umgebaute Labor-Netzteil ENT1 hatte nach jahrelanger Nutzung wieder eine Renovierung verdient. Mit neuen Ringkerntrafos und zwei neuen digitalen Panels zur Anzeige der Ausgangsspannung hat das entstandene ENT2 folgende Eigenschaften:

• Ausgang 2x 0 bis 14 V, einstellbar mit 10-Gang-Wendelpoti
• 2 Digital-Panels, Messbereich 33,000 V
• Strombelastbarkeit je Ausgang max. 2 A, Kurzschluss-Strom ca. 2,3 A
• Maximalstrom ab ca. 50 mA mit Poti einstellbar
• Parallel- und Serienschaltung der Ausgänge möglich (dadurch max. 4 A bzw. max. 28 V)
• Je 2 LEDs getrennt für CV (Control Voltage) und CL (Current Limit)
• Je Ausgang getrennter Ringkern-Trafo (nom. 12 Vac, 2,5 A)
• Regelung mit MAA723 und Längstransistoren KU706 (wie vorher)

Schaltung des ENT2

Aufgrund der Ua-Einstellung ab Null Volt und der zusätzlichen Ua-Panels waren einige Erweiterungen erforderlich. Die große originale Platine mit den Regelschaltungen, Potis und Ausgangsbuchsen wurde geändert und mit einer Sub-Platine für die LED-Ansteuerung ergänzt. Außerdem waren zwei neue Platinen nötig, eine für die Bereitstellung der Rohspannung (Gleichrichter, Ladeelkos, negative Referenzspannung) und eine für die potentialfreie Versorgung der Panels (2 Trafos mit Stabilisierung).

Prinzipiell sind beide Regelschaltungen (U1- und U2-Ausgang) gleich aufgebaut, aber galvanisch völlig getrennt und damit unabhängig nutzbar.

Regelteil oben (U2-Ausgang)

Regelteil unten (U1-Ausgang)

Schaltungsbeschreibung

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich auf den "Regelteil unten" (Ausgang U1). Für den "Regelteil oben" ist die Funktionsweise analog.

Regelprinzip

Damit der 723 die Ausgangsspannung Ua bis auf Null regeln kann, liegt der Fußpunkt des 723-Regelverstärkers (-Vs, Pin 7) nicht wie üblich auf GND, sondern auf einer gegenüber GND negativen Hilfsspannung -Uref. Diese negative Spannung dient als Referenz und muss entsprechend stabil sein. Die 723-Referenz wird für die Regelung nicht verwendet, sondern dient hier als stabile positive Referenz der LED-Ansteuerung (Beschreibung weiter unten).

Der Fußpunkt des Istwert-Spannungsteilers (Usoll-Poti+Rmax1+VRmax1) ist mit -Uref verbunden. Der Knoten Usoll-e+Rmax1 führt zum invertierenden 723-Eingang (-IN, Pin 4). Der andere 723-Eingang (+IN, Pin 5) liegt auf GND. Da der 723 so regelt, dass beide Eingänge gleiches Potential haben, ergibt sich für Ua die gleiche Spannung, wie der Spannungsabfall über dem Usoll-Poti.

Steht der Usoll-Poti-Schleifer am unteren Ende (e), ist +Uamax erreicht, am anderen Ende ergibt sich +Ua = 0. Uamax kann mit VRmax1 abgeglichen werden.

Trafos und Gleichrichter

Da 2 A je Ausgang zur Verfügung stehen sollten, boten sich kleine 30VA-Ringkerntrafos an, die allerdings nur 12 Vac bei maximal 2,5 A liefern. Dadurch ist die Ausgangsspannung nur maximal 14 V, allerdings auch nur bis etwa 60 mA. Wird mehr Strom benötigt, sinkt die noch geregelte Uamax weiter ab. Der große Lade-C soll diese Tendenz mindern. Für die Gleichrichtung werden 10A-Brücken verwendet (gerade vorhanden).

Die Ringkerntrafos haben den Vorteil, dass keinerlei Brummen zu hören ist. Außerdem ist die Eigenerwärmung im Leerlauf minimal. Zudem sind sie relativ klein, so dass beide Trafos in das alte ENT1-Gehäuse passen.

Negative Hilfsspannung (-Uref)

Das Prinzip, eine negative Hilfsspannung aus der Hauptwicklung für die Greatz-Brücke zu gewinnen, ist zwar einfach, aber mit bestimmten Nachteilen verbunden. Vorteil ist erst einmal, dass man den Trafo nicht umwickeln muss, eine zweite Wicklung ist nicht nötig. Nachteil ist aber, dass ein recht hoher Regelungsaufwand erforderlich ist, wenn die erzeugte Spannung (Referenz!) stabil und völlig frei von Störanteilen sein muss.

Zuerst dachte ich, ein einziger Fest-U-Regler reicht für diese Aufgabe. Leider war die Restwelligkeit immer noch zu hoch und wirkte sich über den 723-Regler auf den Ua-Ausgang negativ aus. Es musste ein zweiter Regler (B3370V) als Pre-Regler eingesetzt werden. Zusammen ergab diese Anordnung eine mit dem Analog-Oszi nicht mehr nachweisbare Welligkeit. Für den B3370V (DDR-Typ) kann auch der Fest-U-Typ 7910 eingesetzt werden.

Ein weiterer, allerdings nicht so gravierender, Nachteil dieser Art der negativen Hilfsspannungs-Erzeugung ist, dass die Belastung der Haupt-Spannung immer höher sein muss als die Belastung der Hilfsspannung. Das hängt damit zusammen, dass eine der Dioden der Graetzbrücke immer aktiv in Durchflussrichtung betrieben werden muss. Ist die Belastung der Hilfsspannung größer, wird die mögliche Hilfsspannungs-Größe nicht erreicht und -Uref ist entsprechend zu niedrig. Deshalb sichert der 2W-Last-Widerstand über der Graetzbrücke die Last der Haupt-Spannung auch dann, wenn an Ua kein Last-Widerstand angeschlossen ist (U1 im Leerlauf).

Längstransistoren KU607

Gegenüber der vorigen ENT2-Variante ist der mögliche Laststrom von 2 A jetzt zwar doppelt so groß, dafür ist aber die Trafospannung nur etwa halb so groß. Fazit: Die mögliche maximale Verlustleistung über den Regeltransistoren KU607 ist nicht größer als vorher. Deshalb wurden die Längsregler nicht geändert.

Der Einsatz moderner Darlington-Leistungstransistoren bringt zwar eine Erhöhung der Regelverstärkung und damit theoretisch eine Verbesserung der gesamten Regelung, aber es läge auch eine Basis-Emitter-Strecke mehr im Leistungskreis. Dies ist aber bei der sowieso schon knappen Trafospannung nicht zu wünschen.

LED-Anzeige CV und CL

Die frühere LED leuchtete, wenn die 723-Spannungsregelung aktiv war. Bei Strombegrenzung verlosch diese LED.

Jetzt gibt es für Control Voltage eine LED (grün) und für Current Limit eine LED (rot). Damit die LEDs auch wirklich den Übergang von der Spannungsregelung zur Strombegrenzung sauber anzeigen, wurde ein Opamp (LM258P) eingesetzt. Der 258-A vergleicht die Spannungsdifferenz zwischen den 723-Eingängen mit einer einstellbaren Referenzspannung.

Da im Normalfall (CV-Betrieb) die Spannungsdifferenz an den 723-Eingängen gleich Null ist, muss eine einstellbare Vergleichsspannung um die Null Volt zur Verfügung stehen. Dafür bietet sich die interne 723-Referenz von 7,15 V an. Gegen 723-Fußpunkt (Uref = -5 V) ergibt sich eine gegen GND positive Spannung von 2,15 V. Das heißt mittels Spannungsteiler kann eine Spannung von -5 V bis +2,15 V abgegriffen werden.

Die beste Einstellung ergibt sich, wenn am 723-Eingang -IN ca. -100 mV anliegen und dabei die LEDs gerade umschalten. Bei dieser 723-Differenzspannung hat die Strombegrenzung gerade eingesetzt, die Spannungsregelung (der CV-Betrieb) ist nicht mehr gewährleistet. Wird die Spannung an -IN noch negativer, wird die Strombegrenzung (CL-Betrieb) noch stärker, die CV-LED schaltet ab und die CL-LED schaltet ein.

Zur genauen Einstellung des 22kΩ-Potis sollte der Ua-Ausgang mit einem 27Ω-Widerstand belastet werden. Der Umschaltpunkt, d.h. die -100 mV am Eingang -IN (Pin 4) sind messbar, kann dann mit dem Usoll-Poti gesucht werden. Zur LED-Umschaltung muss nun nur noch das 22kΩ-Poti richtig justiert werden.

Panel-Versorgung

Jedes Panel muss potentialfrei mit einer Spannung zwischen 3,5 bis 30 V versorgt werden. Die verwendeten kleinen 7V-Tafos stammen aus der Bastelkiste. Trafos und Regelung befinden sich auf einer kleinen separaten Leiterplatte.

Die Regelschaltung ist einfach und wie in Ur-Zeiten diskret mit Transistoren und Z-Diode realisiert. Alle Widerstände haben den gleichen Wert von 15 kΩ, das vereinfacht die Bestückung. Es ergeben sich ca. 8 V Ausgangsspannung. Die Belastung ist weit weniger als die lt. Panel-Datenblatt angegebenen maximalen 9 mA.

Platine der Uref-Versorgung

Platine der LED-Ansteuerung

Fazit

Die Modernisierung des alten Labor-Netzgeräts ENT2 (Vers. 071010) hat sich gelohnt. Besonders die Einstellbarkeit ab Null Volt, die 2A-Ausgänge und die getrennten Ua-Panels sind vorteilhaft gegenüber der alten ENT2-Variante. Ebenso wird die Umschaltung vom CV- zum CL-Betrieb jetzt exakt angezeigt.

Eine weitere Verbesserung wäre die Anzeige der Ausgangsströme. Für die entsprechenden Panels ist aber auf der alten Frontplatte kein Platz vorhanden.

Labor-Netzgerät ENT3 (Muster)

Das ENT3 ist ein Doppel-Netzgerät kleiner Leistung. Es eignet sich für Versuchsschaltungen bis 20 V bei maximal 200 mA. Spannung und Strom werden mit vier Digital-Panels angezeigt. Die Spannungsregelung erfolgt mit dem 723. Die Strombegrenzung ist einstellbar und spricht schon bei wenigen Milliampere an.

ENT3-Versuchsmuster

Der folgende Versuchsaufbau bildet die Basis für das Labor-Netzgerät ENT3 im eigenen Gehäuse. Die Schaltung besteht aus 2 Platinen, den Anzeige-Panels und einigen Bedien- und Anzeige-Elementen.

Eigenschaften

• Ausgangspannung 0,0 bis 20 V einstellbar, Ausgangsstrom max. 200 mA
• Frontplatten-Panel jeweils für Ausgangsspannung und Ausgangsstrom
• Strombegrenzung (CL) mit Poti einstellbar
• LED-Anzeige jeweils für CV- und CL-Betrieb
• LM723 als Regelverstärker, Darlington-Transistor TIP120 als Längsregler
• Referenzelement LM336-2.5 und Opamp für die negative Referenzspannung
• DC/DC-Wandler mit CMOS-Generator (4001) zur 9V-Panelversorgung
• Zusatzausgänge 2x 10 V und 1x 5 V, jeweils max. 200 mA und potentialfrei

Rohspannungsversorgung und Zusatzausgänge

Die "Platine Rohspannung" enthält neben dem Haupt-Trafo T1 fast alle Bauelemente der Rohspannungsversorgung. Diese Platine und auch die Regler-Platine haben jeweils einen eigenen Bauelemente-Index.

Schaltungsbeschreibung

Auf der 230V-Eingangsseite ist nach dem Netzschalter S01 die Sicherung F01 angeordnet, über die auch die Versorgung eines Hilfstrafos läuft. Der Hilfstrafo befindet sich auf der Regler-Platine.

Rohspannungs- und Zusatzausgänge

Der 24V-Ausgang führt zum Längsregler der Regler-Platine und ist für eine strombegrenzte nominale Belastung von 200 mA ausgelegt. Der Trafo könnte zwar mehr Strom liefern. Mit dem Anzeigeumfang des Stromistwert-Panels (199,9 mA) ergibt sich eine Auflösung von 0,1 mA.

Der duale Zusatzausgang ±10 V ist mit dem Festspannungsregler 7810 und dem Negativregler B3370 (DDR-Typ) stabilisiert. Schalter S03 trennt bei Bedarf die Spannung von den Ausgangsbuchsen. So kann die externe angeschlossene Schaltung spannungsfrei geschaltet werden, ohne dass das Netzteil abgeschaltet werden muss. Dieser duale Ausgang ist u.a. vorzugsweise für Opamp-Schaltungen vorgesehen.

Ein weiterer Zusatzausgang liefert 5 V, die mit dem 7805 stabilisiert sind. Auch dieser Ausgang ist mittels S04 abschaltbar.

Strombegrenzung der Zusatzausgänge

Da im Falle eines Kurzschlusses an den Ausgangsbuchsen die interne Strombegrenzung der verwendeten Regler-ICs erst bei wesentlich mehr als 1 A anspricht, wurde eine zusätzliche Strombegrenzung vor dem jeweiligen Regler eingefügt (Q1 bis Q6). So ist der jeweilige Zweig (Trafowicklung und auch der DC-Ausgang) zuverlässsig geschützt, ohne dass die Fein-Sicherungen ansprechen.

Ursprünglich waren nur die Sicherungen vorgesehen, was sich nach mehreren Kurzschlüssen mit dem obligatorischen Sicherungswechsel als nachteilig erwiesen hat.

Die strombegrenzenden Transistoren Q1, Q3 und Q5 sind auf kleinen Kühlkörpern montiert, so dass ein Kurzschluss einige Minuten andauern darf. Allerdings sind die Kühlkörper für Dauerkurzschluss zu klein. Die Zusatzausgänge sind für ca. 200 mA ausgelegt.

Layout der Rohspannungs-Platine

Das folgende Layout ist nicht optimal und zeigt die nötigen Änderungen, verursacht durch die zusätzlichen Strombegrenzungs-Transistoren.

Regler-Platine und Anzeige

Außer Anzeige-Panels, LEDs, Potis und Schalter S02 für die Spannungsabschaltung sind alle anderen Bauelemente auf der Regler-Platine angeordnet.

Schaltungsteile

• 723 (IC1) als Referenzspannungsquelle, Regelverstärker und Strombegrenzer
• OP07 (IC4) mit Regeltransistor (Q2) zur Regelung der negativen Referenzspannung
• U-Panel (P01) zur Spannungsanzeige (+Ua) und I-Panel (P02) zur Stromanzeige (Ia)
• LED-Anzeige LED 02 (CV) für Spannungsregelung und LED 03 (CL) für Strombegrenzung
• Kompensations-Stromquelle (Q3) für das I-Panel
• Digitaler CMOS-Generator (IC5), CMOS-Treiber (IC6) und Gleichrichtung (D11 bis D16) zur potentialfreien 9V-Versorgung der Anzeige-Panels

Schaltungsbeschreibung

Die genannten Schaltungsteile basieren auf den weiter oben beschriebenen 723-Schaltungen (Ua einstellbar ab Null Volt).

Strombegrenzung CL

Normalerweise hat CL (Current Limit) einen festen Wert, wenn die Basis-Emitter-Strecke des internen 723-Transistors T3 über dem Shunt R1 liegt. Durch das Poti VR02 in Verbindung mit R5 wird der Begrenzungsstrom einstellbar. Steht VR02-s (Schleifer) auf VR02-a (Anfang), reicht schon ein geringer Spannungsabfall über dem Shunt R1 aus, um T3 aufzusteuern und damit den Strom zu begrenzen. Ursache ist die Q1-Basis-Emitterspannung, die im Falle des eingesetzten TIP120 (Darlington-Transistor) bis zu 1,4 V betragen kann. R5 bestimmt, ab welchem Ausgangsstrom die Strombegrenzung in Stellung VR02-a zu wirken beginnt. Der minimale Ua-Kurzschluss-Strom betrug 13 mA.

In Poti-Stellung VR02-e ist der maximal mögliche CL-Wert eingestellt. Dieser maximale Begrenzungsstrom wird vom Shunt R1 bestimmt. Die Strombegrenzung setzt ein, wenn durch R1 soviel Strom fließt, dass der R1-Spannungsabfall den 723-Strombegrenzungstransistor T3 aufsteuert. Der maximale Ua-Kurzschluss-Strom betrug 230 mA.

Negative Referenzspannung Uref1

Bei dieser Schaltung wird vom 723 (IC1) die interne 723-Referenz als Betriebsspannung für den Sollwert Uref der Uref1-Regelschaltung mit dem OP07 genutzt. Den Sollwert Uref stellt die Bandgap-Referenz LM336-2.5 bereit. Diese Referenzquelle hat den Vorteil, auf genau 2,490 V einstellbar zu sein. Dies geschieht mit Trimm-Poti VR1. Bei dieser Einstellung ist der Uref-TK am geringsten. In Verbindung mit dem eingesetzten Präzisions-Opamp OP07 ergibt sich ein Gesamt-TK von Uref1, der besser ist als der 723-Referenz-TK.

