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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Stromkompensierte Drossel als Speicherdrossel?


Autor: Verdrosselter (Gast)
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Hallo,

ich weiß, das Thema ist bereits mehrfach behandelt worden, aber ich bin 
mir bezüglich meiner Anwendung nicht bezüglich meines Verständnisses 
sicher. Daher für alle die sich gerne am gefährlichen Halbwissen 
ergötzen:

Mein "Problem":

Ich suche eine Drossel für einen Buck-Converter. Dieser soll bei 
100-200V U_out eine Leistung von ca. 75 Watt haben, also DC-Ströme von 
meistens deutlich < 1A. Die Schaltfrequenz sollte mind. 100kHz betragen.

Mir geht es nicht um einen wirklich guten Wirkungsgrad, sondern nur um 
eine funktionierende Schaltung (, die für mich eher mittel zum Zweck 
darstellt).

Nun habe ich hier mehrere Drosseln zur Auswahl, ua strompensierte 
Drosseln mit erstaunlichen Induktivitäten (>1mH bei I_max_DC >1 A_DC, 
fg>500kHz) und wesentlich größere Entstördrosseln mit deutlich kleinerer 
Induktivität (z.B. 330uH). Der Innenwiderstand ist bei beiden in einer 
ähnlichen Größenordnung.

Warum kann man bei einer stromkompensierten Drossel die beiden 
Wicklungen nicht einfach in Serie (also: wieder stromkompensierend!) 
schalten? Gilt der im Datenblatt angegebene Frequenzgang NUR bei der 
Verwendung als Netzfilter?

Sonst hätte man ja eine recht ordentliche Induktivität bei relativ 
kleiner Bauform zum guten Preis.

Ich hätte auch Zugriff auf Pot-Cores (allerdings ohne Luftspalt, müsste 
man mittels Papier realisieren) mit einem AL von 2000. Reicht ein 
solcher oder sind die auch für andere Zwecke gedacht? Sind nicht gerade 
groß. Schaff da höchstens ein paar 10 Wicklungen rein. Also erreiche nur 
sehr kleine Induktivitäten.
Wie berechnet man den sich ergebenden neuen AL-Wert, wenn man einen 
Luftspalt hinzufügt? Für die Dinger gibts leider kein Datenblatt (Noch 
von Siemens!). Oder geht in dem Fall nur das "Selbst-messen"?

Nochmal: Wirkungsgrad ist m.o.w. wurscht, nur keine Brandgefahr und eine 
funktionierende Schaltung ist mir wichtig.

Muss es unbedingt eine Speicherdrossel sein? Oder reicht eine der oben 
angegebenen Möglichkeiten?

Grüße
Verdrosselter

Autor: Floh (Gast)
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Autor: H.Joachim Seifert (crazyhorse)
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Das Problem dabei: bei Gleichstrombelastung (und das hast du bei jedem 
Wandler) geht das Teil in die Sättigung.
Als Speicherdrossel kaum brauchbar.

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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denke auch nicht, daß das tauglich ist.

aber wenn du schon alte teile auseinanderrupfst findest du auf der 
sekundärseite in pc-netzteilen einen oder mehrere passende 
eisenpulverkerne. die sind bestens dafür geeignet. oder wo hast du den 
kern von der drossel her?

bei dem hohen spannungsnivau wo du hin möchtest würde ich aber eher zu 
einem "echten" transformator anstatt einer speicherdrossel raten. 
ansonsten eine spezielle wicklung auf der drossel machen, z.b. 10 
windungen für die niederspannungsseite und nochmal geschätzte 100 an 
diese 10 dran. an diese "mittelanzapfung" kommt dann dein 
leistungsschalter, an das "obere" ende mit den 100 windungen deine 
gleichrichterdiode (nimm eine sehr gute, die bekommt sehr hohe 
sperrspannungen ab!) und das untere ende der plus der schaltung. so 
würde ich das probieren wenn es UNBEDINGT ein aufwärtswandler mit 
speicherdrossel sein muß.

