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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Beurteilung: Spannungs-/Stromregelung aka Labornetzteil


Autor: Dan M. (killler07)
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Guten Morgen,

da bei mir nun endgültig ein "Labornetzteil" nötig geworden ist, habe 
ich kurzerhand beschlossen eines zu entwerfen und zu bauen. Die Teile 
liegen bereits alle rum.

Dazu habe ich die Schaltung im Anhang entworfen.
Die beiden Regelspannnungen von 0-5V werden später von einem separaten 
Modul mit einem AVR erzeugt. Jetzt benutze ich Potis an einem 7805.


Diese habe ich sogleich auch auf einem Steckbrett aufgebaut und sie 
funktioniert auf den ersten Blick sehr gut, die Spannung lässt sich von 
0-23V regeln, die Strombegrenzung von ca. 100mA bis 5A.
Unter 100mA wird die Strombegrenzung ein wenig instabil, d.h. wenn ein 
Lämpchen 80mA zieht und man spontan einen Kurzschluss erzeugt, steigt 
der Strom auch mal auf 110mA an und oszilliert leicht.
Wenn man die Last aber nicht allzu stark verändert, z.B. anderes 
Lämpchen/Widerstand, dann bleibt der Strom auf dem eingestellten Wert, 
und das bis auf 5mA runter.

Nun zu Frage 1:
Da ich noch nie wirklich mit einem "billigen" Labornetzteil gearbeitet 
habe, weiss ich nicht ob diese Abweichungen im mA-Bereich normal sind. 
Schliesslich sind das am Shunt ja nur noch wenige mV?

Und zu Frage 2:
Da ich kein Profi bin, könnte ich durchaus was Wichtiges übersehen 
haben. Ich wäre froh, wenn man mich über allfällige Mängel im Schaltplan 
aufklären könnte. :)

Vielen Dank an alle, die sich ihre Zeit für mich nehmen.

Killler07

Autor: Anja (Gast)
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Dan M. schrieb:
> Ich wäre froh, wenn man mich über allfällige Mängel im Schaltplan
> aufklären könnte.

Die Ist-Spannung (R1+R2) würde ich direkt über der Last messen und nicht 
vor dem Shunt.
> die Strombegrenzung von ca. 100mA bis 5A
Ein einzelner 2N3055 hält im Kurzschlußfall keine 5A bei 30V UCE aus.
Ein gesunder Ansatz geht von 1 - 1,5A je Transistor aus.

Dan M. schrieb:
> weiss ich nicht ob diese Abweichungen im mA-Bereich normal sind.

Ich würde mal einen LT1013 als OP verwenden. Der hat weniger Offset und 
(was weitaus wichtiger ist) mehr Verstärkung.

Die wirklich schlimmen Fehler wirst Du erst feststellen wenn die 
Leiterplatte fertig bestückt ist. Ich würde mal schauen was beim Ein- 
und Ausschalten (oder Dauer-Reset des Prozessors) mit der 
Ausgangsspannung passiert. Viele Billignetzteile lassen da schon mal die 
vollen 30 V bei 5V eingestelltem Sollwert durch.
Außerdem sind Lastwechsel kritisch. Die 10nF Kondensatoren würde ich so 
verkleinern daß bei kapazitiver Last am Ausgang gerade noch keine 
Schwingneigung auftritt.

Gruß Anja

Autor: Dan M. (killler07)
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Anja schrieb:
> Die Ist-Spannung (R1+R2) würde ich direkt über der Last messen und nicht
> vor dem Shunt.

Oh, ja, danke leuchtet ein. Ändere ich gleich.

Anja schrieb:
> Ich würde mal einen LT1013 als OP verwenden. Der hat weniger Offset und
> (was weitaus wichtiger ist) mehr Verstärkung.

Ich glaube ich lasse den LM324 erstmal so sein. Erstens weil ich in der 
Schweiz wieder einen riesigen Aufwand treiben muss, um einen LT1013 zu 
beschaffen. Zweitens weil mir diese Toleranz eigentlich ausreicht. Die 
wird bei den China-Netzteilen wohl kaum kleiner sein. Und auf dem 
Steckbrett ist das ganze ja sowieso noch eher wackelig.

