nachdem in diesem Forum Anfang des Jahres wieder ältere Pläne und Varianten eines Labornetzteils diskutiert wurden, hatte ich selber auf Basis dieser Pläne ein Schaltungskonzept durchsimuliert und später als 'proof of concept' gebaut und letztlich gemessen.
Ziel das Konzepts war:
Alle Bauteile günstig von Reichelt & Co. beschaffbar.
Stabile Regelung für Strom und Spannung. (hier ca. 70-65° phase margin bei 0db)
Kein Spannungs-Overshoot bei Abschaltung aller Spannungen.
Output ON/OFF Schalter.
Das Ganze ist aus zeitlichen Gründen ein wenig liegen geblieben, dennoch möchte ich die Ergebnisse hier teilen, in der Hoffnung, dass es dem ein oder andern helfen mag.
Das Projekt finde ich gut - vielleicht könnten auch Langzeiterfahrungen hier einfließen und das Ganze noch verbessern: Je nach Last wirft das Schaltungsdesign einem manchmal einen Knüppel zwischen die Beine: In Deiner Schaltung wäre das z.B. die Diode D6, die keine negative Spannung am Ausgang zuläßt - beim (versehentlich) verpolten Anschluss an einen Akku zum Laden sehr fatal. Besser wäre die Diode im Ausgangszweig nach R4. Und zusätzlich eine Leistungs Z-Diode (z.B. ZD4,3) über R3 zum schnellen Begrenzen bei Kurzschluss. Bei meinem Eigenbau-Labornetzteil hat sich z.B. auch gezeigt, dass man durchaus 2 gleiche Netzteile öfter mal parallel schaltet um den verfügbaren Strom zu verdoppeln oder auch in Reihe für doppelte Spannung. Das sollte möglich sein (Spannungsfestigkeit der Kondensatoren, Isolation der AC-Quellen). Die Leistungsverluste bei einem analogen Netzteil können auch erheblich sein: bei dem aktuellen Design sind das bei Ua=5V ca. (28-5)V*3A=69W! Daher wäre eine AC-Umschaltung durchaus überlegenswert.
Meine Version ist schon etwas älter: Beitrag "Präzisions Labornetzteil 2x30V 3A, Eigenbau"
Jetzt habe ich mehrmals versucht, den Link richtig zu setzen - es geht tatsächlich nur ohne eckige Klammern.. Die Hilfe unter "Formatierung" ist irreführend.
Schön, daß es eine Überwachung der Hilfsspannung hat, damit es bei Ein- und Ausschalten keinen Spannungspeak liefert.
Interessant, daß deine Grundlast vor dem Strommesswiderstand liegt, aber man hätte keinen extra Strommesswiderstand nutzen müssen, man kann auch die Emitterwiderstände summieren und trotzdem die Grundlast davor ableiten mit mehreren Grundlastwiderständen.
Aber uralte TL07x müsste man nicht nutzen, mit single Supply OpAmps würde 1 Hilfsspannung reichen, mit ADA4522 könnte man auf die Hilfsspannung ganz verzichten.
Hallo Bastian, vielen Dank für Deinen interessanten Beitrag!
Magst Du bitte auch noch die LTSPICE-Simulationsdateien mit hochladen?
Den Teil Deiner Arbeit finde ich besonders interessant, dass Du eine Stabilitätsanalyse gemacht hast. Und ich vermute, die Kompensation hast Du dann auf die Weise ermittelt!?
vielen Dank für die technischen Verbesserungsvorschlänge, die ich gerne kommentieren möchte:
Hallo Uuu B., dein Schaltplant und Dokumentation zu den deinem Netzteil ist mir tatsächlich schon über den Weg gelaufen :)
Die Idee mit den Dioden kann man noch hinzufügen, nur sollte die Stromregelung in diesem Fall so schnell sein, dass sie Kurzschlüsse händeln kann.
Trafowicklungsumschaltung und auch Anzeigen für Strom und Spannung habe ich bewusst nicht in den Schaltplan übernommen. Hier gibt es genügen brauchbare Beispiele, dass jeder selbst die geeignetste Methode übernehmen kann.