Die erzeugte Null-Referenz Uref1 = 2,490 V ist gegenüber dem Potential 0(Uref) positiv und gleichzeitig mit dem Ua-Null-Potential 0(Ua) = GND verbunden.

U-Regelung

Anschluss -IN des 723-Reglers (IC1) erhält über R3 und Schleifer VR01-s von der +Ua-Schiene seinen Istwert. Anschluss +IN ist über R2 mit GND referenziert. Der 723-Ausgang Vo liefert Basisstrom für den Darlington-Transistor Q1. Q1 liegt als Stellglied in der Plus-Schiene und steuert so +Ua.

Mit VR01 ist +Ua von Null bis 20 V einstellbar. Null ergibt sich, wenn der Schleifer VR01-s auf a (Anfang) steht. Damit ist VR01 überbrückt und Eingang -IN liegt auf +Ua. Da +IN auf GND liegt, regelt der 723-Opamp V1 das Stellglied Q1 solange zu, bis auch -IN und damit +Ua das GND-Potential annehmen, d.h. +Ua ist Null. (Ursache ist ja die Tatsache, dass V1 wegen seiner hohen Verstärkung über den Regeltransistor Q1 dafür sorgt, dass -IN und +IN nahezu gleiches Potential haben.)

Diese Regelung funktioniert aber nur deshalb, weil der 723-Opamp V1 mit seinem negativen Betriebsspannungsanschluss -Vs nicht auf GND, sondern auf der gegenüber GND negativen Referenzspannung Uref1 liegt. Nur so ist es möglich, dass V1 mittels Q1 bis auf GND (d.h. Null) zuregeln kann.

Die maximale Ausgangsspannung Uamax ergibt sich, wenn der Schleifer VR01-s auf e (Ende) steht. Damit ist VR01 voll wirksam. Das VR01-e-Potential gegenüber +Ua wird vom Teilerverhältnis des Pfades VR01-VR2-R11 bestimmt. Da aber das VR01-e-Potenial gegenüber dem Teiler-Fusspunkt im ausgeregelten Zustand genau der Referenzspannung Uref1 entspricht und konstant ist, ändert sich mit Änderung des VR1-Wertes die +Ua-Ausgangsspannung gegenüber GND.

Mit VR2 kann die maximal erreichbare Ausgangsspannung +Ua abgeglichen werden. Voraussetzung ist natürlich, dass die Rohspannung am Q1-Kollektor mindestens 2,5 V über der gewünschten maximalen Ausgangspannung liegt. Das muss auch im ungünstigsten Fall gewährleistet sein, d.h. bei -10 % Netzspannung (207 Vac) und gleichzeitig Maximalstrom (200 mA) am Ausgang. Der untere Rippelspannungswert von +Ue darf dabei noch nicht erreicht sein.

CV/CL-Anzeige mit LED02 bzw. LED03

Zur genaueren Anzeige der Umschaltung von CV (Konstantspannung) auf CL (Strombegrenzung) ist dem internen Transistor T3 (723) ein Transistor Q4 mit Basis und Emitter parallel geschaltet. Hat Q4 die gleiche Eingangskennlinie (UBE) wie T3, wird auch Q4 beim Übergang vom CV-Betrieb zum CL-Betrieb im gleichen Moment leitend. Damit ist der CL-Umschaltpunkt genau bestimmt. Die Transistoren Q5, Q6 und Q7 werten die Umschaltung entsprechend aus.

Nun ist natürlich ein genau T3-gleicher externer Transistor nicht leicht zu finden. Das ist aber auch nicht nötig, die praktische Erprobung zeigte, dass nahezu jeder Kleinleistungs-Transistor ohne besondere Auslese geeignet ist. Es geht ja auch nur darum, das Verlassen der Ua-Spannungsregelung hinreichend genau anzuzeigen.

Sobald Q4 durchsteuert, erhält Q5 über R18 Basisstrom und wird leitend. Der resultierende R19-Spannungsabfall treibt über R20 Strom in die Q6-Basis, so dass LED03 (CL) zu leuchten beginnt. Über R22 werden gleichzeitig Q7 und Q8 so angesteuert, dass LED02 (CV) verlischt. Q7 arbeitet als Negator und sperrt Q8.

Die Rückschaltung der LED-Anzeige vom CL-Betrieb in den CV-Betrieb erfolgt, sobald der Ausgangsstrom durch Shunt R1 wieder genügend klein wird und deshalb Q4 wieder sperrt. Dadurch sperren auch Q5 und Q6. Die CL-LED verlischt. Gleichzeitig wird Q8 leitend, die CV-LED beginnt zu leuchten.

Kompensations-Stromquelle (Q3) für I-Panel

Ist am Ua-Ausgang keine Last angeschlossen, sollte auch das I-Panel den Wert 000 anzeigen (0 mA). Das ist aber nicht der Fall, da der immer über Shunt R1 fließenden Strom durch den Istwert-Spannungsteiler (VR01-VR2-R11) einen Spannungsabfall über R1 erzeugt. Diese Spannung wird mit dem am Shunt angeschlossenen I-Panel angezeigt. Zur Kompensation liefert Q3 einen konstanten entgegen gesetzten Strom. Die genaue Einstellung dieses Stroms erfolgt mit VR3 so, dass ohne Ua-Last das I-Panel den Wert 000 anzeigt.

Damit die Konstant-Stromquelle von der restlichen Schaltung nicht beeinflusst wird, muss sie potentialfrei eingebunden sein. Dies erfolgt über eine weitere Wicklung des Hilfs-Trafos T1. Z-Diode ZD1 sorgt für die nötige Vorstabilisierung, damit durch die LED1-Referenz kein Rippelstrom fließt.

Eine LED als Referenz für die Transistor-Stromquelle ist vorteilhaft. Die LED-Fluss-Spannung ist ca. 1,8 V. Der TK dieser Spannung beträgt etwa -2 mV/Grad und ist mit dem TK der Q3-UBE-Strecke vergleichbar. Beide TKs heben sich auf (idealerweise), d. h. die temperaturbedingte Q1-UBE-Änderung wird durch die temperaturbedingte LED-UF-Abweichung kompensiert. Der von Q3 gelieferte Strom hat also einen geringen TK, die Null-Anzeige des I-Panels bei fehlender Last bleibt auch bei Änderung der Umgebungstemperatur stabil.

Layout der Regler-Platine

Testaufbau

Der Schaltungstest ergab Folgendes:

• Neues Layout für die Trafo-Platine erforderlich (wegen der hinzugefügten Strombegrenzung für die Hilfsspannungen)
• Panelversorgung mit Trafos günstiger (wegen Einstreuungen der Rechteck-Impulse des DC-DC-Wandlers auf den Regler)
• Temperaturüberwachung des Längsregel-Transistors sinnvoll
• 2-fache Auslegung sinnvoll (Doppel-Netzteil)

Fazit

Entsprechend dem Schaltungstest ist eine Neukonzeption erforderlich. Jedoch lieferte das grundsätzliche Schaltungsprinzip die erwarteten Ergebnisse. Insbesondere die hohe Auflösung und Genauigkeit der Stromistwert-Anzeige (199,9 mA) ist vorteilhaft.

Labor-Netzgerät ENT3

ENT3-Aufbau und Eigenschaften

Das ENT3 besteht aus 3 Euro-Platinen und den nötigen Bauelementen auf der Frontplatte. Ein Lüfter, der nur bei höherer Last läuft, ist separat im Gehäuse verschraubt. Außerdem gibt es im gleichen Gehäuse 2 zusätzliche Festspannungsquellen (Beschreibung siehe weiter unten).

Eigenschaften

• Zwei galvanisch getrennte Regel-Netzteile, unabhängig oder gemeinsam nutzbar
• Spannung 0...20 V einstellbar, Anzeige 3,5-stellig (19,99 V)
• Strombegrenzung 10...200 mA einstellbar, Anzeige 3,5-stellig (199,9 mA)
• Parallelbetrieb (0...20 V bei max. 400 mA) und Serienbetrieb (0...40 V bei max. 200 mA) möglich
• Regelung und Strombegrenzung mit dem xx723
• Strom-Kompensation im Shunt zur genauen Stromanzeige, Auflösung 100 µA

Frontplatte

Da das ENT3 immer noch nicht vollständig aufgebaut ist, sei hier nur die Frontplatte gezeigt.

Das ganze Gehäuse besteht aus Front-, Rück- und 4 Abdeckplatten aus einseitig Cu-kaschiertem Halbzeug (1,5 mm). Front- und Rückplatte sind mit 7,5mm-Al-Vierkantschienen miteinander verschraubt. Die Abdeckplatten sind ebenfalls an die Vierkantstäbe geschraubt und haben zur Belüftung entsprechende Bohrungen. Der 120mm-Lüfter ist direkt an der Deckplatte montiert. Die Gehäusetiefe beträgt 260 mm.

Die Frontplatte ist symmetrisch bestückt, links das Netzteil A, rechts das Netzteil B und darunter jeweils ein 5V-Zusatzausgang mit intern/extern umschaltbarer Anzeige 0 bis 33 V. Alle Anschlüsse bestehen aus 4mm-Buchsen und dazu parallel geschalteten 9-Pin-Sub-D-Buchsenleisten. Diese Buchsenleisten sind für den Anschluss der 1mm-System-Verbindungsleitungen des Autors vorgesehen.

Übersichtsplan

Verdrahtungsplan

Der Verdrahtungsplan zeigt schematisch die nötigen Verbindungen zwischen den 3 Platinen und der Frontplatte. Die Zusatz-Ausgänge ("z" im BE-Index) sind nur andeutungsweise berücksichtigt.

Die Netzleitungen sind entsprechend den gültigen Vorschriften (Farbe, Isolationsfestigkeit, Zugentlastung, Mindestquerschnitt 0,75 qmm flexibel) zu verlegen. Das Metall-Gehäuse ist über den Schutzleiteranschluss geerdet.

Leitungen, die einen höheren Strom führen (rot bzw. blau) sollten auch einen höheren Querschitt haben. Dabei ist aber nicht so sehr die nötige Belastbarkeit, sondern ein niedriger ohmscher Widerstand wichtig.

Alle anderen Leitungen sind nicht kritisch. Allerdings sollten die angegebenen Anschluss-Punkte auch so benutzt werden, damit sich eindeutige GND-Verhältnisse ergeben. Werden die einzelnen Leitungen entsprechend der angegebenen Leitungsbündel verlegt, sind keine gegenseitigen Störungen zu befürchten.

ENT3-Schaltung 0-20V

Die beiden 20V-Netzteile A und B haben die gleiche Schaltung, sind aber galvanisch völlig getrennt. Sie arbeiten unabhängig voneinander und können deshalb in Reihe oder parallel betrieben werden. Jedes der beiden 20V-Netzteile hat eigene Anzeige-Panels für Spannung und Strom. Die Rohspannung für A und B kommt aus einem gemeinsamen Trafo. Die Lüfterregelung existiert nur einmal und ist für beide 20V-Netzteile wirksam.

Schaltungsprinzip

Die Regelschaltung basiert auf dem 723, der allerdings durch verschiedene Zusätze aufgewertet wurde. Im folgenden Bild sind die wesentlichen Schaltungsteile der Regelung dargestellt.

Schaltungsteile

• LM723 (IC1) als Regelverstärker und Roh-Referenzspannungsquelle
• Darlington-Längstransistor TIP120 (Q1) als Stellglied für die Ausgangsspannung Ua
• Stromistwert-Sensor mit Shunt R1 für die Strombegrenzung (CL, Current Limit)
• Strombegrenzung (CL) mit Transistor Q8 (Ersatz für den 723-internen T3)
• CL-LED-Ansteuerung über Q4 und LED-Control Q3, Q6 und Q7
• Strom- und Spannungsanzeige mit je einem 200mV-Panel
• Opamp OP07 (IC3) mit Treibertransistor (Q2) für die LM336-Referenzspannung, negativ gegen GND
• Kompensations-Stromquelle (LM317L) für die I-Panel-Null-Anzeige bei Ia = Null
• 3 trafoentkoppelte Rohspannungsquellen für Regelung, Referenz und Panel-Kompensation
• nicht im Bild: 2 trafoentkoppelte Rohspannungsquellen inklusive Regelung für die Panels

Schaltungsbeschreibung

Spannungsregler LM723 (IC1)

Der 723 enthält eigentlich alle zur Regelung nötigen Funktionsgruppen. Hier wird aber nur der Regelverstärker V1 mit den Transistoren T1 und T2 benutzt, um den externen Längsregler Q1 (TIP120) anzusteuern. Der interne Strombegrenzer T3 bleibt unbeschaltet, da die externe Strombegrenzung vorteilhafter mit Transistor Q8 erfolgt.

Der 723-Regler erhält seine Spannung nicht von der Ua-Rohspannung, sondern von einer separaten Greatz-Brücke mit eigenem Ladekondensator. Diese Spannung +Ue1 ist im Durchschnitt aufgrund der geringeren Belastung etwas höher als die Ua-Rohspannung +Ue. Damit kann der Regeltransistor Q1 besser durchgesteuert werden.

Die mit V2 bereitgestellte interne 7,15V-Referenz dient als Rohspannung für die extern erzeugte 2,5V-Referenz. Dadurch ergibt sich eine sehr stabile Versorgung der externen Referenzquelle LM336.

Der Bezugspunkt für den 723-Regelverstärker ist nicht das Ua-Null-Potential (GND), sondern die gegenüber GND negative 2,5V-Referenz Uref1. Dadurch kann die Ausgangsspannung Ua bis auf Null geregelt werden.

Negative Referenzspannung -Uref1

Die interne 723-Referenz wird als Betriebsspannung für den Sollwert Uref der Uref1-Regelschaltung (IC3, Q2) genutzt. Den Sollwert Uref stellt die Bandgap-Referenz LM336-2.5 bereit. Diese Referenzquelle hat den Vorteil, auf genau 2,490 V einstellbar zu sein, bei der der Uref-TK am geringsten ist. In Verbindung mit dem eingesetzten Präzisions-Opamp OP07 ergibt sich ein Gesamt-TK von Uref1, der besser ist als der 723-Referenz-TK.

Die erzeugte Null-Referenz Uref1 = 2,490 V ist gegenüber dem Potential 0(Uref) positiv und gleichzeitig mit dem Ua-Null-Potential 0(Ua) = GND verbunden. Da sich aber die 723-Regelung auf 0(Uref) bezieht, steht eine gegenüber GND negative Referenzspannung -Uref1 zur Verfügung.

Die Betriebsspannung Ubref für die Referenz-U-Regelschaltung wird potentialfrei von einem separaten Trafo mit Gleichrichter und Lade-C bereitgestellt.

Spannungsregelung CV

Anschluss -IN des 723-Reglers (IC1) erhält über R3 und Schleifer VR1-s von der +Ua-Schiene seinen Istwert. Anschluss +IN ist über R2 mit GND referenziert. Der 723-Ausgang Vo liefert Basisstrom für den Darlington-Transistor Q1. Q1 liegt als Stellglied in der Plus-Schiene und steuert so +Ua.

Mit Poti VR1 ist +Ua von Null bis 20 V einstellbar. Null ergibt sich, wenn der Schleifer VR1-s auf a (Anfang) steht. Damit ist VR1 überbrückt und Eingang -IN liegt auf +Ua. Da +IN auf GND liegt, regelt der 723-Opamp V1 das Stellglied Q1 solange zu, bis auch -IN und damit +Ua das GND-Potential annehmen, d.h. +Ua ist Null. (Ursache ist ja die Tatsache, dass V1 wegen seiner hohen Verstärkung über den Regeltransistor Q1 dafür sorgt, dass -IN und +IN nahezu gleiches Potential haben.)

Diese Regelung funktioniert aber nur deshalb, weil der 723-Opamp V1 mit seinem negativen Betriebsspannungsanschluss -Vs nicht auf GND, sondern auf der gegenüber GND negativen Referenzspannung Uref1 liegt. Nur so ist es möglich, dass V1 mittels Q1 bis auf GND (d.h. Null) zuregeln kann.

Die maximale Ausgangsspannung Uamax ergibt sich, wenn der Schleifer VR1-s auf e (Ende) steht. Damit ist VR1 voll wirksam. Das VR1-e-Potential gegenüber +Ua wird vom Teilerverhältnis des Pfades VR1-VR2 bestimmt. Da aber das VR1-e-Potenial gegenüber dem Teiler-Fusspunkt im ausgeregelten Zustand genau der Referenzspannung Uref1 entspricht und konstant ist, ändert sich mit Änderung des VR1-Wertes die +Ua-Ausgangsspannung gegenüber GND.

Mit Trimm-Poti VR2 kann die maximal erreichbare Ausgangsspannung +Ua abgeglichen werden. Voraussetzung ist natürlich, dass die Rohspannung am Q1-Kollektor mindestens 2,5 V über der gewünschten maximalen Ausgangspannung liegt. Das muss auch im ungünstigsten Fall gewährleistet sein, d.h. bei -10 % Netzspannung (207 Vac) und gleichzeitig Maximalstrom (200 mA) am Ausgang. Der untere Rippelspannungswert von +Ue darf dabei noch nicht erreicht sein.

Strombegrenzung CL

Normalerweise wirkt CL (Current Limit) über den 723-internen Transistor T3, wenn dessen Basis-Emitter-Strecke über dem Shunt R1 liegt. Es gibt zwei Gründe, warum T3 nicht für CL beschaltet ist.