Autor: Verdrosselter (Gast)
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Danke!

War vielleicht eine etwas schnelle Nachfrage. Ich lese den Artikel 
gleich nochmal in aller Ruhe durch, schon ausgedruckt.... (Shame on me).

Fazit (Alle Nachfragen mit Rücksicht aufs Verständnis!):

Die stromkompensierenden Drosseln sind völlig ungeeignet, da bei nicht 
stromkompensierender Betriebsart (wäre nötig?!) der Sättigungstrom viel 
früher als bei I_N erreicht wäre?

Die Entstördrossel ließe sich verwenden, man muss aber durch die 
Eisenverluste höhere Verluste berücksichtigen (ca. 50% von P_v_ges)?

Die Pot-Cores (Typ: N26) sind wahrscheinlich das beste, was ich hier 
rumliegen habe?! Also selbst wickeln...?

Fürs Verständnis:

- Gilt der im Datenblatt (...einer stromkompensierenden Drosssel...) 
angegebene Frequenzgang NUR bei der Verwendung als Netzfilter?

- Reicht ein Pot-Cores oder sind die auch für andere Zwecke gedacht?

- Wie berechnet man den sich ergebenden neuen AL-Wert, wenn man einen
Luftspalt hinzufügt? ... Oder geht in dem Fall nur das "Selbst-messen"?

- Oder muss es unbedingt eine "richtige" Speicherdrossel sein?

Grüße
Verdrosselter

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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du solltest schon einen geeigneten kern nehmen, sprich einen der 
mindestens für die wandlerfrequenz geeignet ist. ansonsten wird eine 
induktive heizung daraus und du verbrennst den kern.

Autor: S. Matlok (smatlok)
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Wie schon so halb gesagt wurde:

Diese Drosseln sind im Prinzip sowas wie ein Trafo. D.h. schaltet man 
die Wicklungen gegensinnig, also stromkompensierend, so hat die Drossel 
bis auf Streufelder keine Induktivität, der Laststrom kann also groß 
sein und "ungehindert" fließen. Für die Ströme, welche in die gleiche 
Wicklungsrichtung fließen (common mode - Störströme im mA Bereich) wirkt 
die Hauptinduktivität der Drossel, welche aber wie gesagt schon bei 
wenigen mA sättigt.

Der Witz an der Sache ist also nur eine Drossel zu bauen, welche für 
sehr kleine Commonmodeströme eine große induktivität bildet ohne den 
"Laststrom im magnetfeld mit speichern zu müssen" um somit erheblich an 
größe zu sparen. Die Stromangabe ist also mehr eine thermische Sache der 
Wicklungen für den Laststrom, wärend die Induktivitätsangabe für die 
kleinen Commonmodeströme gilt.

EDIT: oh, da waren aber noch einige schneller ^^

Autor: Verdrosselter (Gast)
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Nochmal Danke an alle Antwortenden!

> aber wenn du schon alte teile auseinanderrupfst findest du auf der
> sekundärseite in pc-netzteilen einen oder mehrere passende
> eisenpulverkerne.

Sehr gute Idee... Das lässt sich machen. Aber wie bestimme ich den 
AL-Wert? Die sind ja bestimmt nicht ablesbar, oder doch?

Oder wird das L-Glied für einen Buck-Converter (...ist doch ein 
Tiefsetzsteller?) eher Pi x Daumen ausgelegt?

> oder wo hast du den
> kern von der drossel her?

Als (bereits fertig gewickelte) "Speicher-/Entstördrossel" gekauft und 
nicht gebraucht. Daten: 330µH, I_DC=1A, R=193mOhm


> bei dem hohen spannungsnivau wo du hin möchtest würde ich aber eher zu
> einem "echten" transformator anstatt einer speicherdrossel raten.

Problem:Die DC-Spannung soll digital einstellbar sein...