Die Idee von Michael B. kenne ich von den ELV-Netzteilen, dort wird auch die Strommessung über die Emitter-Widerstände gemacht. Kann man also genauso gut machen, grade bei höheren Strömen und noch mehr Transistoren hätte das sicherlich Vorteile.
Ob man tätsächlich auf die negative Hilfsspannung bei diesem Design verzichten kann, bin ich mir nicht 100% sicher. Denn es ist letztlich das Abfallen der -12V, die zu dem Spannungs-Overshoot führen. Auch rutscht der Ausgang der OpAmps beim Ausgregeln unter 0V.
Ich habe hier bewusst diese alten Komponenten verwendet, da sie noch gut verfügbar sind und sich bewährt haben, grade der TL071 hat sich bei meinen Testaufbauten als besonders stabil hervorgetan.
Dieser Schaltplan ist letztlich nur ein Neben oder Abfallprodukt meines eigentlichen Netzteils (Fotos gibt es im Bilder-Board). Dort werden moderne Transistoren und OpAmps eingesetzt, gepaart mit digitaler Bedienung und Sollwertvorgabe. Da ist die Regelung dann nochmal deutlich flotter und besser.
@Gunnar: Die LT-Spice Datein werde ich später aufbereiten und hier zu Verfügung stellen.
Ich habe zudem den Schaltplan an zwei Stellen überarbeitet. D10 ist dazugekommen und verbessert die Transienten Repsonse weiter. D4 wurde verschoben, dadurch setzt die Stromregelung noch schneller ein.
Da mir die bisherige ON / OFF Funktion noch nicht gefallen hat, habe ich hier eine mögliche alternative aufgezeigt. Das bisherige Problem besteht darin, dass mit
abgeschalteten Längstransistoren die Ausgangsspannung über R19 ins Negative rutscht. D6 begrenzt die Spannung zwar, aber ca. -200mV bleiben am Ausgang stehen. Während das beim Ausschalten des Netzteils notwendig ist, sollten der Basisstrom der Transistoren bei der ON/OFF-Funktion nicht abgeschaltet werden.
Der zusätzliche P-MOS + Kondensator sollen den Schalter entprellen.
Trafowicklungsumschaltung und auch Anzeigen für Strom und Spannung habe
ich bewusst nicht in den Schaltplan übernommen.
In meinem alten Schatz (80er) hat der Trafo nur zwei identische Wicklungen. Da sitzt ein Schmitt-Trigger aus zwei Transistoren am Ausgang und steuert ein Relais, kommt nicht auf ein paar mV an. Am Ausgang, weil das auch bei Kurzschluß oder Strombegrenzung umschaltet, unabhängig von der eingestellten Sollspannung.
Ich habe hier bewusst diese alten Komponenten verwendet, da sie noch gut
verfügbar sind und sich bewährt haben, grade der TL071 hat sich bei
meinen Testaufbauten als besonders stabil hervorgetan.
Die FET-Eingänge der TL07-Familie machen keinen Ärger mit Offset-Strom, ich habe einige TL074 verbaut. Hier müsste es garnicht 07 sein, die TI als rauscharm beworben hat und täte auch TL08x. Meine TL074 sind aus Industrieauflösung, neu kaufen würde ich sie vermutlich nicht.
Ich habe zudem den Schaltplan an zwei Stellen überarbeitet.
Ein nettes Projekt mit schon eher nostalgischem Wert, was ich mit Freude verfolge. Ob das heutzutage noch jemand nachbauen wird? Wo bekommt man den passenden Netztrafo her, ohne einen Kredit aufnehmen zu müssen?
Moin Bastian, danke für die Dateien, die ich mir gerne mal ansehen möchte. Eine Frage noch dazu: Woher kommen die Modelle für die Leistungstransistoren?
Das war mir immer so eine Unbekannte in SPICE, dass ich zwar überall mal Modelle finde, aber nicht weiß, wie die zustande gekommen sind.
Lieber Bastian, nochmal danke! Da steckt für mich noch einiges Lernpotential drin. Die beiden Quellen u(prb) mit dem Step-Statement list -1 1.
