Projekt: Labornetzteil

Diese Wiki-Seite soll als Entwicklungsmedium für ein Labornetzteil fungieren. Es wird ein modulares Labornetzteil entworfen und die Ergebnisse hier präsentiert.

Aufbau (Zusammenfassung)

Das Netzteil soll modular aufgebaut werden, so dass zusätzliche Erweiterungen einfach anzubinden sind. Dafür werden eine Kontrolleinheit und eine oder mehrere Regeleinheit(en) benötigt. Die Verbindung wird duch eine (noch zu definierende) Schnittstelle hergestellt.

Ein Labornetzteil kann ganz allgemein verschiedene Ausbaustufen aufweisen:

• Einfacher 1-Quadranten-Gleichspannungsregler mit einstellbarer Strombegrenzung
• Mehrfacher Aufbau (bspw. Doppel-Netzteil), ungekoppelt oder gekoppelt (bspw. ± mit gemeinsamer Masse). Am nützlichsten in der Praxis ist ein Dreifachnetzteil mit 2 ±-koppelbaren Versorgungen (typ. Analogversorgung) und 1 getrennten Versorgung (typ. Digitalversorgung)
• Dito mit Fernsteuerung / Modulation / Ferndatenerfassung
• Zweiquadranten-Regler 1 mit Modulation — kann Stromrichtung wechseln und als elektronische Last arbeiten. Damit ist dieses Modell als Akkupflegegerät prädestiniert
• Zweiquadranten-Regler 2 mit Modulation — kann Spannungs-Polarität wechseln und Wechselspannung liefern jedoch keine Blindlasten entladen
• Dito mit Fernsteuerung / Modulation, somit als Wechselspannungsquelle verwendbar
• Vierquadranten-Regler, d.h. kann als elektronische Last arbeiten und Energie verbrauchen, mit gemeinsam oder getrennt einstellbaren Spannungs- und Strom-Limits (je nach Polarität und/oder Energie-Wirkrichtung), kann auch Blindlasten treiben (also alles). Ein solches Gerät basiert sicherlich einer gleichspannungsgekoppelten Lautsprecher-Endstufe
• Dito als Hochspannungsquelle bspw. ±400 V um als Netzsimulator arbeiten zu können oder Piezos anzusteuern
• Eingebauter Funktionsgenerator mit Wirkung auf Sollspannung oder Sollstrom

Kontrolleinheit (Zusammenfassung)

Die Kontrolleinheit (später „Mastereinheit“ genannt) ist fuer die Interaktion mit dem Benutzer zuständig. Nebenbei soll sie noch mit anderer digitaler Hardware (z. B. PC) interagieren koennen. Dazu werden folgende Schnittstellen benoetigt:

• LC-Display: Dieses ist zum Anzeigen von Informationen nötig. Es wird ein HD44780-Kompatibles Display eingesetzt. (Alternativ kann auch ein Grafikdisplay eingesetzt werden, um Ladungskurven etc. direkt anzuzeigen)
• Taster: Zum Eingeben der Ausgangsspannung und des Ausgangsstrom werden Taster oder Drehgeber benötigt.
• RS232 oder USB für die Verbindung zum PC: Beides wird in das Layout aufgenommen und kann mit einem Jumper auf der Platine ausgewählt werden.

Regeleinheit(en) (Zusammenfassung)

Die Regeleinheiten (später „Slaves“) sind für das Regeln der Ausgänge zuständig. Sie brauchen eine Schnittstelle zur Kontrolleinheit, die ihnen die Sollwerte liefert und über die sie auch die Ist-Werte zurückgeben koennen. Weiterhin muss es eine Möglichkeit geben, die Kontrolleinheit über Statusänderungen zu informieren (z. B. kurzgeschlossener Ausgang, Überhitzung etc.). Die Slaves sollen im Grunde auch alleine Arbeiten und von der Kontrolleinheit nur Sollwerte bekommen bzw. Istwerte zu dieser senden. Im Industriebereich ist ±10 V als Normsignal üblich, im Billig-Bastelbereich richtet man sich eher nach dem verfügbaren A/D- bzw. D/A-Wandler.

Regeleinheiten müssen aus folgenden Blöcken bestehen:

• Galvanische Trennung von der Schnittstelle zur Kontrolleinheit (typischerweise über Optokoppler)
• Verarbeitung der Informationen, ggf. Umwandlung in analoge Spannungen
• Regelung des Ausgangs

Schnittstelle (Zusammenfassung)

Die Schnittstelle zwischen Kontroll- und Regeleinheiten muss folgendes leisten:

• galvanische Trennung
• Möglichekeit zur Anbindung mehrerer Regeleinheiten
• ggf. Interrupts

Zur Auswahl standen unterschiedliche Schnittstellen wie CAN, SPI, UART, I2C. Ausgewählt wurde eine Eindraht-RS485-Schnittstelle. Diese wird von den meisten µ-Controllern in Hardware unterstützt und kann somit besonders einfach und rechenleistungsarm verwendet werden. Der Master muss seinen Empfänger mit Hilfe eines Multiplexers auf mehrere Slaves schalten können. Das Protokoll bestimmt den Slave, fuer den das Signal ist und auf den gehört werden soll.