> ansonsten eine spezielle wicklung auf der drossel machen, z.b. 10
> windungen für die niederspannungsseite und nochmal geschätzte 100 an
> diese 10 dran. an diese "mittelanzapfung" kommt dann dein
> leistungsschalter, an das "obere" ende mit den 100 windungen deine
> gleichrichterdiode (nimm eine sehr gute, die bekommt sehr hohe
> sperrspannungen ab!) und das untere ende der plus der schaltung. so
> würde ich das probieren wenn es UNBEDINGT ein aufwärtswandler mit
> speicherdrossel sein muß.

Upps: Kommunikationsproblem. Es soll ein Abwärtswandler 
(=Buck-Converter, oder?) werden. Also U_ein=325VDC. (Bevors kommt: FI, 
Trenntrafo, Notaus und Hirn vorhanden!)

Sehe keinen Vorteil die Spannung nach unten zu tranformieren, um sie 
anschließend hochzusetzen.
Aber bitte, wenn ihr anderer Meinung seid: klärt mich auf! Ich lerne 
gerne dazu!

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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okay jetzt sagst du nochmal ganz konkret was das werden soll

wenn die 325Vdc die gleichgerichtete netzspannung sein sollen kommst du 
um einen transformatorischen wandler nicht herum (siehe sichere 
galvanische netztrennung).

Autor: Verdrosselter (Gast)
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> du solltest schon einen geeigneten kern nehmen, sprich einen der
> mindestens für die wandlerfrequenz geeignet ist.

Da habe ich ein Verständnisproblem:

Es gilt ja für eine ideale Induktivität Z = U_L/I_L = 2*pi*f*L, also 
linear ansteigend mit der Frequenz. Damit ist die Drossel mit dem 
angehängten Datenblatt für eine Schaltfrequenz von 100kHz geeignet, 
oder? Das ist das Datenblatt der stromkompensierten Drossel, die ja 
ungeeignet ist.

Ich bin verwirrt...

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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daß ich dir erkläre wie ein drosselabwärtswandler an netzspannung 
funktioniert kannste knicken. habe keine große lust drauf dafür 
einzufahren wenn du dich mit dem murks extra knusprig grillst!

Autor: Verdrosselter (Gast)
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Ben _ schrieb:
> wenn die 325Vdc die gleichgerichtete netzspannung sein sollen kommst du
> um einen transformatorischen wandler nicht herum

Ist kein Teil für die Massenproduktion, nur ein Experimentaufbau, wie 
bereits oben erwähnt: Mittel zum Zweck. Und ein Trenntrafo ist 
vorgeschaltet. Reicht der Trenntrafo etwa nicht aus? Sollte nicht&nie 
direkt am Netz hängen.

Autor: Verdrosselter (Gast)
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Ben _ schrieb:
> habe keine große lust drauf dafür
> einzufahren wenn du dich mit dem murks extra knusprig grillst!

Hab auch kein Lust mich extra knusprig zu grillen. s.o. Wirst nicht 
einfahren, schon genug davon verstanden, um sowas zu verhindern.

Aber wenn Du helfen willst und kannst:

Alternative wäre ein Hochsetzsteller oder , oder? Dann brauch ich aber 
mindestens zwei Trafostufen und jede menge Eisen (= Zukaufteile = €s) 
und Zeit zum Wickeln, oder?

Gibt es sonst noch Möglichkeiten 100-250VDC digital schaltbar zu 
erzeugen?

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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vergiss es.

bau lieber einen vernünftigen sperrwandler, da findest du bei 
tv-geräte-netzteilen auch gutes material drüber und vielleicht sogar 
einen passenden trafo (bei vielen geräten liegt die spannung für den 
zeilentrafo zwischen 150 und 200 volt, so einen trafo kannste nehmen). 
und für die regelung mußt du dir nur überlegen wie du das primäre 
schaltregler-IC über einen optokoppler ansteuerst. wenn das ding nicht 
allzu schnell auf laständerungen reagieren muß kannst du dafür auch 
einen µC-timer-pin mit tiefpass nehmen und die ausgangsspannung mit dem 
ADC messen, ggf. nachregeln.