Anja schrieb:
> Ich würde mal schauen was beim Ein-
> und Ausschalten (oder Dauer-Reset des Prozessors) mit der
> Ausgangsspannung passiert. Viele Billignetzteile lassen da schon mal die
> vollen 30 V bei 5V eingestelltem Sollwert durch.

Ich verstehe ehrlich gesagt nicht ganz, was du meinst. Das 
Spannungsspitzen beim ein/ausstecken entstehen können? Controller ist ja 
noch gar keiner drann, nur Potis.

Die maximale Spannung ist übrigens 24V nicht 30V ;)

Grüssse, Dan

EDIT: Die Sache mit dem Strom habe ich vergessen:
Ich weiss dass ich dem Transistor keine 5A aushält. Da ich aber den 
fetten Kühlkörper nur mit einem Transistor bestücken kann und keinen 
Platz am Gehäuse für weitere habe, werde ich mich mit dem Maximalstrom 
mässigen und elektronisch auf 2A begrenzen.Sobald ich ein besseres 
Gehäuse habe, ist es ja keine Sache.

Autor: Franz B. (byte)
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Hast du ein Oszi? Zum beurteilen der Regelung kannst ja mal die 
"Sprungantwort" angucken. Bzw. die Regelschwingungen. Lastwiderstand, 
Mosfet, Funktionsgenerator. Wenn du das Netzeil dann entsprechen Pulsend 
belastet sieht man schön die Regelung bzw. die Überschwinger. Sollten 
nicht zu groß werden. Auch verschiedene Spannungen und Ströme testen. 
Instabilitäten treten oft in extremen Bereichen auf. Zb. extrem kleine 
Spannung (0,5V bei 1A) etc. Da haperts oft bei den Eigenbauschaltungen.

Wollte schon mal einen Low-Cost Netzteiltester bauen damit man 
Billignetzeile und Eigenbauten besser beurteilen kann. (AVR+USB) Bisher 
hatte ich aber leider noch keine Zeit dafür. :(

Autor: MaWin (Gast)
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> die Spannung lässt sich von 0-23V regeln,

Ne, nicht bei 24V rein.

Es kommen unter Belastung weniger als 20V raus.

Da man bei dem SCh§$&%ss Schaltplan ja den Wert von R3 nicht lesen kann, 
nur weiss, daß er weniger als 20mA durchlässt, kann der Spannungsverlust 
sogar noch grösser sein.

Abgesehen von den schon genannten Korrekturen bzw. Anmerkung beim 
Einschalten/Ausschalten der Versorgungsspannung ist halt die Frage, ob 
die Schaltung Strom und Spannung stabil regelt. Das wirst du 
ausprobieren müssen, im späteren Aufbau.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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@ Dan M. (killler07)
> die Spannung lässt sich von 0-23V regeln,
Das Datenblatt sagt:
Output Voltage Swing V+=30V  RL=2kΩ   26V
Wenn ich das jetzt umbiege, dann fallen da also ca. 4V ab. Bei einer 
Versorgung mit 24V kommen am OPamp schon nur knapp 20V raus. Und dann 
kommen noch 2 BE-Strecken...

Der Witz ist: das bekommt die Simulation nicht abgebildet...
In der Simulation kannst du den OPamp auch mit 1000V betreiben und der 
raucht nicht ab. Grenzbereiche werden einfach nicht korrekt simuliert.

> ob die Schaltung Strom und Spannung stabil regelt.
Das würde ich insbesondere bei dem seltsamen I-Regler U3 in Frage 
stellen...

Zudem ist es extrem ungünstig, die Spannung vor dem Strommessshunt 
zu regeln. Jedes Ampere, das hier fließt reduziert die Ausgangsspannung 
(obwohl sie wie ein Brett geregelt ist) um 0,1V...  :-o

Aber du hast Glück, denn du bist nicht der Erste, der so ein Gerät baut. 
Warum schaust du dir nicht einfach mal an, wie Andere das gemacht haben? 
Bei conrad gibt es sogar Schaltpläne für käufliche Netzteile...

Autor: Dan M. (killler07)
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MaWin schrieb:
> Da man bei dem SCh§$&%ss Schaltplan ja den Wert von R3 nicht lesen kann,
> nur weiss

Tud mir leid, dass man den Kopf bisschen näher an den Bildschirm halten 
muss. Der Widerstand ist 9,5k. ;)

Ihr habt recht, das mit dem 0-23V ist falsch. Ohne Last erhalte ich die 
Maximalspannung von 20,5V.