Transistor T3 hat eine relativ geringe Stromverstärkung, so dass der Übergang vom CV-Betrieb (CV Control Voltage) zum CL-Betrieb relativ langsam erfolgt. Der zweite wichtigere Grund für den externen Transistor Q8 ist aber, dass Q8 mit Q4 auf Gleichheit und beide Transistoren mit hoher Stromverstärkung ausgesucht werden können. Q4 steuert über 3 weitere Transistoren die CL-LED (und damit auch die CV-LED) an. Nun sollte aber die CL-LED gerade aufleuchten, wenn die Strombegrenzung beginnt. Das ist aber nur der Fall, wenn die Q8-Eingangskennlinie mit der Q4-Eingangskennlinie übereinstimmt. Anders ausgedrückt, die Q8-Ube und die Q4-Ube sollte beim Übergang in den leitenden Zustand möglichst gleich sein.

Normalerweise ist der Begrenzungseinsatz des Stroms Ia durch die Schwellspannung des Begrenzungstransistors (T3 bzw. hier Q8) festgelegt. Durch das Poti CLmax (VR2) wird der Begrenzungsstrom einstellbar. Steht der VR2-Schleifer auf VR2-a (Anfang), reicht schon ein geringer Spannungsabfall über dem Shunt R1 aus, um Q8 aufzusteuern und damit den Strom zu begrenzen. Ursache ist die relativ konstante Q1-Basis-Emitterspannung, die im Falle des eingesetzten TIP120 (Darlington-Transistor) bis zu 1,4 V betragen kann. Steht der VR2-Schleifer am anderen Ende, muss die über Shunt R1 abfallende Spannung größer sein, damit Q8 durchsteuert. Das bedeutet, die Strombegrenzung setzt erst bei größerem Ausgangsstrom Ia ein. Es ergibt sich durch diese einfache Anordnung ein minimaler Ua-Kurzschluss-Strom von ca. 10 mA.

Der maximale Ua-Kurzschluss-Strom beträgt ca. 230 mA. Damit ist der Abstand zum nominalen Maximal-Ausgangstrom von 200 mA genügend groß. Es muss ja gewährleistet sein, dass der Regler bei 200 mA die Spannung Ua noch regeln kann, ohne dass die Strombegrenzung wirkt.

Stromanzeige (I-Panel)

Das Panel für den Strom, der über die Ausgangsklemmen fließt, hat eine Empfindlichkeit von 200 mV. Mit der Anzeige 199.9 ergibt sich eine Anzeige-Auflösung von 0,1 mA. Das Panel ist über einen Spannungsteiler an den größeren Shunt-Spannungsabfall (ca. 0,65 V bei 200 mA) angepasst (im Bild nicht dargestellt).

Kompensations-Stromquelle (LM317L) für I-Panel

Ist am Ua-Ausgang keine Last angeschlossen, sollte auch das I-Panel den Wert Null anzeigen (0.0 mA). Das ist aber nicht der Fall, da der immer über Shunt R1 fließenden Strom durch den Istwert-Spannungsteiler (VR1-VR2) einen Spannungsabfall über R1 erzeugt. Außerdem fließt noch ein geringer Strom über das CL-Poti VR2. Diese R1-Spannung wird mit dem am Shunt angeschlossenen I-Panel angezeigt.

Die Höhe des nicht gewünschten Stroms ist konstant und wird hauptsächlich von VR2 bestimmt (ca. 3,8 mA). Über VR2 liegt Uref1 konstant mit 2,49 V. Das bewirkt einen konstanten Strom, der von Q1 über R1-VR1-VR2 nach -Uref1 fließt.

Die Wert-Änderung des Usoll-Potis VR1 in Abhängigkeit von der VR1-Schleiferstellung bewirkt keine Stromänderung durch R1, da der VR1-Spannungsabfall proportional zur eingestellten Ausgangsspannung +Ua ist. Ursache ist, dass der Knoten VR1e-VR2e virtuell mit 0(Ua), d.h. GND, verbunden ist (im ausgeregelten Zustand). Steht z.B. VR1 auf a, ist Ua = Null und der Strom durch VR2 wird nur von Uref1 bestimmt (wegen +Ua = VR1e = VR2e = GND). Steht VR1 dagegen auf e, ist zwar +Ua = 20 V, aber dieser Spannung wird jetzt der gesamte Widerstand von VR1 entgegengesetzt. Fazit: Auch jetzt fließt kein größerer Strom durch den Zweig R1-VR1-VR2, d.h. der Strom durch Shunt R1 bleibt konstant.

Die Unterdrückung des nicht gewünschten konstanten Stroms geschieht einfach durch einen konstanten Strom entgegengesetzter Richtung. Die Summe beider Ströme im Shunt R1 ist dann Null und das I-Panel zeigt keinen Strom an, wenn kein Strom über den Ausgang fließt.

Zur Kompensation liefert die hochkonstante LM317L-Stromquelle einen einstellbaren Strom. Die Einstellung dieses Stroms erfolgt so, dass ohne Ua-Last das I-Panel den Wert Null (0.0) anzeigt. Dabei sollte die Umax-Einstellung mit VR2 vorher erfolgt sein.

Damit die Konstant-Stromquelle von der restlichen Schaltung nicht beeinflusst wird, muss sie potentialfrei eingebunden sein. Dies erfolgt über einen weiteren kleinen Trafo mit zugehöriger Gleichrichtung und Spannungsstabilisierung.

Spannungsanzeige (U-Panel)

Auch das Panel für die Ausgangsspannung ist ein 200mV-Panel mit 10 MΩ Eingangswiderstand. Für die nominale maximale Ausgangsspannung von 20 V wird der Wert 19.99 angezeigt. Die Auflösung beträgt also 10 mV. Zusammen mit der I-Panel-Auflösung von 0,1 mA ergeben sich auch bei Schaltungen mit wenig Leistung (niedrige Spannung, niedriger Strom) detaillierte und vor allem (aufgrund der gewählten Schaltungstechnik) reproduzierbare Anzeigewerte.

Rohstromversorgung (Trafo-Platine)

Die Trafo-Platine trägt den Hauptstrom-Trafo, der neben dem Rohstrom für die zwei Spannungsausgänge A und B noch weitere 3 Spannungen liefert. Die Hauptwicklungen sind mit nur 20 Vac für eine geregelte Ausgangsspannung von ebenfalls 20 Vdc recht knapp bemessen. Deshalb wurde die Betriebsspannung für den 723-Regler (Ue1) separat erzeugt. Bei Maximalbelastung des Ausgangs (z.B. A) bricht somit die Spannung für den Längstransistor (Ue) stärker ein als Ue1. Das bedeutet, Ue1 ist besonders bei Belastung wesentlich höher als Ue. Der Spannungsabfall an den Basis-Emitter-Strecken der Regeltransistoren T1 und T2 im 723 wird somit mehr als ausgeglichen. Das hat wiederum zur Folge, dass die 20 Vac des Trafos gerade so reichen, um bei 200 mA Ausgangsbelastung noch 20 Vdc geregelt zur Verfügung zu haben.

Betriebsspannung für Uref

Die nächsten beiden 15Vac-Wicklungen liefern die Betriebsspannung Ubref zur Erzeugung der negativen Regler-Referenz Uref (siehe Regler-Schaltpläne). Ohne Last (oL) stehen knapp 20 Vdc zur Verfügung.

Betriebsspannung für den Lüfter

Eine 12Vac-Wicklung liefert die Rohspannung für die temperaturabhängige Drehzahlregelung des Lüfters M1. Die Schaltung mit zwei MOSFETs hat sich bewährt und ist an anderer Stelle (siehe Zusatz-Schaltungen) näher beschrieben. Die beiden NTC-Widerstände zur Temperatur-Erfassung befinden sich direkt auf den Kühlkörpern der Regler-Platine. Ohne Mühe können Grunddrehzahl und Einsatzpunkt der Drehzahlerhöhung mit den Trimm-Rs VR1 und VR2 eingestellt werden. Damit ist eine Anpassung an verschiedene 12V-Lüfter möglich. Der im Bild angegebene Lüfter läuft besonders leise und dreht sich schon bei 4 V zuverlässig.

Trafo-Platine

Hilfsversorgung (Panels)

Die Platine der Hilfsversorgung ist mit insgesamt 8 identischen 1,5VA-Trafos bestückt, die jeweils 11 Vac (ohne Last) liefern.

Shunt-Konstantstrom Ic

Wie weiter oben schon beschrieben wird über den Shunt ein konstanter Strom Ic geschickt, der den Strom durch den Ua-Istwert-Teiler ausgleicht, um auch niedrige Stromwerte mit dem Ia-Panel richtig anzeigen zu können. Die Konstantstrom-Quellen sind mit dem LM317 realisiert. Ic lässt sich mit VR1 (bzw. VR2 für Regler B) so einstellen, dass die Ia-Panel-Anzeige auf Null steht, wenn am Ua-Ausgang keine Last vorhanden ist.

9V-Versorgung der Panels

Ausgänge A und B haben je 2 Panels, 2 geplante Zusatz-Ausgänge weitere 2. Alle 6 Regelschaltungen sind völlig gleich aufgebaut und nach altem Muster mit Transistoren realisiert.

Platine Panel-Versorgung

Panel-Anpassung

Die 200mV-Panels DPM438 sind entsprechend dem vorgesehenen Einsatzzweck anzupassen. Damit die Bauelemente nicht fliegend am Panel hängen müssen und vor allem damit die Trimm-Potis mechanisch fixiert sind, wurden kleine Platinen entsprechend bestückt und mit Draht (CuL) am Panel-Rahmen befestigt.

Die Beschaltung ist im Bild angegeben. Für die Stromversorgungsanschlüsse sind zusätzlich 2 Kondensatoren (100 nF keramisch und 10 µF Elko) montiert, damit irgendwelche Einstreuungen nicht wirksam werden können. Zwischen dem Signalanschluss IN und COM ist ebenfalls ein kleiner keramischer Kondensator von 100 nF geschaltet.

Die Trimm-Potis sollten wenigstens 10 Gänge (oder auch 25 Gänge) haben, damit ein genauer Abgleich möglich ist. Ein Endwert-Abgleich mittels des sich auf der Panel-Platine befindlichen Trimm-Potis ist normalerweise nicht nötig. Falls erforderlich (für genau gleiche Anzeige mehrerer Panels) sollte aber der Grundbereich von 200 mV vor dem Hinzufügen der im Bild gezeigten Anpassungs-Platine genau eingestellt werden. Das gelingt allerdings zufriedenstellend genau nur, wenn man das 220Ohm-Poti gegen ein Spindelpoti austauscht. (siehe dazu Panel PM438 (200 mV))

Regelung A und B

Beide Regelschaltungen (für Ausgang A und B) befinden sich auf einer gemeinsamen Platine und sind gleich. Das Prinzip der Spannungsregelung CV und Strombegrenzung CL ist weiter oben beschrieben.

Ausgang A

Referenzspannung Uref1

Der Regler mit Opamp OP07 (IC3) stellt über den Treibertransistor Q2 die gegen 0(Uref) positive Spannung von 2,49 V zur Verfügung. Die Referenz dazu liefert das Referenzelemnent LM336-2,5 (IC2). Versorgt wird dieses Referenzelement von der Referenzspannung des 723-Reglers. Dadurch ergibt sich eine sehr stabile Uref über IC2, die mit VR1 auf genau 2,490 V abzugleichen ist. Dieser Abgleich sorgt für die Arbeit des LM336 bei geringstem Temperatur-Koeffizienten. Das heißt, Uref ist nahezu unabhängig von der Umgebungstemperatur. Die Dioden D2 und D3 sollten die gleiche Temperatur haben wie das Referenzelement LM336.

Anzeige-LED CV und CL

Die CV-LED soll leuchten, wenn sich die Schaltung im Modus Spannungsregelung befindet, d.h. wenn keine Strombegrenzung wirkt. Die CL-LED dagegen soll leuchten, wenn die Strombegrenzung den Ausgangsstrom durch Absenken der Ausgangsspannung Ua begrenzt. Der Übergang soll möglichst abrupt erfolgen.

Die Schaltung mit den Transistoren Q3 bis Q6 realisiert dieses Verhalten. Q4 liegt mit seinem Basiswiderstand R12 parallel zum eigentlichen Strombegrenzungstransistor Q8. Das bedeutet, wird Q8 wegen zu hohem Ausgangsstrom durch Shunt R1 leitend, wird auch Q4 leitend. Das ist natürlich nur der Fall, wenn beide Transistoren die gleiche Eingangskennlinie haben. Q4 und Q8 sollten deshalb vom gleichen Typ sein und wenigstens etwa gleiche Stromverstärkung haben.

Bei Strombegrenzung ist also Q4 durchgesteuert, damit ist auch Q3 leitend. Der sich ergebende Spannungsabfall über R15 steuert nun Q5 durch, die CL-LED leuchtet. Gleichzeitig steuert aber auch Q6 durch, Q7 sperrt und die CV-LED verlischt. Im Übergangsbereich leuchten kurzzeitig beide LEDs.

Abschalten der Ausgangsspannung Ua

Mit Schalter S2 kann der Ausgang spannungslos geschaltet werden, ohne das Gerät abschalten zu müssen. Das hat sich beim Testen und Ändern von Schaltungen bewährt. Damit diese Abschaltung auch bemerkt wird, ist die OUT-LED1 vorhanden, die normalerweise und unabhängig von der eingestellten Ausgangsspannung leuchtet. Bei abgeschaltetem Ausgang wird diese LED mit S2.2 überbrückt.

Ausgang B

Platine Regler A und B

ENT3-Abgleich

Der Abgleich sollte bei Zimmertemperatur (20°C), nominaler Netzspannung (230 V) und nach einigen Minuten Einlaufzeit erfolgen. Voraussetzung für den Abgleich ist, das Gerät funktioniert prinzipiell, alle Rohspannungen haben den richtigen Wert (siehe Schaltpläne). Wichtig ist, dass die Strombegrenzung funktioniert.

1. U-Panel P1A abgleichen
2. I-Panel P2A abgleichen
3. Referenz-Spannung Uref einstellen
4. Konstantstrom Ic einstellen
5. Maximale Ausgangsspannung Umax einstellen
6. Maximalen Ausgangsstrom Imax einstellen (R5 optimieren)
7. CV-/CL-LED einstellen (R14 optimieren)
8. Lüfterregelung abgleichen

Abgleich im Einzelnen

1. U-Panel P1A abgleichen
• U-Panel-Messanschlüsse (IN/COM) lösen
• Ersatzweise eine stabile externe Spannung von 19,20 Vdc anschließen
• U-Panel-Anzeige mit Trimmpoti am U-Panel auf 19,20 einstellen
• U-Panel-Messanschlüsse wieder am ENT3 anschließen
2. I-Panel P2A abgleichen
• An Ua Lastwiderstand (68 Ohm, 5 W) in Reihe mit Mess-Shunt (1,0 Ohm) anschließen
• Referenz-DVM (200 mV) am Mess-Shunt anschließen
• Mit Usoll-Poti 192 mA Ausgangsstrom fließen lassen (192,0 mV am DVM, Ua ca. 13,25 V)
• I-Panel-Anzeige mit Trimm-Poti am I-Panel auf 192,0 einstellen
3. Referenz-Spannung Uref einstellen
• Mit VR1 auf der Regler-Platine Uref = 2,490 V einstellen (Uref ist messbar über C6, siehe Schaltplan)
4. Konstantstrom Ic einstellen
• DVM am Shunt R1 (Reglerplatine) anschließen
• Mit VR1 auf der Platine Panel-Versorgung (VR2 für Kanal B) über dem Shunt 0,0 mV einstellen
• Oder einfacher (ohne DVM):
  Mit VR1 auf der Platine Panel-Versorgung (VR2 für Kanal B) die I-Panel-Anzeige 0,0 einstellen
5. Maximale Ausgangsspannung Umax einstellen
• Usoll-Poti VR1 auf Maximum-Anschlag (e bzw. Rechtsanschlag) stellen
• Keine Last am Ua-Ausgang
• Mit Umax-Trimmer VR2 (Reglerplatine) die U-Panel-Anzeige auf 19,99 einstellen (ggf. R11 optimieren)
6. Maximalen Ausgangsstrom Imax einstellen (R5 optimieren)
• CLmax-Poti VR2A auf Minimum-Anschlag (a bzw. Linksanschlag) stellen
• Usoll-Poti VR1A auf Maximum-Anschlag (e bzw. Rechtsanschlag) stellen
• Ua-Ausgang kurzschließen
• Mit R5 (Regler-Platine) die I-Panel-Anzeige auf 10,0 mA bringen
  Hinweis: Der maximale Begrenzungsstrom für CLmax-Poti-Rechtsanschlag wird vom Shunt-Wert R1 (Regler-Platine) bestimmt und ist fest vorgegeben.
7. CV-/CL-LED einstellen (R14 optimieren)
• R14 (Regler-Platine) beeinflusst den Übergang der LED-Anzeige vom CV-Betrieb in den CL-Betrieb.
  R14 so optimieren, dass sich beim CV-CL-Übergang (beide LEDs leuchten etwa mit gleicher Helligkeit) eine I-Panel-Anzeige im Bereich 5 bis 6 mA ergibt.
  Hinweis: Beim Abgleich des ENT3-Ausgangs B mittels R14-B auf den gleichen Wert der I-Panel-Anzeige optimieren.
8. Lüfterregelung abgleichen
• Abgleich gemäß Anweisungen im Schaltplan T1-Trafo-Platine durchführen (VR1 und VR2)

Regler B ebenfalls abgleichen sinngemäß nach Punkt 1 bis 7.