Das heißt jetzt in Step 1 speist Du eine erregende Spannung ein und im nächsten Step einen Strom. Und dann die Kombination nach Middlebrook: Hut ab, Kollege!
Ich versuch, das noch weiter zu verstehen und mit eigenen Ansätzen zu vergleichen.
Lieber Bastian, nochmal danke! Da steckt für mich noch einiges
Lernpotential drin.
Da schließe ich mich doch gerne an! Bastian, Deinen letzten Schaltplan habe ich als Grundlage für eine Simulation mit dem ADA4522, wie von Michael vorgeschlagen, genutzt. Das würde tatsächlich klappen, die beiden 12V-Quellen fallen weg und mit der Begrenzung der Ausgangsspannung bis auf "fast Null" kann man leben. Hier das asc zum testen und dem ermittelten Lastsprung am Ausgang bei Ua=10V und Ia 0A-->3A-->0A. Es reizt aber auch, noch auf die 5V Spannung zu verzichten und den "perfekten" (anaolgen) Regler zu kreieren...
Die Stromregelung kommt doch noch hinein, keine Angst. Erst hätte ich gern eine Lösung für die Erzeugung der 5V aus der Eingangsspannung - das dann nur noch eine Eingangsspannung notwendig ist. Die Stromregelung auch mit dem ADA4522 sehe ich nicht als kritisch an, sollte funktionieren.
schön, dass du mit den Daten was anfangen konntest. Selbst wenn die 5V Hilfspannung noch bliebe, so hätte man durch das Wegfallen der -12V eine Wicklung vom Hilfstrafo frei für zB. digitale Anzeigen oder einen zweiten Kanal.
Sollte man auf den ADA4522 oder vergleichbare umstellen, würde ich auch die Transistoren ersetzen. MJE 15032 und MJL3281 bzw. MJL21196 wäre hier mein Vorschlag, auch wenn sie deutlich teuer sind als die alten 3055er.
Ich habe hier noch drei von den Testplatinen, fall jmd. von euch Interesse hat. Ich werde auch in naher Zukunft noch Platinen für andere Projekte bestellen, sollte bis dahin sich ein ordentliches Konzept ergeben haben, würde ich Platinen für ein Testaufbau mitbestellen.
Der "schwimmende" Bezug der 5V zu Bastians GND (bei mir Ua) ist das Problem. Entweder das doch radikal umstellen oder eine mehr oder weniger sinnvolle Lösung finden. Vielleicht hilft auch eine Verringerung auf 3,3V - dann ist die Differenz zu Ue nicht mehr so groß und es könnte auch ein "schwimmender" Regler konstruiert werden. Danach die Stromregelung rein und verschiedene Längstransistoren (inkl. Darlington) testen bzw. messen. Auch Deine Vorschläge Bastian. Zum Abschluss den maximal möglichen Ausgangsstrom ermitteln... Es reizt schon :-) Allerdings verabschiede ich mich erst mal in den Urlaub.. Vorschläge sind willkommen!
Die Versorgung ausreichend spannungsfester OpAmps kann direkt aus der
Linearnetzteilversorgung stammen,
Was in seinem Beispiel auch so passiert.
die 5V Referenz kann sich auf GND
beziehen.
Die 5V sind hier nicht nur Ref für die Regelung, sondern stellen auch den Basisstrom bereit. Daher liegt die Quelle 5V über der Ausgangsspannung. Eine Speisung aus der Versorgungsspannung wäre wohl prinzipiell möglich mit einer Konstantstromquelle, wenn Ue - Ua groß genug bleibt. Das müsste man mal simulieren.
EDIT:
Hier auf die schnelle: Ja, es kann funktionieren.
Bin wieder da.. Hier mein aktueller Vorschlag zur Struktur:
Konstantstromquelle mit preiswertem LM234 anstelle LT3088. Einstellung auf ca. 5mA.
Referenzspannung mit präzisem LM4040CIZ-5,0--> weitgehend Temperaturunabhängig, zugleich wird ein Mindeststrom über D3 gewährleistet. Die Regelung erfolgt per Poti. Ein späterer externer Soll-Eingang kann per potentialtrennenden Optokoppler erfolgen.