das problem bei der netzspannung ist, daß im fehlerfall die volle 
netzspannung am ausgang anliegen kann. bzw ein drosselwandler hat auch 
eine durchgeführte masse (eingangsmasse gleich ausgangsmasse). pech wenn 
da gerade durch einen "falsch" eingesteckten stecker die phase drauf 
liegt, die geht dann ungebremst bis zum ausgang durch. deswegen 
galvanische trennung vom netz über einen isolierenden transformator.

edit: der trafo beim sperrwandler ist im grunde nichts weiter als eine 
speicherdrossel, nur mit zwei getrennten wicklungen. und du brauchst 
auch nur diese eine induktivität, ist also kein "metallischer 
mehraufwand" vorhanden.

Autor: Verdrosselter (Gast)
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> bau lieber einen vernünftigen sperrwandler, da findest du bei
> tv-geräte-netzteilen auch gutes material drüber und vielleicht sogar
> einen passenden trafo (bei vielen geräten liegt die spannung für den
> zeilentrafo zwischen 150 und 200 volt, so einen trafo kannste nehmen).

Nochmal guter Tip. Du bist echt gut! Danke! Haben die wirklich soviel 
Leistung (75Watt)?

> und für die regelung mußt du dir nur überlegen wie du das primäre
> schaltregler-IC über einen optokoppler ansteuerst.

Das wäre ja der (schon bestehenden) Ansteuerung des Buck-Converters sehr 
ähnlich. Also kein Problem: steht!

> wenn das ding nicht
> allzu schnell auf laständerungen reagieren muß

Soll es, leider! Daher eine analoge Schaltung mit DA und Schmitt-Trigger 
gewählt. Also keine PWM!

> das problem bei der netzspannung ist, daß im fehlerfall die volle
> netzspannung am ausgang anliegen kann.

Ich scheine zu doof zu sein. Welcher Fehler erzeugt dieses Problem? (ein 
Trenntrafo ist vorgeschaltet)

> bzw ein drosselwandler hat auch
> eine durchgeführte masse (eingangsmasse gleich ausgangsmasse). pech wenn
> da gerade durch einen "falsch" eingesteckten stecker die phase drauf
> liegt, die geht dann ungebremst bis zum ausgang durch.

Dieser Gefahr war ich mir von Anfang an bewußt. (Bitte glaub mir!)

> deswegen
> galvanische trennung vom netz über einen isolierenden transformator.

Nochmal: Der Trenntrafo reicht dafür nicht aus? Die Schaltung kriegt 
keiner außer mir in die Hände, versprochen! Mir geht es primär um eine 
einfache schnelle Lösung ohne €-Aufwand.

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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du glaubst doch wohl selber nicht, daß das ding immer über einen 
trenntrafo läuft wenn da erstmal ein stecker dran ist oder?! ;)

fehlerfall z.b. durchgebratener schalttransistor - die angeschlossene 
last wird sich für 320V bedanken (in schall und rauch)! oder die 
durchgezogene masse - male dir das doch mal auf dann siehst du es.

75 watt macht ein röhren-TV-netzteil locker für den zeilentrafo wenns 
nicht gerade eine mini-röhre ist.

was für lasten sind denn da dran, daß dein netzteil schnell reagieren 
soll? µC-gesteuerte netzteile neigen von hause aus dazu, eine langsame 
regelung zu haben. das kannst du nur mit einem analogen regelkreis 
umgehen, der seine referenz von einem DA-wandler erhält, der widerum 
durch den µC gesteuert wird. aber ob du damit 1V auflösung schaffst weiß 
ich nicht. das verbessert zwar die sprungantwort bei lastwechseln, ist 
aber nicht schneller beim ausregeln auf eine bestimmte spannung (weil 
das nur der µC kann).

und hör auf das wort "einfach" in verbindung mit 320Vdc zu gebrauchen, 
das passt nicht zueinander!