Zusatzausgänge

Es gibt im gleichen Gehäuse 2 weitere 5V-Spannungsquellen, deren Anzeige-Panels auch extern zur Spannungsanzeige bis 33 V genutzt werden können.

Eigenschaften der Zusatzausgänge

• Zwei galvanisch getrennte geregelte 5V-Ausgänge, jeweils mit 1 A belastbar (feste Strombegrenzung)
• Anzeige 4,5-stellig (33,000 V), umschaltbar von interner nach externer Anzeige
• Parallelbetrieb (5 V bei max. 2 A) und Serienbetrieb (10 V bei max. 1 A) möglich

Labor-Netzgerät ENT4

Das ENT4 wurde aus der Not heraus geboren. Man kann nie genug Spannungen für den Breadboard-Probeaufbau zur Verfügung haben. Deshalb wurden die außer Dienst gestellten Baugruppen des ENT3-Versuchsmusters wiederbelebt und erweitert, allerdings mit neuem Trafo. Das ENT4 ist nicht unbedingt für den Nachbau geeignet, Schaltungseinzelheiten sind aber durchaus nutzbar. Dieser Bericht dient hauptsächlich der eigenen Dokumentation.

ENT4-Aufbau und Eigenschaften

Ein Gehäuse habe ich mir gespart. Alle Baugruppen einschließlich einer provisorischen Bedienplatte sind auf einer Plastikunterlage (alter Plastikdeckel) zusammengefasst und frei verdrahtet. Alle Spannungen sind an einer 15-poligen Sub-D-Buchsenleiste auf der Bedienplatte verfügbar. Außerdem gibt es eine 9-polige Sub-D-Buchsenleiste, die den Stecker des Kabels zum speziellen Steckboard aufnimmt.

Mit dem ENT4 stehen jetzt 5 galvanisch getrennte Spannungen zur Verfügung. Näheres enthält die folgende Zusammenstellung.

Eigenschaften

• Ausgangspannung 0,0 bis 25 V einstellbar, Ausgangsstrom nominal max. 500 mA
• Frontplatten-Panel jeweils für Ausgangsspannung und -strom, Bereiche mit Kippschalter wählbar
• Strombegrenzung (CL) 28 bis 520 mA mit Poti einstellbar, LED-Anzeige für CV- und CL-Betrieb
• LM723 als Regelverstärker, Darlington-Transistor TIP120 als Längsregler
• Zusatzspannung: 5/6/9/12 V (umschaltbar), max. 110 mA, potentialfrei
• Zusatzspannungen: Dualspannung +/-10 V, max. jeweils 210 mA, potentialfrei
• Zusatzspannung: 1x 5 V, max. 110 mA, potentialfrei
• Alle Zusatzspannungen sind kurzschlussfest (Strombegrenzung)

ENT4-Schaltung

Schaltungsübersicht

Das ENT4 besteht aus folgenden Schaltungsteilen bzw. Baugruppen:

• Netztrafo 100 VA LL-Schnitt, liefert alle benötigten Spannungen
• Platine Rohspannung, enthält Gleichrichter, Strombegrenzungsschaltungen und Regler-ICs
• Platine Regelung für den einstellbaren Ausgang 0 bis 25 V, enthält den 723, einen kleinen Netztrafo für zwei galvanisch getrennte Hilfsspannungen, den Längsregeltransistor mit Kühlkörper und weitere Hilfsschaltungen
• Platine Panel-Versorgung, enthält ein kleines 12V-Netzteil, einen Rechteckgenerator und 4 unabhängige Gleichrichterschaltungen zur Panel-Versorgung mit jeweils 9 V, zwei 9V-Ausgänge sind frei.
• Bedienplatte, enthält die Panels, alle Ausgangsbuchsen, LEDs, die Regelschaltung für die umschaltbare Spannung 5/6/9/12 V und alle Schalter einschließlich Netztaste sowie die Netz-Hauptsicherung

Die Verdrahtung zwischen den Baugruppen erfolgte ohne Steckverbinder und ungeordnet, allerdings mit genügend langen Anschlussleitungen, so das die Trafobaugruppe, die Reglerplatine und die Bedienplatte funktionsfähig nebeneinander gelegt werden können.

Die Platine der Rohstromversorgung ist direkt auf den Netztrafo geschraubt. Die Platine Panel-Versorgung ist ebenfalls an die Trafo-Baugruppe geschraubt. Insgesamt gibt es also mechanisch drei Baugruppen.

Rohstromversorgung

Netztrafo

Der Nezttrafo ist selbst gewickelt. Der Wicklungsaufbau ist im folgenden Bild dargestellt. Das Wickeln ist unter der Rubrik "Tipps" im Abschnitt "Trafo mit LL-Schnitt wickeln" beschrieben.

Strombegrenzung und Spannungsregler

Alle an Ausgänge geführten Spannungen werden vom Haupttrafo versorgt. Es gibt reichlich Feinsicherungen, die vielleicht nicht in jedem Falle erforderlich sind. Sie schaden aber auch nicht.

Normalerweise ist keine der Wicklungen wegen einer zu großen Last an den Ausgangsbuchsen gefährdet. Jede der Ausgangsspannungen ist durch eine Strombegrenzung geschützt. Dazu werden unterschiedliche Prinzipien verwendet. Vorteilhaft und mit geringem Schaltungsaufwand zu realisieren sind Stromquellen mit z.B. dem LM317.

Auch die Zahl der Schutzdioden scheint übertrieben. Aber auch hier gilt, besser man hat als man hätte. Im Hobby-Bereich sollte man mit solch schützenden Bauelementen nicht geizen. Anders sieht es in der Massenproduktion aus. Aber die hier vorgestellten Schaltungen sind sowieso alles absolute Oldies, die heutzutage in der Industrie in dieser Form kaum noch zum Einsatz kommen.

Jede der Stromquellen- und Spannungsregel-Schaltungen ist mit einem kleinen Kühlkörper versehen, der zumindest für eine Weile eine unzulässige Erwärmung bei Überlastung oder Kurzschluss verhindert.

Damit eine Überlastung eines Ausgangs bemerkt wird, wurden für jeden Ausgang eine LED vorgesehen, die bei zu starkem Spannungseinbruch dunkel wird bzw. überhaupt nicht mehr leuchtet. Das sollte beim Experimentieren auffallen.

Der Überstrom- bzw. Kurzschluss-Schutz ist also kein Dauerschutz, sondern verhindert Bauelemente-Schäden bei ungewollten Kurzschlüssen.

Der etwas undurchsichtige Drahtverhau mit kreuz und quer geführten Brücken resultiert aus dem mehrfachen Umbau dieser Platine.

Platine Strombegrenzung und Spannungsregler

Platine Regelung

Prinzip der Regelung (723)

Die Regelschaltung basiert auf dem 723, der allerdings durch verschiedene Zusätze aufgewertet wurde. Im folgenden Bild sind die wesentlichen Schaltungsteile der Regelung dargestellt.

Schaltungsteile

• LM723 (IC1) als Regelverstärker und Roh-Referenzspannungsquelle
• Darlington-Längstransistor TIP120 (Q1) als Stellglied für die Ausgangsspannung Ua
• Einstellung der Ausgangsspannung Ua mit Poti VR1
• Stromistwert-Sensor mit Shunt R1 für die Strombegrenzung (CL, Current Limit)
• Einstellung der Strombegrenzung CL mit Poti VR2
• CL-LED-Ansteuerung über Q4 und LED-Control Q6, Q7 und Q8
• Strom- und Spannungsanzeige mit je einem 200mV-Panel
• Opamp OP07 (IC4) mit Treibertransistor (Q2) für die LM336-Referenzspannung, negativ gegen GND
• Kompensations-Stromquelle (Q3) für die I-Panel-Null-Anzeige bei Ia = Null
• 3 trafoentkoppelte Rohspannungsquellen für Regelung, Referenz und Panel-Kompensation

Schaltungsbeschreibung

Spannungsregler LM723 (IC1)

Der 723 enthält eigentlich alle zur Regelung nötigen Funktionsgruppen. Hier dient aber die mit V2 stabilisierte Referenzspannung nur als Rohspannung für die eigentliche Referenzspannung Uref, die mit dem Referenzelement LM336 (IC4) bereitgestellt wird.

Der Bezugspunkt für den 723-Regelverstärker ist nicht das Ua-Null-Potential (GND), sondern die gegenüber GND negative 2,5V-Referenz Uref1. Dadurch kann die Ausgangsspannung Ua bis auf Null geregelt werden.

Negative Referenzspannung -Uref1

Die interne 723-Referenz wird als Betriebsspannung für den Sollwert Uref der Uref1-Regelschaltung (IC3, Q2) genutzt. Den Sollwert Uref stellt die Bandgap-Referenz LM336-2.5 bereit. Diese Referenzquelle hat den Vorteil, auf genau 2,490 V einstellbar zu sein, bei der der Uref-TK am geringsten ist. In Verbindung mit dem eingesetzten Präzisions-Opamp OP07 ergibt sich ein Gesamt-TK von Uref1, der besser ist als der 723-Referenz-TK.

Die erzeugte Null-Referenz Uref1 = 2,490 V ist gegenüber dem Potential 0(Uref) positiv und gleichzeitig mit dem Ua-Null-Potential 0(Ua) = GND verbunden. Da sich aber die 723-Regelung auf 0(Uref) bezieht, steht eine gegenüber GND negative Referenzspannung -Uref1 zur Verfügung.

Die Betriebsspannung Ubref für die Referenz-U-Regelschaltung wird potentialfrei von einem separaten Trafo mit Gleichrichter und Lade-C bereitgestellt.

Spannungsregelung CV

Anschluss -IN des 723-Reglers (IC1) erhält über R3 und Schleifer VR1-s von der +Ua-Schiene seinen Istwert. Anschluss +IN ist über R2 mit GND referenziert. Der 723-Ausgang Vo liefert Basisstrom für den Darlington-Transistor Q1. Q1 liegt als Stellglied in der Plus-Schiene und steuert so +Ua.

Mit Poti VR1 ist +Ua von Null bis 25 V einstellbar. Null ergibt sich, wenn der Schleifer VR1-s auf a (Anfang) steht. Damit ist VR1 überbrückt und Eingang -IN liegt auf +Ua. Da +IN auf GND liegt, regelt der 723-Opamp V1 das Stellglied Q1 solange zu, bis auch -IN und damit +Ua das GND-Potential annehmen, d.h. +Ua ist Null. (Ursache ist ja die Tatsache, dass V1 wegen seiner hohen Verstärkung über den Regeltransistor Q1 dafür sorgt, dass -IN und +IN nahezu gleiches Potential haben.)

Diese Regelung funktioniert aber nur deshalb, weil der 723-Opamp V1 mit seinem negativen Betriebsspannungsanschluss -Vs nicht auf GND, sondern auf der gegenüber GND negativen Referenzspannung Uref1 liegt. Nur so ist es möglich, dass V1 mittels Q1 bis auf GND (d.h. Null) zuregeln kann.

Die maximale Ausgangsspannung Uamax ergibt sich, wenn der Schleifer VR1-s auf e (Ende) steht. Damit ist VR1 voll wirksam. Das VR1-e-Potential gegenüber +Ua wird vom Teilerverhältnis des Pfades VR1-VR2 bestimmt. Da aber das VR1-e-Potenial gegenüber dem Teiler-Fusspunkt im ausgeregelten Zustand genau der Referenzspannung Uref1 entspricht und konstant ist, ändert sich mit Änderung des VR1-Wertes die +Ua-Ausgangsspannung gegenüber GND.

Mit Trimm-Poti VR2 kann die maximal erreichbare Ausgangsspannung +Ua abgeglichen werden. Voraussetzung ist natürlich, dass die Rohspannung am Q1-Kollektor mindestens 2,5 V über der gewünschten maximalen Ausgangspannung liegt. Das muss auch im ungünstigsten Fall gewährleistet sein, d.h. bei -10 % Netzspannung (207 Vac) und gleichzeitig Maximalstrom (nominal 500 mA) am Ausgang. Der untere Rippelspannungswert von +Ue darf dabei noch nicht erreicht sein.

Der Schaltungstest hat gezeigt, dass der eingesetzte Trafo den maximalen Nominalstrom bei 25 V doch nicht ganz liefern kann. Mit anderen Worten, die verfügbare Spannung des Trafos reicht nicht ganz aus. Es ergaben sich 23 V, die beim maximalen Nominalstrom noch begrenzungsfrei zur Verfügungen stehen.

Strombegrenzung CL

Normalerweise ist der Begrenzungseinsatz des Stroms Ia durch die Schwellspannung des Begrenzungstransistors (T3) festgelegt. Durch das Poti CLmax (VR2) wird der Begrenzungsstrom einstellbar. Steht der VR2-Schleifer auf VR2-a (Anfang), reicht schon ein geringer Spannungsabfall über dem Shunt R1 aus, um T3 aufzusteuern und damit den Strom zu begrenzen. Ursache ist die relativ konstante Q1-Basis-Emitterspannung, die im Falle des eingesetzten TIP120 (Darlington-Transistor) bis zu 1,4 V betragen kann. Steht der VR2-Schleifer am anderen Ende, muss die über Shunt R1 abfallende Spannung größer sein, damit T3 durchsteuert. Das bedeutet, die Strombegrenzung setzt erst bei größerem Ausgangsstrom Ia ein. Es ergibt sich durch diese einfache Anordnung ein minimaler Ua-Kurzschluss-Strom von ca. 28 mA.

Der maximale Ua-Kurzschluss-Strom beträgt ca. 590 mA. Damit ist der Abstand zum nominalen Maximal-Ausgangstrom von 500 mA genügend groß. Es muss ja gewährleistet sein, dass der Regler bei 500 mA die Spannung Ua noch regeln kann, ohne dass die Strombegrenzung wirkt.

Stromanzeige (I-Panel)

Das Panel für den Strom, der über die Ausgangsklemmen fließt, hat eine Empfindlichkeit von 200 mV. Mit der Anzeige 199.9 ergibt sich eine Anzeige-Auflösung von 0,1 mA. Das Panel ist über einen Spannungsteiler an den größeren Shunt-Spannungsabfall (ca. 0,65 V bei 200 mA) angepasst (im Bild nicht dargestellt).

Für den Strom über 200 mA gibt es einen zweiten Messbereich, der von Hand per Kippschalter einschaltbar ist.

Kompensations-Stromquelle (LM317L) für I-Panel

Ist am Ua-Ausgang keine Last angeschlossen, sollte auch das I-Panel den Wert Null anzeigen (0.0 mA). Das ist aber nicht der Fall, da der immer über Shunt R1 fließenden Strom durch den Istwert-Spannungsteiler (VR1-VR2) einen Spannungsabfall über R1 erzeugt. Außerdem fließt noch ein geringer Strom über das CL-Poti VR2. Diese R1-Spannung wird mit dem am Shunt angeschlossenen I-Panel angezeigt, auch wenn kein Ausgangsstrom Ia fließt.

Die Höhe des nicht gewünschten Stroms ist konstant und wird hauptsächlich von VR2 bestimmt. Über VR2 liegt Uref1 konstant mit 2,49 V. Das bewirkt einen konstanten Strom, der von Q1 über R1-VR1-VR2 nach -Uref1 fließt.

Die Wert-Änderung des Usoll-Potis VR1 in Abhängigkeit von der VR1-Schleiferstellung bewirkt keine Stromänderung durch R1, da der VR1-Spannungsabfall proportional zur eingestellten Ausgangsspannung +Ua ist. Ursache ist, dass der Knoten VR1e-VR2e virtuell mit 0(Ua), d.h. GND, verbunden ist (im ausgeregelten Zustand). Steht z.B. VR1 auf a, ist Ua = Null und der Strom durch VR2 wird nur von Uref1 bestimmt (wegen +Ua = VR1e = VR2e = GND). Steht VR1 dagegen auf e, ist zwar +Ua = 25 V, aber dieser Spannung wird jetzt der gesamte Widerstand von VR1 entgegengesetzt. Fazit: Auch jetzt fließt kein größerer Strom durch den Zweig R1-VR1-VR2, d.h. der Strom durch Shunt R1 bleibt konstant.

Die Unterdrückung des nicht gewünschten konstanten Stroms geschieht einfach durch einen konstanten Strom entgegengesetzter Richtung. Die Summe beider Ströme im Shunt R1 ist dann Null und das I-Panel zeigt keinen Strom an, wenn kein Strom über den Ausgang fließt.

Zur Kompensation liefert die Stromquelle mit Transistor Q3 (siehe auch detaillierter Stromlaufplan der Regelung) einen einstellbaren Konstantstrom Ic. Die Einstellung dieses Stroms erfolgt so, dass ohne Ua-Last das I-Panel den Wert Null (0.0) anzeigt. Dabei sollte die Umax-Einstellung mit VR2 vorher erfolgt sein.