Längsregler mit Darlington MJH 11020G (200V/15A/150W). hfe könnte auch bei Minustemperaturen passen: 5mA*600=3A. Damit Verzicht auf BD139 möglich. In LTSpice ist derzeit nur ein langsamer TIP122.
Netzteilschutz mit Si-Diode D3 (Schutz vor verpoltem Anschluss an Akkus): im unteren Längszweig, erlaubt zugleich eine "negativere" Versorgungsspannung der beiden Regler und damit die Ausgangsspannung auf "nahe Null" zu regeln (praktischer Test notwendig).
Am Ausgang Reduzierung C von 47µ auf 10µ zur schnelleren Ausregelung bei Lastsprüngen (Stabilitätsüberprüfung notwendig)
Am Regler zusätzlicher Rückkopplungswiderstand zur Verringerung der Schwingneigung, dafür geringe bleibende Regelabweichung. R6 und C1 sind um D4 ergänzt.
Insgesamt ist die Simulation unter ltspice etwas problematisch: das Model vom ADA4622 soll nicht ganz korrekt sein und für den MJH11020G habe ich kein kostenloses Model gefunden. Auch der LM234 ist als Stromquelle stark vereinfacht. Die Schwingneigung an den Regelgrenzen lassen sich wohl erst in der Praxis ermitteln.
Das Model des TIP122 habe ich aus der Bibliothek "Sborka.lib" von bordodynov.ltwiki.org
Jo, Marcel, das verstehe ich auch nicht. Ltspice sagt, dass die Sprungantwort mit der Diode besser ist, als ohne. Ich erkläre mir das mit der geringen Ladung auf den 82p und den Restströmen der Diode in Sperrichtung. Aber vielleicht sollte man der Simulation auch nicht so sehr vertrauen. Die Idee war, die Regelung beim Sperren des Längstransistors etwas anders zu bewerten, als beim Öffnen, da die Ausregelung der Ausgangsspannung am längsten nach Lastabwurf dauert.
Nein, noch nicht. Ich suche erst noch ein besseres Model für den Längstransistor, die Reaktionszeiten sind noch viel zu langsam. Die Rückkopplungen kann man dann auch besser optimieren. Zwischendurch ist mir ein einfacher Schaltregler für 40V/3A über den Weg gelaufen - könnte man ev. auch als Vorregler für Ue einsetzen..
Hallo, hat jemand von den Experten ein Ltspice Model für einen MJH11020G???
Ich habe eine Frage zu den Werten im Schaltbild.
Verrätst Du mir bitte, wieso R7 mit einer Leistung von 7 Watt angegeben ist?
Ich gebe ja offen zu, das meine Lehre zum Radio- und Fernsehtechniker 45 Jahre her ist, aber nach meiner Rechnung müssten an dem Widerstand etwas mehr als 181 Volt anliegen, damit er diese Leistung verbrät. Die sehe ich hier nirgendwo.
Ich habe eine Frage zu den Werten im Schaltbild.
Verrätst Du mir bitte, wieso R7 mit einer Leistung von 7 Watt angegeben
ist?
Weil man solche kaufen kann.
Ich gebe ja offen zu, das meine Lehre zum Radio- und Fernsehtechniker 45
Jahre her ist, aber nach meiner Rechnung müssten an dem Widerstand etwas
mehr als 181 Volt anliegen, damit er diese Leistung verbrät. Die sehe
ich hier nirgendwo.
Bloß gut! Bei 181V wären das nämlich 150kW!
Bei 3A sind es dagegen 2W. Die höhere Nennleistung nur damit er nicht so heiß wird.