Mehr zur Schnittstelle unter Schnittstelle.

Schnittstelle

Elektrischer Aufbau

Elektrischer Aufbau der Schnittstelle:

Schnittstelle

Die elektrische Seite der Schnittstelle zwischen Master und Slave ist sehr einfach. Es werden nur zwei Optokoppler verwendet, einer davon braucht einen Tri-State-Ausgang. Da die Datenrate nicht allzu üppig sein muss, dürfte auch ein Open-Collector-Bus genügen.

Protokoll

Die Datenkommunikation geschieht paketorientiert. Ein Paket besteht immer aus 8 Byte. Aufbau des Pakets:

Offset	0	1	2	3	4	5	6	7
Inhalt	Slave Addresse	Reserviert	Befehl low	Befehl high	Daten	Daten	Daten	Daten

Das Feld "Slave Addresse" muss immer mit der Addresse des Slaves gefüllt sein, der an der Übertragung beteiligt ist (er ist entweder Sender oder Empfänger). Für den Befehl sind folgende Werte vorgesehen:

Wert	Bedeutung	genauere Beschreibung (Link)
0x0000 - 0x00FF	Reserviert	Reservierte Befehle
0x0100 - 0x01FF	Information	Informative Befehle
0x1000 - 0xFFFF	Geraetspezifisch	Geräte Befehle

Reservierte Befehle

Bereich: 0x0000 bis 0x00FF (Befehl high = 0x00) Dieser Befehlsbereich wird reserviert und darf nicht genutzt werden.

Informative Befehle

Bereich: 0x0100 bis 0x01FF (Befehl high = 0x01) Informative Befehle vermitteln dem Master, welche Geraetespezifischen Befehle der Slave unterstuetzt.

Geraete Befehle

Bereich: 0x1000 - 0xFFFF Dieser Befehlsbereich wird vom System genutzt, um dem Slave mitzuteilen, welche Ausgangskonditionen anliegen sollen, und vom Slave zu erfahren, welche wirklich anliegen.

Regeleinheiten

Das Netzteil ist absichtlich modular aufgebaut. Dadurch kann sich der gewillte Nachbauer genau die Einheiten nachbauen, die er braucht. Die Modularität soll in erster Linie aber nicht dazu verwendet werden, aus dem Netzteil eine eierlegende Wollmilchsau zu machen. Sattdessen sollen dadurch sinnvolle Vereinfachungen getroffen werden.

Längsregler

Längsregler haben viele gute Eigenschaften. Am deutlichsten hervorzuheben ist die gerine Ausgangswelligkeit (z. B. gegenüber Schaltnetzteilen) und das schnelle Regelverhalten. Dem gegenüber stehen hohe Verlustleistugen. Das (chronologisch) erste Netzteilmodul ist ein Längsregler für Ausgangsspannungen bis 40V und Ausgangsströmen von 1A. Zugegebenermaßen ist das nicht viel, doch für den Anfang soll es reichen (immerhin schon 40W!)

Längsregler 40V 1A

Diese Laengsregeleinheit ist für eine Ausgangsleistung von 40W bei 40V ausgelegt. Berechnung der Eingangsglieder:

• Ausgangsspannung 40V, es werden also mindestens 45V Versorgung gebraucht
• Der Gleichrichter hat 1V Spannungsabfall.
• Der Trafo braucht also (45+1)/sqrt(2) = 33V
• Damit wird der Ausgangselko im Leerlauf auf 33*1.5=49.5V aufgeladen
• Der Ausgangskondensator darf auf minimal 45V bei 1.5A (aufgerundet, wir wollen auf der sicheren Seite sein) abfallen. Das entspricht einer Kapazität von 1.5mF. Auch nach 10 Jahren sollte das Netzteil noch arbeiten, also nehmen wir Kondensatoren 2mF, 63V, radial für Platinenmontage (2x RAD1.000/63)
• Die Ausgangsleistung (Gleichstrom) betraegt 33V*sqrt(2)*1.5A=70W, es wird ein Ringkerntransformator mit 80W, 2x18V gewählt (RKT8018). Dieser Liefert 2.22A
• Der Gleichrichter muss 1.5A gleichrichten, Sperrspannung 100V (B100C5000-3000) (ggf. etwas zu groß)

Damit hätten wir schonmal den ersten Teil (hier nur das, was nicht auf die Platine gelötet wird): Warum nicht?

Noch ein paar Anmerkungen zum Eingangsteil (vor dem Linearregler):

• es ist nicht geklärt, welche Gleichrichterschaltung zum Einsatz kommt, ich gehe mal von einer Brückengleichrichtung aus
• bei der Simulation mit LTSpice ist zu sehen, dass die Trafospannung nicht sicher reicht, sie liegt im Minimum bei knapp 40V
• der Diodenstrom (pro Diode, blau dargestellt) ist im Schnitt 1.5A, da ist es besser noch etwas Reserve zu haben
• für ordentliche Dimensionierung siehe Tietze/Schenk Halbleiterschaltungstechnik bzw. die dse-faq