Damit die Konstant-Stromquelle von der restlichen Schaltung nicht beeinflusst wird, muss sie potentialfrei eingebunden sein. Dies erfolgt über eine weitere potentialfreie Wicklung des Hilfstrafos auf der Regler-Platine mit zugehöriger Gleichrichtung und Spannungsstabilisierung.

Die Stromquelle ist durch Vorstabilisierung (ZD1) und Referenz-LED LED1 relativ stabil und wenig von der Temperatur abhängig. Die LED gleicht den Temperaturgang der UBE-Strecke von Q3 weitestgehend aus.

Spannungsanzeige (U-Panel)

Auch das Panel für die Ausgangsspannung ist ein 200mV-Panel mit 10 MΩ Eingangswiderstand. Für die nominale maximale Ausgangsspannung von 20 V wird der Wert 19.99 angezeigt. Die Auflösung beträgt also 10 mV. Zusammen mit der I-Panel-Auflösung von 0,1 mA ergeben sich auch bei Schaltungen mit wenig Leistung (niedrige Spannung, niedriger Strom) detaillierte und vor allem (aufgrund der gewählten Schaltungstechnik) reproduzierbare Anzeigewerte.

Wegen der maximal auftretenden Ausgangsspannung von 25 V hat auch das U-Panel 2 Messbereiche. Der 200V-Messbereich ist mittels Kippschalter auswählbar.

Schaltplan Regelung

Fast alle Funktionsteile wurden weiter oben mit Hilfe der Prinzip-Schaltung erläutert. Die CV- und CL-Anzeige sowie die Ua-Abschaltung werden im Folgenden beschrieben.

Abschalten der Ausgangsspannung Ua

Mit Schalter S2 kann der Ausgang 2-polig spannungslos geschaltet werden, ohne das Gerät abschalten zu müssen. Das hat sich beim Testen und Ändern von Schaltungen bewährt. Damit diese Abschaltung auch bemerkt wird, ist LED1 vorhanden, die normalerweise und unabhängig von der eingestellten Ausgangsspannung leuchtet. Damit ein 2-poliger Schaltung auch die LED schalten kann, wird mit dem GND-Kontakt des Schalters S2 beim Öffnen die LED1 überbrückt. Das bedeutet, der Schalter ist offen, LED1 ist aus.

Prinzip der CV-/CL-Anzeige

Die CV-LED soll leuchten, wenn sich die Schaltung im Modus Spannungsregelung befindet, d.h. wenn keine Strombegrenzung wirkt. Die CL-LED dagegen soll leuchten, wenn die Strombegrenzung den Ausgangsstrom durch Absenken der Ausgangsspannung Ua begrenzt. Der Übergang soll möglichst abrupt erfolgen.

Die Schaltung mit den Transistoren Q4 bis Q8 realisiert dieses Verhalten. Q4 liegt mit seinem Basiswiderstand R16 parallel zum eigentlichen Strombegrenzungstransistor T3 (723). Das bedeutet, wird T3 wegen zu hohem Ausgangsstrom durch Shunt R1 leitend, wird auch Q4 leitend. Das ist natürlich nur der Fall, wenn beide Transistoren die gleiche Eingangskennlinie haben. Das ist leider nicht der Fall, da der sich auf dem 723-Chip befindliche T3 ganz anders aufgebaut ist im Vergleich zum externen Q4. Daraus ergibt sich ein nicht ganz exaktes Aufleuchten der CL-LED.

Bei Strombegrenzung ist also Q4 durchgesteuert, damit ist auch Q5 leitend. Der sich ergebende Spannungsabfall über R19 steuert nun Q6 durch, die CL-LED leuchtet. Gleichzeitig steuert aber auch Q7 durch, Q8 sperrt und die CV-LED verlischt. Im Übergangsbereich leuchten kurzzeitig beide LEDs.

Platine Regelung

Panel-Versorgung

Diese Panel-Versorgung 4x 9V mit Ue-Verdoppler war vorhanden und ist im Abschnitt Stromversorgung/Wandler unter "Panel-Versorgung 4x 9V mit Ue-Verdoppler" beschrieben. Nachfolgend sind nochmals Schaltung, Platine und realisierte Baugruppe abgebildet.

Ursprünglich war die Versorgung der zwei Panels mit auf der Regler-Platine untergebracht. Aufgrund eines nicht identifizierten Fehlers wurde die Schaltung entfernt. Möglicherweise gab es eine Verkopplung zwischen einem der Messkreise und einem Stromversorgungskreis. Eine längere Suchaktion habe ich mir erspart.

Als Ersatz dient nun die Baugruppe mit 4 Ausgängen 9 V. Zwei der Ausgänge bleiben frei, evtl. für Panel-Erweiterungen.

Platine Panel-Versorgung 4x 9 V

Baugruppe Panel-Versorgung

Bedienplatte

Allgemeiner Aufbau, Bestandteile

Panels für Spannung und Strom

Da beide Panels jeweils 2 Messbereiche haben, sind 4 Trimm-Potis und einige Widerstände erforderlich. Dazu wurde eine kleine Platine entworfen und auf der Bedienplatte direkt neben den Panels angeordnet.

Die Umschaltung der Messbereiche erfolgt mit Kippschalter S3 bzw. S4. Dabei ist die Umschaltung der jeweiligen Widerstandskombination erforderlich, aber auch die Umschaltung des Dezimalpunktes vom Panel.

Ein kleines Problem gab es beim U-Panel. Während des Umschaltvorgangs von S4 liegt kurzzeitig die volle Ausgangsspannung Ua am Panel-Eingang IN an. Der Widerstand R5 verursacht wegen des sehr hohen Panel-Eingangswiderstands nahezu keinen Spannungsabfall. Das 200mV-Panel ist also hochgradig gefährdet, trotz internem Schutzes.

Gelöst wurde das Problem mittels der beiden Transistoren Q1 und Q2. Sie lassen nur maximal 0,7 V (negativ und positiv) am Panel-Eingang zu.

Man könnte an dieser Stelle auch normale Dioden einsetzen. Diese haben aber den Nachteil größerer Restströme im Nano-Ampere-Bereich. Das wirkt sich bei hochohmigen Schaltungen schon auf die Anzeigegenauigkeit des Panels aus. Als Dioden geschaltete Kleinleistungs-Transistoren haben nur Restströme im Pico-Ampere-Bereich, also rund 1000 Mal weniger. Eine Beeinflussung der Panel-Anzeige durch die Restströme ist damit ausgeschlossen.

Beim I-Panel gibt es das Problem nicht, da der Eingang IN beim S3-Umschalten lediglich kurzzeitig gewissermaßen unbeschaltet ist. Wegen des Panel-internen Eingangswiderstandes von 10 MOhm gibt es keine unzulässige Spannungserhöhung. Der Eingang darf offen sein.

Regelung und Auswahl 5/6/9/12 V

Strombegrenzung und Regelung des umschaltbaren Ausgangs befinden sich in unterschiedlichen Baugruppen.

Die Strombegrenzung erfolgt mit einem LM317 in bekannter Schaltung. Die Strombegrenzung an dieser Stelle muss sein, da der nachgeschaltete LM317 auf der Bedienplatte einen viel zu hohen Kurzschluss-Strom liefern würde. Der Kurzschluss-Schutz des LM317 ist vornehmlich zum Schutz des Chips und nicht für den betriebsmäßgen Schutz gedacht.

Die Spannungsumschaltung für den Ausgang ist einfach mit einem 4-poligen Drehschalter realisiert. Hat man einen anderen geeigneten Schalter, sind auch mehr als 4 Spannungen möglich. Die angegebenen Widerstände sind berechnet. Für den exakten Abgleich sind Parallelschaltungen von wenigstens jeweils 2 Widerständen erforderlich. Man geht so vor, dass man einen etwas größeren Wert einlötet und dann einen Widerstand parallel schaltet (von Hand kontaktiert), bis sich die gewünschte Ausgangsspannung ergibt.

Sub-D-Anschluss zum Steckbrett

ENT4-Abgleich

Der Abgleich sollte bei Zimmertemperatur (20°C), nominaler Netzspannung (230 V) und nach einigen Minuten Einlaufzeit erfolgen. Voraussetzung für den Abgleich ist, das Gerät funktioniert prinzipiell und alle Rohspannungen haben den richtigen Wert (siehe Schaltpläne). Wichtig ist, dass die Strombegrenzung funktioniert.

1. U-Panel P1 abgleichen (20V- und 200V-Bereich)
2. Referenz-Spannung Uref einstellen
3. Maximale Ausgangsspannung Umax einstellen
4. Konstantstrom Ic einstellen
5. I-Panel P2 abgleichen (200mA- und 2A-Bereich)

Abgleich im Einzelnen

1. U-Panel P1 abgleichen
• U+ (Messanschluss) am Pin 8 der Trimmer-Platine lösen
• Bereichsschalter S4 auf 20V-Bereich stellen
• Ersatzweise externe Spannung von 19,20 Vdc an Pin 8 (+) und Pin 6 (-) anlegen
• U-Panel-Anzeige mit Trimmpoti VR3 (Trimmer-Platine) auf 19,20 einstellen
• Bereichsschalter S4 auf 200V-Bereich stellen
• Ersatzweise externe Spannung von 25,0 Vdc an Pin 8 (+) und Pin 6 (-) anlegen
• U-Panel-Anzeige mit Trimmpoti VR4 (Trimmer-Platine) auf 25,0 einstellen (maximale Spannung, die im ENT4 angezeigt werden muss)
• U+ (Messanschluss) am Pin 8 der Trimmer-Platine wieder verbinden
2. Referenz-Spannung Uref einstellen
• Mit VR1 auf der Regler-Platine Uref = 2,490 V einstellen (Uref ist messbar über C7, siehe Schaltplan)
• Uref1 = 2,490 V kontrollieren (messbar überf C9, siehe Schaltplan)
3. Maximale Ausgangsspannung Umax einstellen
• Ua-Schalter S2 in Stellung OFF (LED1 off)
• Usoll-Poti VR1 auf Maximum-Anschlag (e = Ende) stellen
• Mit Umax-Trimmer VR2 (Reglerplatine) die U-Panel-Anzeige auf 25,0 V einstellen (Bereichsschalter S4 auf 200V-Bereich)
4. Konstantstrom Ic einstellen
• DVM am Shunt R1 (Reglerplatine) anschließen
• Mit VR3 auf der Regler-Platine über dem Shunt 0,0 mV einstellen
• Oder einfacher (ohne DVM):
  Mit VR3 auf der Regler-Platine die I-Panel-Anzeige 0,0 einstellen, dabei Bereichsschalter S3 auf 200mA-Bereich
5. I-Panel P2 abgleichen
• An Ua eine Dummy-Load anschließen (Konstantstromsenke, Plus an +Ua, Minus an 0(Ua))
• Ua-Schalter S2 in Stellung ON (LED1 on)
• Bereichsschalter S3 auf 200mA-Bereich stellen
• 192,0 mA Konstantstrom einstellen, d.h. 192,0 mA über den Shunt R1 des ENT4 fließen lassen
• I-Panel-Anzeige mit Trimm-Poti VR2 auf der Trimmer-Platine auf 192,0 einstellen
• Bereichsschalter S3 auf 2A-Bereich stellen
• 500 mA Konstantstrom einstellen, d.h. 500 mA über den Shunt R1 des ENT4 fließen lassen (nominaler Maximalstrom, der dem ENT4 entnommen werden kann)
• I-Panel-Anzeige mit Trimm-Poti VR1 auf der Trimmer-Platine auf 500,0 einstellen

Labor-Netzgerät ENT6 zum Testen

Allgemeines zum Test-Netzgerät ENT6

Dieses Netzgerät ist nur ein Provisorium und dient zum Testen verschiedener Netzbaugruppen. Auf die Mechanik wurde weniger Wert gelegt. Das Netzgerät ist offen und kann nach oben und hinten erweitert werden. Die Frontplatte ist aus gelochtem Leiterplattenmaterial zusammengesetzt. Es sind Ausschnitte für maximal 4 große 200mV-Panels und 2 weitere kleinere 33V-Panels vorhanden. Da jedes Panel eine eigene galvanisch getrennte Stromversorgung benötigt, wurde eine Platine mit 6 kleinen Trafos gefertigt, die 6 geregelte 9V-Spannungen liefert.

Zur Einstellung von Strom und Spannung sind insgesamt 4 Potis vorhanden. Zwei Kippschalter dienen zum Abschalten der Netzteil-Spannungen kurz vor den Ausgangsbuchsen.

Zusätzlich zu den 4mm-Buchsen ist eine Sub-D-Buchsenleiste beschaltet, über die alle Ausgangs­spannungen kompatibel zum Experimentierboard entnommen werden können (1mm-Stifte).

Über Sub-D-Buchsenleiste und 4mm-Buchsen sind auch die hochauflösenden 33V-Panels erreichbar, so dass die Panels bei Versuchsaufbauten als Spannungsmesser dienen können. Die Umschaltung Spannungsmessung intern/extern erfolgt ebenfalls mit Kippschalter.

Einzelne Schaltungsteile und Baugruppen, die speziell für dieses Testgerät zutreffen, werden im Folgenden beschrieben. Natürlich werden immer wieder Änderungen vorgenommen. Die Beschreibung stellt den jeweils aktuellen Stand dar.

Verdrahtung

Verdrahtung der UI-Regler A und B (5)

Aktuell sind UI-Regler nach Vers. 5 integriert. Beide Kanäle A und B befinden sich auf einer Platine. Die Verdrahtung dieser Platine zum Rest der ENT6-Schaltung ist in den folgenden beiden Plänen dargestellt.

Verdrahtung Systemstecker X3

Systemstecker X3 stellt die Verbindung zum externen Steck-Board (1mm-Stifte) her. Die entsprechnede Verdrahtung ist im folgenden Bild dargestellt.

Panelversorgung und Panels

Schaltung der Panel-Platine

Die Panel-Platine ist mit 6 identischen 1,5VA-Trafos bestückt, die jeweils 11 Vac (ohne Last) liefern. Die 6 Regelschaltungen sind völlig gleich aufgebaut und nach altem Muster mit Transistoren realisiert. Die Verwendung gleicher Widerstände hat Vorteile bei Materialbeschaffung und Bestückung.

Aufbau der Panel-Platine

Die Platine im Standardmaß 100x160 ist nicht ganz voll. Der Platz könnte für eine Lüfterregelung genutzt werden. Die Verdrahtung der 230V-Seite wurde aus Sicherheitsgründen mit isoliertem 250V-Schaltdraht durchgeführt.

Labor-Netzgerät ENT7

Zielstellung

Für die Stromversorgung elektronischer Schaltungen gibt es heute (2026) jede Menge ICs, Module, Baugruppen und Geräte, die mit geringem Aufwand so gut wie jeden Wunsch bezüglich der geforderten Spannungen und Ströme erfüllen können. Um aber Details und Wirkungsweise der früher üblichen analogen Schaltungstechnik wirklich zu verstehen, bietet es sich an, selbst eine Schaltung zu entwerfen und vor allem selbst aufzubauen.

Im Rahmen der Ausbildung war der Aufbau eines kleinen Labor-Netzgeräts gefordert, das einerseits mit möglichst geringem mechanischen Aufwand realisierbar ist, das aber auch andererseits auf dem Labortisch seine Aufgabe zufriedenstellend mit hoher Genauigkeit erfüllt. Gefordert und realisiert wurden folgende Eigenschaften:

• Analoge Schaltungstechnik (Linearregler über Opamp, versorgt vom 230V-Netztrafo)
• Ausgangsspannung 0 bis 30 V, Strom 0 bis 200 mA (jeweils mit hoher Auflösung einstellbar)
• Anzeige der Spannung mit Digital-Panel, Auflösung 1 mV
• Anzeige des aktuell entnommenen Stroms mit Digitalpanel, Auflösung 0,1 mA
• Anzeige der eingestellten Strombegrenzung mit Digitalpanel, Auflösung 0,1 mA
• Anzeige der Betriebsart CV oder CC mittels LED (Constant Voltage bzw. Constant Current)
• Abschaltung des Ausgangs mit Schalter, Schaltzustandsanzeige mittels LED

Testschaltung zur ENT7-Rohstromversorgung

Um die Schaltung der Rohstromversorgung festlegen zu können, muss der Bedarf aller Spannungen (interne Versorgung und Ausgangsspannung) bekannt sein. Basis für das ENT7 bildet ein 30VA-Ringkerntrafo, der allerdings noch mit einigen Wicklungen ergänzt werden muss. Ein Ringkern eignet sich sehr gut zum Aufbringen zusätzlicher Wicklungen, da der Kern mitsamt der vorhandenen Primär- und Sekundärwicklungen so bleiben kann, wie er vom Hersteller geliefert wird.

Welche Wickeltechnik anwendbar ist, steht in der Rubrik Tipps unter "Trafo-Wicklung beim 30VA-Ringkerntrafo". Das folgende Bild zeigt den verwendeten 30VA-Trafo und seine Montage.