Danke Bastian! Das sieht doch schon viel besser aus :) Nun habe ich mehrere Varianten für den Rückkopplungszweig beim ADA4522 ausprobiert - auch Deine Anti-Windup&Clamping Dioden. Die Kurzfassung: eher alles weglassen, es wird nicht besser, im Gegenteil. Im praktischen Aufbau sollte aber Platz für 2 Bauteile gelassen werden, für alle Fälle. Weiter ist nun die interne Leitungskapazität bis zu den Anschlussbuchsen berücksichtigt - sie ist tatsächlich in der Simulation deutlich sichtbar. Mit dem Konzept bin jetzt fast zufrieden, nur die Schutzmaßnahmen gegen Überspannung/Kurzschlüssen usw. sind noch nicht vollständig, auch die Stromregelung fehlt noch. Anstelle von Bastians Schutzdioden schwebt mir vor, im unteren Bezugs-Zweig eine Schottky Diode einzubauen. Allerdings würden sich dann etliche Parameter verschlechtern.
Ergänzung:
Durch Deine Induktivität L1 bin ich mir nicht sicher ob Dein Model das richtig macht.
Ist in Deiner Lib die Diode im Darlington mit berücksitigt?
Fall nein, dann solltest Du eine händisch hinzufügen.
Die Induktivitäten wieder rausgenommen, das Ergebnis hatten wir ja schon. Es vereinfacht die Simulation.
Die zeitliche Auflösung ist jetzt besser.
Das Sternchen in Zeile 38 habe ich gelöscht, danke Bastian
zusätzliche Schotky-Dioden (D9, D10) als Schutz vor negativen Spannungen eingebaut
Si-Diodenkette (D4-D8) als "Sicherheitsnetz" zur schnellen Begrenzung des max. Stroms bei Kurzschluss auf ca. 6A, keine Angst, die Stromregelung kommt noch.
Zum Testen habe ich eine externe Spannung +/-60V angelegt. Soweit ich sehe, sollte kein Bauteil überlastet werden, von der zu "verbratenden" Leistung von 570W bei 6A am Längstransistor und einem erhöhten Strom an R17 und R18 mal abgesehen. Ist ja nur kurzzeitig bis die Stromregelung greift und dann der Nutzer den falsch gepolten Akku wieder abklemmt. Auch die Spannungsausregelung funktioniert noch ausreichend gut, richtig auf "Null" ist nun aber nicht mehr möglich. Dann müßte man noch eine Diode zu D3 in Reihe schalten. Zum Testen bitte entweder die Strom- oder Spannungsquelle am Ausgang anschließen.
Damit könnte das Ganze jetzt im Wesentlichen eigensicher sein. Bevor ich die Stromregelung und den Power up/down Schutz einbaue, habe ich etwas Wesentliches übersehen?
Damit könnte das Ganze jetzt im Wesentlichen eigensicher sein. Bevor ich
die Stromregelung und den Power up/down Schutz einbaue, habe ich etwas
Wesentliches übersehen?
Damit wäre der nächste Schritt zu schauen, ob die Regelung auch stabil über den gesamten Spannungs- und Lastbereich läuft. Bei deiner vorherigen Simulation konnte man schon sehen, dass mit Änderung des Ausgangskondensators auf 10µF das ganze unter Last schwingt. Neben der Kompensation ist der Kondensator ein kritisches Bauteil (auch ESR beachten).
Kleiner Hinweis: die Bode- Simulation kann gerne mal rumzicken und die Rechenzeit ins unendliche laufen. Während die Simulation der ursprünglichen Schaltung sehr gutmütig läuft, hatte ich mit den neuen Bauteilen erheblich mehr Probleme. Hier kann schon eine kleine Änderung von Bauteilwerten über Erfolg oder Fehler entscheiden.
Es gab bereits zwei sinnvolle Modelle:
Beitrag "Re: Nebenprojekt: Analoges Labornetzteil inkl. Schaltplan und
Messungen"
Beitrag "Re: Nebenprojekt: Analoges Labornetzteil inkl. Schaltplan und
Messungen"
Das Modell bei Onsemi ist typischer Modpex-Murks:
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/MJH11022.LIB
Und den Darlington als Einzeltransistor zu modellieren ist eben ganz
übler Murks.