Autor: Verdrosselter (Gast)
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Ben _ schrieb:
> du glaubst doch wohl selber nicht, daß das ding immer über einen
> trenntrafo läuft wenn da erstmal ein stecker dran ist oder?! ;)

Nein, deswegen kommt auch keiner dran. Der (diskrete aber vergossene) 
Trenntrafo hat Anschlussklemmen.

> fehlerfall z.b. durchgebratener schalttransistor - die angeschlossene
> last wird sich für 320V bedanken (in schall und rauch)! oder die
> durchgezogene masse - male dir das doch mal auf dann siehst du es.

Es handelt sich um ein Aufbau für Experimente, die nur ich durchführen 
werde (können!).

> 75 watt macht ein röhren-TV-netzteil locker für den zeilentrafo wenns
> nicht gerade eine mini-röhre ist.
>
Ich gehe morgen auf die Suche.

> was für lasten sind denn da dran, daß dein netzteil schnell reagieren
> soll?
Antriebe mit großer Dynamik und sehr schnellen Lastwechseln.
Definiere schnell. Ich bräuchte ca. f_g=1-5kHz. Geht das noch mit einem 
AVR? Hab einfach keine Erfahrung.

> µC-gesteuerte netzteile neigen von hause aus dazu, eine langsame
> regelung zu haben. das kannst du nur mit einem analogen regelkreis
> umgehen, der seine referenz von einem DA-wandler erhält, der widerum
> durch den µC gesteuert wird.

Fast richtig. Wie beschrieben, aber kein uC sondern ein PC mit IO-Karte 
und Entwicklungsumgebung. Schon deswegen muss ich mit meinen Spannungen 
Acht geben! Wie bereits gesagt: Experiment!

>  aber ob du damit 1V auflösung schaffst weiß
> ich nicht.

Da hab ich keine Erfahrungswerte. Ist aber auch einer der Punkte bei dem 
ich mir Gedanken mache, obs funktionieren kann.

> das verbessert zwar die sprungantwort bei lastwechseln, ist
> aber nicht schneller beim ausregeln auf eine bestimmte spannung (weil
> das nur der µC kann).

Das Ausregeln erledigt ein Schmitt-Trigger mit einstellbarer Hysterese. 
Der Sollwert kommt analog vom DA-Wandler der vom PC gesteuert wird.

Kopplung erfolgt über Instrumentenverstärker (Istwerterfassung) und 
Optokoppler (Ausgang Regelung).

> und hör auf das wort "einfach" in verbindung mit 320Vdc zu gebrauchen,
> das passt nicht zueinander!

Och Menno. Versteh doch bitte, dass ich diesen Punkt verstanden habe. 
Wirklich. Ehrlich. Ehrenwort.

Autor: Verdrosselter (Gast)
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Ben _ schrieb:
> oder die
> durchgezogene masse - male dir das doch mal auf dann siehst du es.

Verstehs mal wieder nicht.

Das Problem ist doch beim Sperrwandler das gleiche:
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/de/8/82/Sper...

Vielleicht ist es auch nur einfach zu spät. Dank Dir Ben!

Grüße

Autor: H.Joachim Seifert (crazyhorse)
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Schon an eine lineare Lösung gedacht?
Also stinknormaler Trafo mit einer Ausgangsspannung von ca. 150...180V, 
anschliessend ein Linearregler.
Sehr schön zu machen mit diversen APEX-OPs, alles drin, alles dran. Ok, 
verheizt ne Menge. Ist aber schnell und einfach zu realisieren.
Auch ein diskreter Aufbau ist leicht möglich (falls dich der Preis der 
APEX-Teile abschreckt :-)
Mit deinem Schaltregler wirst du etliche Tage zubringen. Mit ungewissem 
Ausgang, insbesondere  was die Geschwindigkeit der 
Ausgangsspannungsänderung angeht. Solche Regler haben auch gerne 
instabile Betriebszustände.

Autor: Verdrosselter (Gast)
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H.joachim Seifert schrieb:
> Schon an eine lineare Lösung gedacht?