Die Rohstromversorgung muss folgende Spannungen liefern:

• Mindestens 34 VDC bei Netzunterspannung 230 V abzüglich 5 % (218,5 V), Belastung 220 mA
• Plus/Minus 10 VDC gegen GND zur Versorgung der Opamps, Belastung max. 50 mA (ggf. auch für externe Anwendung)
• 9 VDC potentialgetrennt für jedes der 3 Digital-Panels, Belastung max. 10 mA

Im Plan der folgenden Testschaltung sind alle Infos enthalten, die für den Trafo selbst, aber auch für die Gleichrichter- und Regelschaltungen, nötig sind. Es hat sich gezeigt, dass für die Ausgangsspannung (Ua) eine Zusatzwicklung (Add-Wicklung) erforderlich ist, die in Reihe mit der vorhandenen Hauptwicklung (Trafo-Pins 3-4) geschaltet wird. Zusammen mit der speziellen Spannungsverdoppler-Schaltung ergeben sich 34,6 VAC (siehe letzte Spalte in der Tabelle).

Weitere 3 aufgebrachte Wicklungen liefern jeweils 13,6 VAC (ohne Last). Die Dimensionierung dieser Wicklungen ist ebenfalls in der Rubrik "Tipps" beschrieben. Eine vierte Wicklung ebenfalls mit 13,6 VAC Ausgangsspannung reicht aus, um über jeweils einen Festspannungsregler die gegenüber GND positive und negative Opamp-Spannung erzeugen zu können.

ENT7-Rohstromversorgung

Aus der Trafo-Testschaltung ergibt sich die folgende ENT7-Rohstromversorgung. Die mechanische Plazierung der Bauelemente stand natürlich zum Zeitpunkt des Stromlaufplan-Entwurfs noch nicht fest. Erst nach der kompletten Schaltungsentwicklung und dem Test auf einem Breadboard war klar, wie der mechanische Aufbau erfolgen muss und wo die einzelnen Schaltungsteile untergebracht werden. Zum Beispiel ist für die drei 9V-Spannungen der Digital-Panels eine kleine getrennte Platine erforderlich.

Hauptwicklung mit Verdoppler-Schaltung

Die zusätzlich erforderliche Add-Wicklung liefert nominal ca. 1,2 VAC ohne Last. Aufgrund des relativ geringen Innenwiderstands vom Ringkerntrafo wird diese Spannung bei Belastung mit 0,2 A kaum reduziert. Kritischer ist die verbleibende Rippelspannung, die von der Größe der Elkos C01 bis C03 abhängt. In der Testschaltung wurde mit 3x 2200 uF bei 200 mA eine maximal mögliche Ausgangsspannung von Ua = 32 V gemessen. Das ist äußerst knapp, wenn der Wert bei 5 % Netzunterspannung weiter absinkt. Auch deshalb wurden 3x 3300 uF verwendet. Ist die Spannung am Ladekondensator C03 zu gering, greift die Rippelspannung als Schwankung der Ausgangsspannung Ua durch, d.h. die Spannungsregelung funktioniert nicht mehr richtig.

LED4 mit Vorwiderstand R05 waren nach obiger Spezifikation zwar nicht gefordert, bringen aber zwei Vorteile. Man hat immer die Rückmeldung, ob Spannung auf der Platine ist oder nicht, was besonders in der Erprobungsphase vorteilhaft ist. Der größere Vorteil ist aber, dass immer eine Last über C03 hängt, der dann beim Abschalten des Geräts relativ schnell entladen wird.

Stromversorgung der Digital-Panels

Wie schon erwähnt, sollen alle drei Spannungen potentialfrei sein, d.h. keine Verbindung untereinander und auch nicht mit den Mess-Spannungen haben. Es gibt zwar noch andere Möglichkeiten, dies zu erreichen, doch drei zusätzliche Wicklungen auf dem Trafo ist die einfachste (und sicherste) Lösung. Es wurde einheitlich 9 V festgelegt, die kleinen Festspannungsregler 78L09 erledigen das einfach und billig. Zwar ist auch ein diskreter Aufbau von drei Regelschaltungen mit einem Kleinleistungstransistor als Längsregler möglich, hätte aber wesentlich mehr Leiterplattenplatz zur Folge.

Stromversorgung der Opamps

Um mit einer gleichen 13,6V-Hilfswicklung auszukommen, wurde auch bei der Erzeugung von 2x 10 V für die Operationsverstärker eine spezielle Schaltung verwendet, die allerdings nur als Einweg-Gleichrichter arbeitet. Da lt. Aufgabenstellung max. 2x 50 mA am Ausgang zur Verfügung stehen sollen, reicht die Einweg-Gleichrichtung zusammen mit dem Regler vom Typ LM317T aus, auch ohne zusätzlicher Kühlung. Der B3370V ist übrigens noch ein DDR-Typ aus fast schon längst vergessenen Zeiten. Zwar wären Festspannungsregler auch eine Option gewesen. Doch die verwendeten Regler lassen sich mit R03 und R04 auf gleiche Ausgangsspannung bringen. Übrigens, alle Widerstände, die evtl. später noch verändert werden, sind auf Lötstützpunkten montiert, um das mehrfache Löten auf der Lochrasterplatine zu vermeiden. Die Dioden D21-D22 und D23-D24 sind bei fester Versorgung der Opamps eigentlich nicht nötig. Wird aber die Versorgungsspannung +/- 10 V für eine externe Anwendung bereit gestellt, sollten die Dioden installiert sein, um die Regler gegeen Rückspannungen zu schützen.

Testschaltung zur ENT7-Regelung

Da sowohl für die Ausgangsspannung Ua als auch für den Ausgangsstrom Ia eine hohe Anzeige-Auflösung und damit auch eine hohe Regelgenauigkeit gefordert sind, wurden die Ströme der Regelschaltung insbesondere im Shunt zur Stromistwert-Erfassung näher bestimmt. Systembedingte Messfehler wurden schaltungstechnisch minimiert und die Regelung bei sehr kleiner Ausgangsspannung und sehr kleinem Ausgangsstrom durch zusätzliche Stromquellen verbessert.

Prinzip der UI-Regelung

Zwei Opamps steuern ein normales Transistor-Stellglied (npn-Längstransistor) so, dass je nach Sollwertvorgabe und Lastsituation entweder die Spannung (CV) oder der Strom (CC) am Lastwiderstand konstant gehalten wird.

Eigenschaften der Testschaltung

• Spannungsregelung ab 0,0 Volt, oberer Wert max. 30,0 V (Messbereich 33 V)
• Stromregelung ab 0,1 mA, oberer Wert max. 199,99 mA
• Sollwertvorgabe CV und CC mit Wendel-Poti
• Präzisions-Referenzspannung 2,500 V (AD584)
• Opamp-Spannungs- und Strom-Regler mit OP07A (keine Nullpunkt-Einstellung erforderlich)
• npn-Darlington-Stelltransistor (mit 8W-Kühlkörper)
• Schutz gegen Stromspitzen (Spike-Schutz)
• Istwert-Anzeige für den Strom (direkt über dem Shunt)

Laststromkreis

Der Haupt- oder auch Laststromkreis ist im Bild etwas dicker gezeichnet. Für die Ausgangsspannung Ua = 30 V sind mindestens 34 V Rohspannung am Lade-C nötig. Wenigstens 3 V über der Ausgangsspannung +Ua sind erforderlich, und das bis zur Unterkante der Ladeelko-Rippelspannung, bei gleichzeitig 5 % Netz-Unterspannung, unter Berücksichtigung des Trafo-Innenwiderstands und das alles beim maximalem Ausgangsstrom Ia = 0,2 A.

Die für den CC-Betrieb nötige Stromistwert-Erfassung erfolgt wie üblich über einen Shunt (Widerstand) und ist in der Plus-Leitung nach dem Transisor-Längsregler (Q1) angeordnet.

Steuerung des Längsreglers

Zur Steuerung des Längsreglers Q1 liefert Stromquelle SQ1 einen Konstantstrom von 4 mA. Eigentlich würde ein weit geringerer Basisstrom für den Darlington-Transistor TIP122 ausreichen. Es kommt aber auch auf die Schaltungstechnik der Stromquelle an, welcher Konstantstrom festgelegt wird. Weiter unten wird das Ergebnis einer Testreihe von Konstantstromquellen diskutiert und die entsprechende Auswahl getroffen.

Der Konstantstrom Isq1 wird über LEDcv bzw. LEDcc soweit reduziert, dass sich der für den Längsregler nötige Steuerstrom ergibt. Dieser Basisstrom Ibe ist abhängig vom eingestellten Spannungs-Sollwert (VR1) bzw. Strom-Sollwert (VR2) und vom Lastwiderstand an +Ua.

Anstelle der LEDs würden auch normale Kleinleistungsdioden reichen, allerdings dann ohne visuelle Kontrolle, ob die Regelung gerade im CV- oder CC-Modus arbeitet.

Referenz der Steuerelektronik

Damit die Opamps nicht über bzw. unter den Wert der veränderlichen Ausgangsspannung +Ua ausgesteuert werden müssen, ist ihr Referenzpunkt nicht die Minusleitung der Ausgangsspannung, sondern die Plusleitung +Ua. Das bedeutet, die Masse (GND) der Regelung ist mit +Ua verbunden. Dadurch müssen die Opamps nur die Spannungsdifferenz zwischen Basis des Stelltransistors Q1 und der Ausgangsbuchse +Ua aussteuern können. Das sind in der Regel weniger als 3 V.

In diesem Zusammenhang ergibt sich auch, dass die Opamp-Spannungsversorgung mit +/-10 V mehr als ausreichend ist. Der Bezugspunkt (Masse) dieser +/-10 V liegt ebenfalls auf GND. Die Opamp-Spannungsversorgung für alle Opamps erfolgt potentialfrei aus einer eigenen Trafowicklung unabhängig vom Laststromkreis.

U-Regelkreis (CV)

Der Spannungs-Regelkreis besteht aus Sollwert Usoll (abgeleitet vom Referenzwert Uref), dem Sollwert-Verstärker Opamp IC1 (der eigentliche Regelverstärker), aus dem Stellglied Q1 und dem Istwert Uist der zu regelnden Spannung +Ua. Die Rückführung des gegenüber GND negativen Istwerts Uist auf den Summierpunkt des Regelverstärkers (nichtinvertierender Eingang des Opamps IC1, Pin 3) wirkt dem positiven Sollwert Usoll (bereitgestellt über VR1) entgegen.

Der Sollwert Usoll wird mit dem 10-fach-Wendel-Poti VR1 eingestellt. Der Eingang des folgenden Regelverstärkers IC1 (Pin 3) ist sehr hochohmig und belastet den durch VR1 gebildeten Spannungsteiler nicht.

I-Regelkreis (CC)

Der Strom-Regelkreis besteht aus dem Sollwert Uisoll (abgeleitet vom Referenzwert Uref), dem Sollwert-Verstärker Opamp IC2 (der eigentliche Regelverstärker), aus dem Stellglied Q1 und dem Istwert Uiist des zu regelnden Stroms Ia. Die Rückführung des gegenüber GND positiven Istwerts auf den invertierenden Eingang des Regelverstärkers (Opamp IC2 Pin 2) wirkt dem positiven Sollwert Uisoll (bereitgestellt über VR2a-VR2) entgegen.

Der I-Regelverstärker IC2 ist als Differenzverstärker geschaltet. Er regelt seine Ausgangsspannung und damit über das Stellglied Q1 den Strom durch den Shunt Rsh so, dass sich zwischen den Pins 2 und 3 nahezu Null ergibt. Das bedeutet, jeder Spannungsabfall über Rsh von 0 bis 200 mV entspricht genau dem mit Poti VR2 eingestellten I-Sollwert von 0 bis 200 mV.

Damit 200 mV beim Maximalstrom von 200 mA über Shunt Rsh abfallen, muss Rsh den Wert 1,0 Ohm haben. Ein so niedriger Widerstand lässt sich mit einfachen Mitteln nur schwierig hinreichend genau herstellen. Auch die Beschaffung ist u.U. schwierig. Deshalb besteht Rsh in der endgültigen Schaltung aus einer Kombination parallel geschalteter Widerstände.

Der Wert von 200 mV für den Maximalstrom von 200 mA wurde gewählt, da auch die Strom-Panels eine Empfindlichkeit von 200 mV haben. Der Abgleich für den Maximalstrom erfolgt mit Trimm-R VR2a. Normalerweise ist nur das in der Testschaltung gezeigte Stromistwert-Panel verbaut. In der endgültigen Schaltung wird aber ein zusätzliches Stromsollwert-Panel verwendet, um eine einfache stetige Kontrolle der eingestellten Strombegrenzung zu haben.

Fehler der Stromistwert-Erfassung mit Shunt Rsh

Die Testschaltung zur ENT7-Regelung dient vor allem auch, prinzipbedingte Fehler der gewählten Regel-Struktur darzustellen. Die eingezeichneten Strompfade und weitere Hinweise zeigen, wo und wie diese Fehler kleingehalten werden können.

Im Shunt Rsh fließt nicht nur der eigentlich wissenswerte Ausgangsstrom Ia. Das bedeutet, der der Spannungsabfall über Rsh und damit der mit dem Panel gemessene Strom entspricht nicht genau dem Ausgangsstrom. Die Fehlerströme sind teilweise beachtlich, wenn mit einer Panel-Auflösung von 0,1 mA gearbeitet wird. Teilweise sind die Fehlerströme kompensierbar, teilweise aber auch durch bestimmte Schaltungsmaßnahmen unbedeutend.

Der Basisstrom Ibe

Sofort fällt auf, dass der für den Stelltransistor Q1 nötige Basisstrom Ibe (im Bild blau) zusätzlich durch Rsh fließt, dann aber nicht durch den Lastwiderstand RL, sondern nach GND. Ibe vergrößert also die +Ia-Anzeige unzulässigerweise.

Nachteilig beim verwendeten Darlington-Transistor Q1 ist die Basis-Emitter-Beschaltung. Der wirksame Eingangswiderstand ist ca. 5 kOhm. Es fließt ein zusätzlicher Basisstrom, der eigentlich für den Q1-Kollektorstrom nicht erforderlich wäre. Dieser Teil des Basisstroms beträgt etwa 0,2 mA, je nach Q1-Basis-Emitterspannung in Abhängigkeit von der Q1-Aussteuerung.

Der nötige Basisstrom für den Kollektorstrom, der letztendlich als Ausgangstrom Ia gebraucht wird, beträgt im ungünstigsten Fall 0,1 mA. Dieser Wert ergibt sich, wenn man die garantierte Q1-Stromverstärkung von 2000 für 200 mA zugrunde legt. Gemessen wurde weit weniger, ca. 0,04 mA.

Diese genannten zwei Teilströme werden noch durch eine im Folgenden beschriebene Konstant-Stromquelle ergänzt.

Die Stromquellen SQ2 und SQ3

Einen größeren Fehleranteil gegenüber Ibe würde Stromquelle SQ2 verursachen. SQ2 wurde vorgesehen, damit der Regeltransistor Q1 auch bei einer eingestellten Ausgangsspannung +Ua von Null Volt und ohne Last RL bereits ein wenig durchgesteuert ist. Dadurch erfolgt schon ab Ua = 0,00 V eine exakte Regelung. Der SQ2-Strom Isq2 fließt immer, unabhängig wie weit Q1 durch die Regelung durchgesteuert ist. Er fließt aber auch immer zusätzlich zum Ausgangsstrom Ia durch den Shunt nach GND. An der Ausgangsklemme Ua taucht dieser Strom also nicht auf. Das verursacht einen zusätzlichen Ia-Anzeigefehler in Höhe von Isq2, d.h. im vorliegenden Fall 4 mA.

Zur Kompensation dieses konstanten Isq2-Dauerstroms ist Stromquelle SQ3 eingebaut, die einen gleich großen, aber entgegen gesetzten Strom Isq3 liefert und somit den Strom Isq2 kompensiert. Beide Ströme heben sich auf und verursachten keinen Anzeigefehler mehr.

Vorteil ist aber, dass der Längsregler schon bei geringsten Werten von Spannung und Strom am Ausgang ordentlich regelt. Es gibt aber noch einen weiteren Vorteil. Jetzt kann man mit Stromquelle Isq3 den nahezu konstanten Q1-Basisstromanteil ausgleichen, der durch die Darlington-Eingangsbeschaltung von 5 kOhm verursacht wird.

Der Steuerstrom Ir2 der Ua-Istwerterfassung

Auch die Istwerterfassung der Ausgangsspannung +Ua hat einen bestimmten Eingangswiderstand und benötigt somit einen bestimmten Steuerstrom Ir2. Da im ausgeregelten Zustand der Spannungsregel-Opamp IC1 an seinem nichtinvertierenden Eingang (Pin 3) GND-Potential hat (virtuell), bestimmt Widerstand R2 den Eingangswiderstand und damit den benötigten Steuerstrom Ir2. Dieser Ir2 beträgt bei 30 V Ausgangsspannung 0,02 mA und liegt damit immer noch unterhalb der Auflösungsgrenze des Strompanels von 0,1 mA. Das heißt, der verursachte Fehler ist noch tolerierbar. Je höher R2 gewählt wird, desto kleiner ist der Anzeigefehler.

Für den Wert von R2 gibt es aber Grenzen. Je hochohmiger ein Widerstand ist, desto schwieriger wird es, bestimmte Parameter einzuhalten (Temperatur-Unabhängigkeit, kleine Toleranz zum Nennwert, hohe Langzeitbeständigkeit, Resistenz gegen Einstreuungen u.a.). Praktisch sollte R2 so wie angegeben nicht größer als 1,5 MOhm werden.