Ja, die ganze Eigenschaft eines Darlington geht durch die statischen Eingaben verloren.
irgendwie einzupflegen. Es funktioniert nicht so richtig, die Simulation dauert auch ewig. Das Model habe ich in eine Datei BDW83C.lib geschrieben und dazu eine Symboldatei BDW83C.asy (ehemals ein anderer Darlington) kreiert, damit man das Bauteil auch importieren kann. Die Bezeichner B(1), C(2) und E(3) sind vielleicht das Problem, da der Bezug auf "Q_driver NPN" dort womöglich anders ist. Als Neuling bin ich hier aber raus :(
Kurzschlussschutz: wird der Strom und somit der Spannungsabfall am Shunt zu groß, werden sie leitend und der Transistor sperrt, da der Basisstrom über die Dioden abfließt. Wie gut das in der Praxis funktioniert und ob 5 nicht zu viele sind, lasse ich mal offen. Aber als einfacher Schutz, sollte man keine Stromregelung haben, wäre das schon eine Überlegung.
irgendwie einzupflegen. Es funktioniert nicht so richtig, die Simulation
dauert auch ewig. Das Model habe ich in eine Datei BDW83C.lib
geschrieben und dazu eine Symboldatei BDW83C.asy (ehemals ein anderer
Darlington) kreiert, damit man das Bauteil auch importieren kann. Die
Bezeichner B(1), C(2) und E(3) sind vielleicht das Problem, da der Bezug
auf "Q_driver NPN" dort womöglich anders ist. Als Neuling bin ich hier
aber raus :(
Vielleicht geht es auch einfacher?
Hier geht die Simulation. Du hast den Transistor schon richtig eingebaut. Was störrt sind die Dioden. D4..D8. Dadurch schwingt der Regeler und die Simulation dauert deutlich länger. Probiere das ganze ohne die Dioden.
Hat geklappt! Danke, die Modellierung ist wohl etwas schwierig für die Software. In der Praxis sind die Dioden in der Summe doch sicher nur eine schnelle pt1-Strecke, die würden den Regler sicher nicht zum Schwingen bringen, da nur wenig Sperrschichtkapazität, zudem in Reihe. Aber schön, dann kann ich ja weitermachen.
Naja, mit D4-D8 soll UBEmax am Längstransistor nicht überschritten und somit auch Imax begrenzt werden, das scheint auch zu funktionieren - max. 8A mit dem aktuellen Modell.
In der Praxis hat die Überschreitung schon Netzteile zerstört, die kommende Stromregelung kann ja niemals so schnell auf Kurzschlüsse reagieren.
dass mit Änderung des Ausgangskondensators auf 10µF das ganze unter Last
schwingt.
Den Ausgangskondensator habe ich deshalb reduziert, um die beginnende Schwingneigung besser zu sehen und ob er mit mehreren ungepolten Keramiktypen ersetzt werden könnte. Ziel ist doch ein robuster Ausgang.
Bastian, noch eine Frage: die RC-Kombinationen (in Deinen originalen Schaltplänen C2/R9/C3) waren zunächst vor der Diode D4, dann aber plötzlich nach D4, also jetzt zwischen Basis-Emitter am Längstransistor. Gab es dafür einen Grund? Denn jetzt würden sie auch auf die Spannungsregelung wirken!
Wie in dem Screenshot zu sehen ist, sorgt dieser kleine Trick dazu, dass die Umschaltung von Spannung zu Stromregelung noch schneller geschieht. Das ganze kostet mich max 1-2° gain margin, hat aber sonst keine weitere Auswirkung auf die Regelung.
Ohne dir nahe treten zu wollen, wäre es nicht Sinnvoller, wenn du die Entwicklungen deines Netzteils hier ausklingst und im Analogboard fortsetzt? Inzwischen ist das Ganze von einer Modifikation des bestehenden Projektes zu einer kompletten Neuentwicklung geworden, deren Funktionalität nicht mehr gewährleistet ist.
Du hast recht, es ist ja eine Neuentwicklung. Ich klinke mich daher hier aus und melde mich mit einem neuen Thread, wenn das Projekt fertig ist. Danke für Eure Unterstützung!
Netzteil_TL071.jpg
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Schematic_Netzteil-TL071-v.2_2026-08-28.png
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