Nicht wirklich ernst. Die Verluste machen mir Angst bei (250-100)V * 
0.7A kommt ja einiges zusammen. Da brauch ich schon einen CPU-Lüfter. 
Aber prinzipiell ist mir das Verhalten eines Linearreglers auch 
sympathischer, insbesondere das EMV.

> Also stinknormaler Trafo mit einer Ausgangsspannung von ca. 150...180V,
> anschliessend ein Linearregler.

Okay. Hört sich soweit gut an. Hab zwar weder noch...

> Sehr schön zu machen mit diversen APEX-OPs, alles drin, alles dran. Ok,
> verheizt ne Menge. Ist aber schnell und einfach zu realisieren.

Geile Teile. Für meine Zwecke bis 250V mal bei Farnell nachgeschaut und 
fast vom Stuhl gefallen. Sind mir doch ein wenig zu viel €s fällig. Und 
bei den Preisen werden die wohl auch keine Muster verschicken. Nee die 
kommen (leider!) nicht in Frage.

> Auch ein diskreter Aufbau ist leicht möglich (falls dich der Preis der
> APEX-Teile abschreckt :-)

Oh ja das tut er. Diskret? Sprich: Eigenen HV-OP bauen. Da bin ich aber 
auch ein weile dran, oder? Und die Bauteile werden auch teuer sein, 
oder?

> Mit deinem Schaltregler wirst du etliche Tage zubringen. Mit ungewissem
> Ausgang, insbesondere  was die Geschwindigkeit der
> Ausgangsspannungsänderung angeht.

Stimmt mich nicht gerade optimistisch.

> Solche Regler haben auch gerne
> instabile Betriebszustände.

Also rätst Du mir auch eher zu einer PWM-Steuerung und einen Atmel zu 
verwenden, wenn es kein Linearregler sein soll?
Was für Abtastzeiten lassen sich da denn erreichen?

Autor: Verdrosselter (Gast)
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Verdrosselter schrieb:
> Vielleicht ist es auch nur einfach zu spät.

Es war zu spät! ;)

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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du schaffst eine abtastfrequenz von einigen kilohertz, die ausregelung 
kommt dann auf deine programmierkünste an.

die meisten schaltregler benötigen eine kleine grundlast um stabil zu 
arbeiten, läßt sich aber hinkriegen wenn du nicht irgendwelchen mist 
beim platinenlayout baust.

ich habe z.b. bereits ein 12V/2A netzteil aus den teilen eines alten 
DVD-player-netzteils und einem TL494 auf lochraster gebaut, man bekommt 
das also schon stabil.

hinsichtliche abgestrahlter störungen sind lineare systeme immer besser 
als schaltregler weil sie keine störspitzen durch schaltvorgänge 
erzeugen. inwieweit sie besser in der EMV-toleranz sind mag ich nicht 
beurteilen, ich hab auch schon mit einer HF-endstufe an einem 
linearregler schiffbruch erlebt (spannung stieg einige volt an). das 
einzige wo sie idR noch einen vorteil haben ist ihre robustheit und 
einfachheit.

naja deine entscheidung, du muß das bauen. schau dir mal das datenblatt 
zum UC3842 an, der wird gerne in solchen sperrwandlern verwendet. 
ansonsten mußt du mal schauen was für einen IC in dem netzteil was du 
findest verwendet wird. such dir eines mit möglichst hoher 
ausgangsspannung, umso besser ist der trafo geeignet (du kannst einige 
volt über die alte ausgangsspannung gehen, aber nicht zuviel sonst wirds 
für das RCD-netzwerk und den schalttransistor auf der primärseite 
gefährlich).

ein problem bleibt dir aber, wenn du in einem sehr weiten bereich von 0V 
an bis 200V regeln willst kannst du das steuer-IC bzw. bei µC-regelkreis 
auch den µC nicht aus dem gleichen trafo speisen. dafür wird dann ein 
zweites netzteil für diese hilfsspannungen gebraucht, was den primären 
schaltregler-IC und die 5V/12V-bauteile auf der sekundärseite versorgt. 
so ists jedenfalls in meinem labornetzgerät gemacht.

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