Der Steuerstrom Ir4 der Ia-Istwerterfassung

Auch für die Stromregelung wird ein Steuerstrom Ir4 benötigt. Dieser Strom wird von der Spannung über dem Shunt und von R4 bestimmt, da die Eingänge des Stromregel-Opamp IC2 im ausgeregeltem Zustand auf GND-Potential liegen (virtuell). Der Steuerstrom Ir4 beträgt also bei 200 mV über dem Shunt auch nur 0,02 mA. Auch dieser Strom Ir4 liegt damit immer noch unterhalb der Auflösungsgrenze des Strompanels von 0,1 mA. Das heißt, der verursachte Fehler ist noch tolerierbar. Je höher R4 gewählt wird, desto kleiner ist der Anzeigefehler.

Es ist sogar so, dass Ir4 entgegengesetzt zu Ir2 fließt. Wären beide Ströme gleich, würden sich auch diese Steuerströme aufheben. Leider ist das nur bei bestimmten Einstellungen für Ua und dem dabei fließenden Ausgangsstrom der Fall. Praktisch muss man bei der gezeigten Dimensionierung mit einem maximalen Gesamtfehler von Ir2 + Ir4 = 0,04 mA rechnen.

Test verschiedener Stromquellen

Da im dargelegten Schaltungsprinzip für die UI-Regelung vor allem für die genaue Anzeige des Laststroms am Ausgang sehr präzise Stromquellen erforderlich sind, wurden verschiedene Stromquellen getestet. Eine Messreihe entstand bei Untersuchung von Opamp-Stromquellen, weitere bei 2 Schaltungen mit Transistor und bei 2 Schaltungen mit Spannungsregler-IC. Die genauen Messwerte sind alle eingetragen.

Besonders interessant ist neben dem Schaltungsaufwand der jeweils erreichte differentielle Widerstand Rd. Rd soll möglichst hoch sein. Er kann als wirksamer Reihenwiderstand zu einer Spannungsquelle verstanden werden. Je größer Rd ist, desto weniger ändert sich der durch ihn fließende Strom, wenn sich der ebenfalls in Reihe geschaltete niederohmige Lastwiderstand der Stromquelle ändert. Das klingt kompliziert, ist aber mit dem Ohmschen Gesetz leicht nachweisbar.

Stromquellen mit Transistor oder Spannungsregler-IC

Es fällt auf, dass bei den Spannungsreglern LM317L die differentiellen Widerstände Rd ähnlich hoch sind im Vergleich zu den Schaltungen mit Opamp. Bedeutend ist der geringe Schaltungsaufwand von nur einem zusätzlichen Widerstand.

Die beiden Mess-Schaltungen mit dem Spannungsregler LM317L simulieren die zwei unterschiedlichen Schaltungsweisen innerhalb der UI-Regelschaltung. Die Ergebnisse des Rd sind nahezu gleich. Allerdings muss man beachten, dass die Spannung über dem LM317L nicht größer als 40 V sein darf.

Es gibt aber auch den Nachteil, dass sich Ströme mit viel weniger als 4 mA nicht realisieren lassen. Das ist durch den Eigenverbrauch des Spannungsreglers begründet. Die Wahl fiel trotzdem auf diese Schaltungsvariante, da diese Stromquellen außerdem sehr stabil und bequem mit dem Widerstand einstellbar sind.

Stromquellen mit Opamp

Stromquellen mit Opamp lassen sich freizügiger dimensionieren, vor allem sind auch Konstantströme von weniger als 4 mA möglich, im Vergleich zum LM317. Durch die hohe Verstärkung der Opamps ist der differentielle Widerstand Rd durchweg ziemlich groß, etwa 15 MOhm.

Nachteilig ist allerdings, dass ein zusätzliches Referenzelement erforderlich ist. Der sich ergebende Konstantstrom in Abhängigkeit von der Betriebsspannung und der Temperatur wird nahezu ausschließlich von den Eigenschaften der Referenzspannung bestimmt.

Beim Spannungsregler ist das Referenzelement bereits eingebaut. Durch die konstante geringe Strombelastung in der Schaltung als Stromquelle ist diese Referenzspannung nahezu unabhängig von der Umgebungstemperatur. Das heißt aber, der erzeugte Konstantstrom ist ebenfalls temperaturunabhängig.

Stromlaufplan der ENT7-UI-Regelung

Aufgrund der bisherigen grundlegenden Untersuchungen und Tests ergab sich die folgende Schaltung der Hauptplatine zusammen mit der äußeren Beschaltung.

Wesentliche Schaltungsteile:

• Regelkreis Referenzspannung Uref mit IC3 (AD584)
• U-Regelverstärker Opamp IC1 (OP07A), U-Sollwerteinstellung VR1, U-Istwerterfassung über R3
• I-Regelverstärker Opamp IC2 (OP07A), I-Sollwerteinstellung VR2 mit Anzeige Panel P3, I-Istwerterfassung mit Shunt Rsh
• Stromquelle SQ1 für Längsregler Transistor Q1 (TIP122), Schutz vor Stromspitzen (Spike-Schutz) mit Q1 (SC945)
• Stromquelle SQ2 zur Verbesserung der UI-Regelung
• Stromquelle SQ3 zur Fehlerkorrektur der Stromistwertanzeige Panel P2
• U-Ausgang über Schalter S1, Ua-Anzeige mit Panel P1 und LED3

Schaltungsbeschreibung

Die grundsätzliche Funktionsweise wurde mit der Testschaltung nachgewiesen und beschrieben. Im Folgenden sind weitere Details und Besonderheiten beschrieben.

Referenz-Spannungsquelle für Uref mit dem AD584

Es wurden im Laufe der Elektronik-Entwicklung viele ICs entwickelt, die eine von der Umgebungstemperatur unabhängige und langzeitstabile Spannung zur Verfügung stellen. Dafür ist in den ICs viel Aufwand erforderlich, um temperaturbedingte Änderungen in der Silizium-Schaltungsstruktur zu kompensieren. Meist haben diese ICs das bese Verhalten bei ca. 23° C, d.h. etwa bei Raumtemperatur. Deshalb liefert auch der AD584 bei konstanter Umgebungstemperatur die besten Ergebnisse.

An dieser Stelle sollte nicht gespart werden, da die Referenzspannung Uref bestimmt, wie genau die Werte von Spannung Ua und Strom Ia am Ausgang des ENT7 sind. Natürlich hängt die erreichte Genauigkeit auch von anderen Bauelementen ab, Uref ist aber die Ausgangsgröße, dessen Fehler alles andere negativ beeinflusst.

Die verwendete Außenbeschaltung der Referenz-Spannungsquelle AD584 folgt weitestgehend der Applikationsschaltung im entsprechenden Datenblatt. Dort sind auch weitere Daten zu finden, die für den praktischen Einsatz wichtig sind. Da beim ENT7 einheitlich 8-polige DIL-Fassungen zum Einsatz kommen, wurden die Beinchen des 8-Pin-DO-99-Gehäuses vom AD584 entsprechend zurechtgebogen. Der steckbare Einsatz dieses ICs und auch der Regel-Opamps lohnt sich bei der Inbetriebnahme, man ist z.B. auch bei einer möglichen Fehlersuche flexibler.

Sollwerteinstellung mit Poti VR1 und VR2

Beide Potentiometer sind hochwertige 10-Gang-Draht-Potis von VISHAY, die eine feinfühlige Einstellung von Spannung und Strom erlauben. Die in billigeren Stromversorgungsgeräten gängige Praxis, zur Sollwertvorgabe der Spannung und/oder auch des Stromes zwei einzelne Schichtpotis mit nur 300-Grad-Drehwinkel zu benutzen, ist hochgradig ineffizient.

Nur mit Mehrgangpotis ist eine genaue Einstellung möglich, die der Auflösung der Anzeige-Panels entspricht. Außerdem sind Drahtpotis langzeitstabiler im Vergleich zu Potis mit anderer Schleifbahn. Allerdings sollten die angegebenen Siebmittel (C1, C2, C10, C11) nicht weggelassen werden. Sie vermeiden Sprünge und andere Störungen im Sollwertsignal Usoll bzw. Isoll.

Für Usoll kann das U-Poti direkt an die Referenzspannung Uref angeschlossen werden. Der spätere Abgleich der maximal einstellbaren Ausgangsspannung Ua mittels Widerstand R2 wird so vorgenommen, dass bei VR1-Ende (Uref = Usoll) die Uamax eingestellt ist, z.B. 30,0 V.

Für Isoll dagegen muss die Uref mittels Vorwiderstand (VR3-R6) soweit reduziert werden, dass am VR2-Ende knapp 200 mV messbar sind. Der genaue Wert kann z.B. 199,8 mV sein, was bei richtigem Abgleich des Shunts Rsh einem Ausgangsstrom Ia von 199,8 mA entspricht. Genau 200 mV sollten es nicht sein, da dann am Panel ein Überlauf angezeigt wird und deshalb keine richtige I-Sollwertanzeige erfolgt. Poti VR3 sollte ein hochwertiger Mehrgangtrimmer sein, um eine genaue und langzeitstabile Einstellung der Stromobergrenze zu erhalten. Aus gleichem Grund ist R6 vorhanden, um den VR3-Abgleichbereich einzuengen. R6 sitzt auf Lötpfosten, um bei evtl. nötiger Änderung das Löten auf der Leiterplatte zu vermeiden.

Da die Hauptplatine der UI-Regelung und die Frontplatten-Platine mechanisch direkt übereinander liegen, sind die Poti-Kabel kurz und müssen nicht mit abgeschirmter Leitung ausgeführt sein. Sollte bei anderem Aufbau die Leitung zu den Potis länger sein, ist abgeschirmtes NF-Kabel das Richtige. Die kapazitive Belastung des Sollwertsignals darf wegen der Einstellung von Hand hoch sein.

Wahl der Regelverstärker-Opamps

Die Präzisions-Operationsverstärker OP07 sind zwar schon sehr lange auf dem Markt und kaum noch zu bekommen. Sie erfüllen aber als Regelverstärker an dieser Stelle alle nötigen Anforderungen. Insbesondere die garatiert geringe Offset-Spannung ist vorteilhaft, da noch kein Offset-Abgleich mit einem Trimmer erforderlich ist. Auch sind die Eingänge recht gut geschützt und die Verstärkung ist für eine gute schnelle Regelung hoch genug.

Die Spannungsfestigkeit, d.h. die maximal mögliche Betriebsspannung, muss nicht sehr hoch sein, da die Opamps nur die Differenz zwischen Q1-Basis und +Ua beherrschen müssen. Ausgang +Ua ist allgemeine Schaltungsmasse für die Opamps. Natürlich sind deshalb potentialgetrennte Betriebsspannungen für die Opamps erforderlich, die aber nicht höher als +/-10 V sein müssen. In diesem Zusammenhang reicht auch die Aussteuerfähigkeit des OP07 bezogen auf die positive und negative Betriebsspannungsgrenze aus.

Natürlich können auch modernere Opamp-Typen Verwendung finden, eine stabiles Verhalten auch bei geringer Verstärkung, d.h. hoher Gegenkopplung, vorausgesetzt. Die Keramik-Cs im Gegenkopplungszweig vom Ausgang Pin 6 zum Eingang Pin 2 wurden experimentell ermittelt. Es kann durchaus sein, dass noch kleinere Werte ausreichen. Je kleiner diese Gegenkpplungs-Cs sind, desto schneller ist die Regelung, d.h. desto schneller folgt die Ausgangsspannung Ua dem Sollwert Usoll. Kriterium ist, dass die Regelschleife in allen Lastfällen von RL am Ausgang Ua stabil bleibt, d.h. dass keine Schwingungen auftreten.

Das stabile Verhalten wird auch von der Ausgangskapazität Ca beeinflusst. Zu groß sollte dieser Kondensator nicht sein, denn sein Speichervermögen könnte eine angeschlossene empfindliche Schaltung zerstören, wenn die gespeicherte Energie dafür ausreicht. In alten Netzteil-Schaltungen ist dieser Ausgangskondensator Ca oft ein Elko und bis zu 100 uF groß, viel zu viel.

Bereitstellung des Basisstroms Ib für den Längsregler Q1

Stromquelle SQ1 liefert den Strom Ib in die Basis des Längsregeltransistors Q1. Die Stromquelle ersetzt gewissermaßen den an dieser Stelle sonst üblichen Basiswiderstand. Der Unterschied ist, dass ein Basiswiderstand gerade soviel Basisstrom Ib fließen lässt, wie Q1 zur Aussteuerung braucht. Die Stromquelle SQ1 dagegen liefert einen mit Rsq1 fest eingestellten Konstantstrom von 4 mA. Das ist natürlich zu viel. Aufgrund der Opamp-Schaltungsweise nehmen die Opamps über die Dioden D3 und D4 den überschüssigen Konstantstrom auf und regeln so den Längsregler Q1.

Opamp IC1 ist im CV-Betrieb aktiv, d.h. im Spannungsregel-Betrieb (Control-Voltage). Aktiv bedeutet, ein Teil von Isq1 fließt über die Diode D3 in den IC1-Opamp-Ausgang Pin 6 hinein. Mit Brücke JP1 kann IC1 zu Messzwecken z.B. bei der ENT/-Inbetriebnahme abgetrennt werden. Im CV-Betrieb ist Diode D4 gesperrt. Die Dioden D5 bis D10 sind im normalen Regelbetrieb sowieso gesperrt. Sie leiten nur überschüssigen Konstantstrom Isq1 ab, wenn die Spannung an der Q1-Basis aus nichtregulären Gr+ünden zu hoch werden sollte.

Opamp IC2 ist im CC-Betrieb aktiv, d.h. im Strombegrenzungs-Betrieb (Control-Current). Man kann dies auch als Stromregelung auffassen, da wie bei CV eine Regelung entsprechend des eingestellten Sollwerts erfolgt, in diesem Falle auf den Strom-Sollwert. Im CC-Betrieb aktiv sein bedeutet, ein Teil von Isq1 fließt über die Diode D4 in den IC2-Opamp-Ausgang Pin 6 hinein. Mit Brücke JP2 kann IC2 abgetrennt werden. Im CC-Betrieb ist Diode D3 gesperrt, ebenso natürlich die Schutzpfade über D5 bis D10.

Aus dieser Wirkungsweise ergibt sich, dass die beiden Opamps jeweils nur 4 mA aufnehmen müssen. Der zu liefernde Strom an LED1 bzw. LED2 ergibt sich zu etwa 7 mA, ein Wert der für den OP07 zulässig ist.

LED-Anzeige CV und CC

Aktiver CV-Betrieb bedeutet, CV-Opamp IC1 regelt und seine Ausgangsspannung ist gegenüber GND abgesenkt. Der Ausgang von CC-Opamp IC2 dagegen ist im CV-Betrieb stark positiv gegenüber GND. Deshalb kann jetzt die über R12 und D12 (Signal LCV) angeschlossene güne LED1 leuchten, da letztere mit GND verbunden ist.

Aktiver CC-Betrieb bedeutet, CC-Opamp IC2 regelt und seine Ausgangsspannung ist gegenüber GND abgesenkt. Der Ausgang von CV-Opamp IC1 dagegen ist im CC-Betrieb stark positiv gegenüber GND. Deshalb kann jetzt die über R11 und D11 (Signal LCC) angeschlossene rote LED2 leuchten, da letztere mit GND verbunden ist.

CV-LED und CC-LED leuchten also getrennt, je nachdem was gerade geregelt wird: die Spannung Ua oder der Strom Ia. Der Übergang von CV nach CC und umgekehrt ist aufgrund der hohen Opamp-Verstärkung nahezu schlagartig. Es ergibt sich eine saubere Anzeige der gerade aktiven Betriebsart. Ein zusätzlicher Opamp-Anzeigeverstärker, wie er in manchen Industriegeräten verwendet wird, ist nicht notwendig.

Schutz vor Stromspitzen am Ausgang +Ua

Damit keine unzulässig hohen Stromspitzen in der Ausgangslast RL auftreten, wurde Transistor Q1 (SC945) vorgesehen. Q1 umgeht praktisch den Stromregel-Opamp IC2, der langsamer als ein einzelner Transistor ist. Tansistor Q1 erhält Basisstrom über R10 vom Shunt Rsh und wird erst leitend, wenn die Spannung über Rsh mehr als 0,7 V beträgt. Das entspricht bei einem 1-Ohm-Shunt dem 3,5-fachen maximal zulässigen Strom von 200 mA. Eine entsprechende Stromspitze wird also wirksam unterdrückt.

Zusätzlich wird die Spannung an der Basis des Längsregel-Transistors (TIP122) durch die Dioden D6 bis D10 auf ca. 3,8 V begrenzt. Das verhindert, aus welchen Gründen auch immer, einen zu hohen Basisstrom in den Längsregel-Transistor.

Stromregel-Shunt Rsh

Da bei Maximalstrom Ia (Strom durch RL am Ausgang) am Shunt Rsh genau 200,0 mV abfallen sollen, ergibt sich Rsh zu 1,0 Ohm. Dieser Wert muss genau sein, da nur dann eine richtige Anzeige am Stromistwert-Panel erfolgt. Es gibt kaum abgleichbare Widerstände in dieser Größenordnung. Für den Eigenbau ist die Parallelschaltung einiger niederohmiger Widerstände die beste Lösung. Macht man einen der Parallelwiderstände durch Reihenschaltung eines Trimmers einstellbar, ergibt sich eine leicht herstellbare und vor allem gut abgleichbare Kombination, so wie sie auch im ENT7 verwendet wird.

Die vier 3,3-Ohm-Widerstände ergeben 0,825 Ohm Gesamtwiderstand, also weniger als die geforderten 1,0 Ohm. Wird einem der drei 3,3-Ohm-Widerstände ein 50-Ohm-Trimmer in Reihe geschaltet, ergibt sich ein Rsh-Einstellbereich von 0,825 Ohm bis 1,078 Ohm. Das reicht gut aus, die Toleranzen der Einzelwiderstände ausgleichen zu können.

Die Parallelschaltung von Widerständen ergibt den weiteren Vorteil der höheren Belastbarkeit. Die Widerstandskombination erwärmt sich weniger als ein Einzelwiderstand mit dem Gesamtwert dieser Kombination. Für gute Einstellbarkeit wird auch hier ein 10-Gang-Trimmer verwendet.

Getrennte Anzeige von Stromsollwert und Stromistwert

Für die Stromregelung hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, für Soll- und Istwert zwei separate Strom-Panels vorzusehen. Wird ein I-Sollwert eingestellt, z.B. 100,0 mA, bleibt diese Anzeige auf dem Sollwert-Panel immer sichtbar. Im CV-Betrieb wird dann der Ausgangsstrom +Ia angezeigt, der vom aktuellen Lastwiderstand RL abhängt und bei normaler Spannungsregelung geringer als 100,0 mA ist. Erreicht der Ausgangsstrom durch ein Verkleinern des Lastwiderstands RL die 100 mA, bleibt der Ausgangsstrom konstant und wird nicht weiter größer, da jetzt der Stromregler wirksam ist (CC-Betrieb). Beide I-Panels zeigen jetzt den gleichen Strom an. Der Stromistwert ist gleich dem Stromsollwert. Die Ausgangsspannung dagegen sinkt soweit ab, dass gerade noch diese 100,0 mA fließen können. Zusätzlich zeigt je eine LED die Betriebsart an (LED1 CV, LED2 CC).

Einfluss der Shuntströme und seine Korrektur

Wie beim Test der Prinzipschaltung schon beschrieben, fließen durch den Shunt Rsh neben dem eigentlich zu messenden Ausgangsstrom Ia noch andere Ströme, die eine Verfälschung des angezeigten Stromwertes bewirken würden. Die Stromquellen SQ2 und SQ3 müssen genau gleiche Ströme liefern, wenn der zusätzliche SQ2-Arbeitsstrom kompensiert werden soll. Zum Abgleich sind die entsprechenden Widerstände Rsq2 und Rsq3 auf Lötpfosten angeordnet. Eigentlich würde es reichen, nur eine der Stromquellen abgleichbar zu machen, da nicht der absolute Konstantstrom, sondern nur die Gleichheit der Konstantströme wichtig ist.

Eine Besonderheit ergibt sich noch für Stromquelle SQ2. Sie wird von +10 V versorgt, der Fußpunkt hängt aber am gegenüber GND negativen Potential der Ausgangsspannung Ua. Das sind im ungünstigsten Falle insgesamt 40 V. Damit ist die Maximalspannung für den LM317L schon erreicht. Die zusätzliche Z-Diode ZD1 beseitigt dieses Problem. Sie subtrahiert 5,6 V (nominal) von der +10V-Schiene, so dass der LM317L im sicheren Spannungsbereich arbeiten kann.

Schalter S1, LED3 und Ausgang

Die Ausgangsspannung des ENT7 ist allpolig abschaltbar. Im AUS-Zustand besteht also eine galvanische Trennung zwischen der z.B. zu versorgenden Schaltung und dem Netzgerät. Dies ist wichtig, wenn an der Schaltung Änderungen erfolgen sollen oder z.B. gelötet wird. Ist Schalter S1 ausgeschaltet, leuchtet die gelbe LED3 nicht, die Anzeige der eingestellten Spannung erfolgt aber trotzdem mit Panel P1. Um mit den vorhandenen 2 Kontaktebenen eines Kippumschalters auszukommen, wird LED3 im AUS-Zustand einfach überbrückt. LED3-Vorwiderstand R14 ist aus Gründen der Verlustleistung in 2 Widerstände aufgeteilt, da immerhin rund 32 V an ihm abfallen.

Über den Ausgangsbuchsen ist noch die Leistungsdiode D1a geschaltet, die eine negative Spannung an den Ausgangsbuchsen auf -0,8 V beschränkt. Das schützt nicht nur die ENT7-Schaltung vor Beschädigung, sondern lässt auch die Parallelschaltung von zwei gleichartigen Netzgeräten zu, ohne dass Schaden bei leicht unterschiedlicher Ausgangsspannung der Netzgeräte entsteht. Das Gerät mit der höheren Spannung geht dann in die Strombegrenzung. Es stellt sich die niedrigere der beiden Ausgangsspannungen ein. Die Strombelastbarkeit wird aber verdoppelt. Natürlich müssen beide Netzgeräte entsprechend eingestellt sein.

Übrigens, auch eine Reihenschaltung von zwei gleichartigen Netzgeräten ist möglich, da alle Spannungen grundsätzlich potentialfrei sind, d.h. es besteht keine Verbindung zum Gehäuse oder Schutzleiter des 230V-Netzes. Die Kondensatoren Ca1 und Ca2 am Ausgang sind nur bei Bedarf erforderlich, wenn HF-mäßige Störungen beseitigt werden sollen.

Mechanischer Aufbau

Das ganze Gerät besteht hauptsächlich aus zwei einseitigen FR4-Lochrasterplatinen, die mit Gewinde-Abstandsbolzen übereinander gestapelt sind. Eine Platine dient als Frontplatte und trägt alle Panels, LEDs und Steckanschlüsse. Die Hauptplatine trägt auf der BE-Seite nebst Ringkerntrafo die gesamte Elektronik, auf der Lötseite über Abstandsbolzen den Kühlkörper und eine kleine Lochrasterplatine für die 9V-Panelversorgung.

Durch die 3mm-Abstandsgewindebolzen zwischen den Platinen entsteht eine kompakte und stabile Einheit, die ohne weitere mechanische Teile betrieben werden kann. Ein Einschubgehäuse wäre zwar möglich, wurde aber nicht realisiert.

ENT7-Hauptplatine

Ziel war es, unter Nutzung des 2,5mm-Platinenrasters mit möglichst wenigen Bohrungen auszukommen. Platzbestimmend ist der Ringkerntrafo, der nur über 3 Kabelbinder montiert ist, wobei sich eine völlig ausreichende Festigkeit ergibt. Das folgende Bild zeigt die realisierte Leiterplattenstruktur.

Die 4 Bohrungen in den Ecken waren so wie auch das gebohrte 2,5mm-Raster schon vorhanden. Die Anschlusslötflächen an den beiden Schmalseiten sind nicht gebohrt und wurden auch nicht benutzt. Alle nötigen Infos sind im Bild eingetragen. Für die Masse- und Hauptversorgungsleitungen wurde 0,7mm-Draht verwendet, alle anderen Verbindungen kommen mit 0,2mm-Draht aus. Diese Art der Handverdrahtung im Lochraster ist die schnellste Möglichkeit, zu einer funktionsfähigen Leiterplatte zu kommen. Das entworfene Leitungsmuster lässt sich, falls gewünscht, leicht in eine Fertigungszeichnung überführen, was aber nur für größere Stückzahlen interessant sein dürfte.

Der 230V-Anschluss für den Trafo ist isolationstechnisch weit weg von der sekundärseitigen Elektronik verdrahtet und über Sicherung und Steckverbindung nach außen geführt. Ein Netzschalter existiert also nicht, da das ENT7 im Labor so wie andere Geräte auch separat an zentraler Stelle einschaltbar ist.

Im folgenden Bild sind die 9V-Platine und der Kühlkörper zu sehen, die auf der Lötseite der Hauptplatine über Abstandsgewindestücke montiert sind. Der Kühlkörper hat in der geometrischen Mitte ein 3mm-Loch für den Längsregeltransistor Q1 (TIP122), der über eine 3-polige Steckverbindung an der Lötseite der Platine verbunden ist. Ein Lüfter ist selbst bei maximaler Verlustleistung (etwa 34 V, 200 mA) nicht erforderlich. Es reicht die normale Konvektionskühlung.

ENT7-Frontplatine, Bohrplan

Auch für die Frontplatte wurde eine FR4-Lochrasterplatte verwendet. Dadurch kann man sich irgendwelche Bohrzeichnungen sparen. Die nötigen Löcher und Ausschnitte werden einfach mit einem Filzstift direkt auf der Platine markiert. Der Rest ist Bohrarbeit und etwas Feilen des leicht zu bearbeitenden Glasfasermaterials mit normalen Metallfeilen.

Das Bild zeigt die gewählte Aufteilung. Die Lötseite bildet die Rückseite. Auf eine zusätzliche Behandlung (Abdeckung) der Frontseite wurde verzichtet.

ENT7-Frontplatine

Nach der Montage sollte die Frontseite des ENT7 wie folgt aussehen.

Die Bezeichnungen wurden einfach mit dem PC auf etwas stärkerem gestrichenen Papier gedruckt, zurechtgeschnitten und aufgeklebt. Mehr ist bei Einzelfertigung nicht nötig.

ENT7 fertig aufgebaut und getestet

Das gewählte Prinzip des mechanischen Aufbaues erlaubt trotz eines kompakten Designs verschiedene Einstell- und Lötarbeiten bei der Inbetriebnahme vorzunehmen. Dazu werden die Front- und Hauptplatine nebeneinander gelegt und getestet, also noch nicht miteinander verschraubt. Erst wenn alles läuft und die Einstellungen erfolgreich waren, erfolgt der Zusammenbau.

Hilfreich sind Steckverbindungen zwischen Frontplatte und Hauptplatine, außerdem verschiedene Brücken (Jumper JP) und Lötpfosten. So ist nicht nur die Inbetriebnahme, sondern auch eine eventuelle Fehlersuche leichter durchführbar.

Inbetriebnahme und Einstellungen

An dieser Stelle soll nur grob aufgezählt werden, was wo und wie kontrolliert und eingestellt werden muss, damit das Gerät zufriedenstellend läuft. Der nötige Aufwand hängt auch von möglichen Fehlern bei der Verdrahtung ab.

• Wenn noch nicht geschehen, die drei Anzeige-Panels separat vom ENT7 überprüfen und einstellen. Beim Panel für die Ausgangsspannung ist nichts einstellbar, der Endwertabgleich der beiden Strom-Panels sollte aber vor dem Einbau sorgfältig vorgenommen werden. Dazu hat es sich bewährt, die einfachen 200-Ohm-Trimmer auf der kleinen Messgeräte-Platine gegen einen Spindel-Trimmer auszutauschen. Damit man nicht die Platine ausbauen muss, kann der alte Trimmer mit einem scharfen Seitenschneider abgeknipst werden. Die verbliebenen Füße dienen dann als Lötstützpunkte für den neuen Spindeltrimmer. Der Aufwand erscheint hoch, ist aber unbedingt nötig, da sich die einfachen Trimmer als Fehlerquelle erwiesen haben. Der Neuabgleich erfolgt dann mit einer genau kontrollierten Mess-Spannung bei 199,98 mV. Übrigens, der Nullpunkt der verwendeten Panels wird automatisch durch den aufgelöteten Chip permanent nachjustiert.
• Kontrolle aller Versorgungsspannungen. Dazu die Opamps und Panels noch nicht anstecken. Wenn nötig, die Opamp-Versorgung nachjustieren (R03, R04). Danach alles komplettieren und nochmals die Spannungen messen.
• Funktion aller LEDs und des Schalters S1 prüfen. Bei der LED-Polung und den Anschluss-Pins des Schalters schleichen sich gerne Fehler ein.
• Richtigen Anschluss und Funktion der Sollwert-Potis prüfen. Der Maximalwert für den Strom sollte auf 199,98 mV (VR2-e) mit VR3 abgeglichen werden. Dabei richtige Funktion des Stromsollwert-Panels P3 kontrollieren.
• Sollwert des Shunts Rsh mit dem Rsh-Trimmer auf genau 1,00 Ohm einstellen. Das geschieht nicht durch Rsh-Widerstandsmessung, sondern durch genaues Messen der über Rsh abfallenden Spannung von 200,0 mV bei 200,0 mA. Von dieser Einstellung hängt die Genauigkeit der Regelung und der Stromistwert-Anzeige ab.
• Funktion der drei Stromquellen SQ1, SQ2 und SQ3 überprüfen. Vor allen Dingen die Gleichheit der Ströme Isq2 und Isq3 messen und ggf. mit Rsq2 bzw. Rsq3 einstellen. Dazu beachten, dass mittels der Jumper JP3 und JP4 die Stromquellen abgetrennt werden können. Beim Test der Regelung ist dann am Shunt messbar, wie sich die Schaltung ohne und mit SQ2 und SQ3 verhält.
• Funktion der Regelung prüfen. Dazu Soll- und Istwerte an den Opamp-Eingängen messen, dazu die jeweilige Spannung am Opamp-Ausgang Pin 6 messen. Eingangswerte niemals direkt an den Pins 2 bzw. 3 messen, sondern vor den entsprechenden Widerständen. Bei Fehlern oder wenn aus anderem Grund erforderlich, die Trennmöglichkeit mit JP1 bzw. JP2 beachten. So lässt sich auch vorübergehend eine Spannungs- bzw. Stromregelung separat durchführen und testen. Bei allen Arbeiten zum Test der Regelung hat sich eine elektronische einstellbare Last am Ausgang bewährt. Da muss man nicht mit verschiedenen festen Hochlastwiderständen hantieren. Auch ein Oszi an den Ausgangsbuchsen hat sich bewährt, um zu kontrollieren, ob evtl. Regelschwingungen auftreten. Die Gegenkopplungs-Kondensatoren C7 und C14 beeinflussen die Stabilität der Regelung. Sie sollten für hohe Regelgeschwindigkeit so klein wie möglich sein, sie sollen aber auch in allen Lastfällen am Ausgang jede Schwingneigung unterdrücken. Für das Vermeiden von Regelschwingungen spielt auch der Kondensator Ca eine wichtige Rolle. Auch er sollte so klein wie möglich sein, aber trotzdem so groß, dass sich ein sicherer stabiler Betrieb ergibt.

Ergebnisse und Fazit

Inbetriebnahme und Test haben die eingangs gestellten Erwartungen erfüllt. Hervorzuheben ist das Schaltungskonzept und der für Laborbdingungen gut geeignete einfache Aufbau. Besonders die gute Regelbarkeit im Millivolt- und Milliampere-Bereich in Verbindung mit der zusätzlichen Anzeige des Stromsollwerts sind Eigenschaften, die auch bei moderneren Geräten oft nicht vorhanden sind.

Ziel war ein Gerät im niedrigen Leistungsbereich, dafür aber mit präziser Einstellbarkeit und Anzeige. Zur Leistungserhöhung kann ein gleichartiges Gerät in Reihe oder auch parallel geschaltet werden. Es stehen dann bis zu 60 V bei 200 mA oder auch 30 V bei 400 mA zur Verfügung.

Eine dynamische Prüfung mit Impulsbelastung am Ausgang steht noch aus. Sobald verfügbar, werden die Daten hier bekannt gegeben.

Update Labor-Netzgerät ENT7A

Die folgenden Bilder zeigen ein zweites Netzgerät mit der Bezeichnung ENT7A. Es ist im Grunde genommen das gleiche Gerät ENT7, aber mit ein paar kleinen Verbesserungen.

Die Frontplatte ist gleich geblieben, außer der Update-Bezeichnung ENT7A.

Stromlaufplan der UI-Regelung des ENT7A

Funktionell gleicht der Stromlaufplan der UI-Regelung dem ENT7. Nur das Stecksystem wurde etwas geändert. Hinzugekommen ist ein externer Anschluss der Opamp-Versorgungsspannungen +/-10 V.

Hauptplatine des ENT7A

Hier sind die neuen stabileren Steckverbindungen zu sehen. Auch der Bereich oberhalb der Opamps wurde neu gestaltet, so dass mehr Platz für die Einzelwiderstände vom Shunt zur Verfügung steht.

Für alle Kleinleistungsdioden wird jetzt einheitlich der Typ 1N4148 verwendet, auch für D6 bis D10. LED-Vorwiderstand R14 ist jetzt ein Einzelwiderstand mit entsprechend höherer Belastung.

Die Anschlüsse vom Ringtrafo wurden von der jeweiligen Wicklung aus so auf die Leiterplatte geführt, dass die Leiterführung auf der Platine einfacher ist. Die Anschlusspunkte 5 bis 10 der 9V-Wicklungsanschlüsse sind 1 zu 1 mit den entsprechenden Anschlusspunkten auf der 9V-Platine steckbar verbunden.

Hauptplatine des ENT7A, Lötseite

Die Lötseite der Hauptplatine. Es sind die neuen Steckverbindungen und eine geringfügig veränderte Leitungsführung der 9V-Platine sichtbar.

Labor-Netzgerät ENT8

((in Arbeit))

 

© Peter E. Burkhardt