Lothar Miller schrieb:
> Zudem ist es extrem ungünstig, die Spannung vor dem Strommessshunt
> zu regeln. Jedes Ampere, das hier fließt reduziert die Ausgangsspannung
> (obwohl sie wie ein Brett geregelt ist) um 0,1V...  :-o

Also ist es doch gut, wie ich es am Anfang hatte?

Andere Schaltpläne habe ich mir natürlich schon angesehen und werde es 
auch weiterhin tun.
Ich habe leider kein Oszi um genauere Messungen zu machen, die Regelung 
scheint mir jedoch einigermassen stabil. Habe schon viele Verbraucher 
getestet, ohmsche wie induktive Lasten.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Also ist es doch gut, wie ich es am Anfang hatte?
Wenn du mit Anfang das Bild ganz oben meinst: Nein.
Denn gerade dort wird die Spannung ja mit R1 und R2 vor dem shunt 
gemessen.

> die Regelung scheint mir jedoch einigermassen stabil.
Auch die Stromregelung?

Autor: Dan M. (killler07)
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Soweit ich das beurteilen kann, ist auch die Stromregelung einigermassen 
stabil.

Ich habe diese Tests mit angeschlossenem Multimeter durchgeführt und der 
Strom hat nie den eingestellten Wert überschritten.

z.B.: -Lämpchen  mit festem Strom laufen lassen (ca. 100mA) und mit 
Draht überbrücken
-Motor Parallel zu obigem Lämpchen schalten
-1Ohm Widerstand mit 1A belasten und mit Draht kurzschliessen
-Versorgungsspannung ein/ausschalten

Vielleicht gibt es ja noch ein paar Vorschläge für Tests ohne Oszi..

Autor: Franz B. (byte)
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Dan M. schrieb:
> Vielleicht gibt es ja noch ein paar Vorschläge für Tests ohne Oszi..

Ich behaupte mal ganz Frech ohne Oszi macht Netzteilbau keinen Sinn. Du 
weist nie genau was da passiert. Du bekommst das evtl garnicht mit wenn 
da was schwingt. Notfalls kann man AC im mV Bereich messen. Aber die 
evtl. auftretenden Schwingungen/Frequenzen sind meinst viel höher als 
der zulässige Messbereich des Multimetern. Also wider recht wage.

Ich kann dir nur abraten von un/halbwegsgetesten Eigenbaunetzteilen. 
Sowas killt dir (im meist ablsolut ungünstigstem Zeitpunk) deine 
Schaltung. Der Gag an einem Labornetzeil ist ja gerade die Stabilität, 
Zuverlässigkeit und Genauigkeit. Das man sich halt im WorstCase auf die 
I-Regelung/Begrenzung verlassen kann.

Nicht persönlich nehmen. Aber da du scheinbar nicht soviel Erfahnung in 
der klassischen Schaltungsentwicklung hast, solltest du evtl. auf 
getestete Standartschaltungen zurückgreifen. Zb. mit dem 723.. auch wenn 
steinalt.. für sowas immer noch gut zu gebrauchen. Ohne die 
entsprechende Erfahrung wirds halt schwierig sowas stabil zu bekommen.

Hier mal ein paar Interessante Stichworte zum Googlen
=> Conrad und ELV haben Schaltpläne für Netzteile online
=> Im Elektronik-Kompendium (ELKO) gibts auch ein paar sehr ausführliche 
Beschreibungen zu Labornetzteilen und den ganzen Komponenten 
(Stromregelung, etc)
=> Datenblätter/Appnotes zu LM723, LM317, etc

Ich hab auch die 30x Schaltungen bei mir rumliegen. Da sind auch ein 
haufen Labornetzteile drin.

Autor: MaWin (Gast)
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>  Conrad und ELV haben Schaltpläne für Netzteile online

Bedauerlicherweise dreht sich einen bei den ganzen
Chinanetzteilschaltplänenen der Magen um.

> Ich kann dir nur abraten von un/halbwegsgetesten Eigenbaunetzteilen.
> Sowas killt dir (im meist ablsolut ungünstigstem Zeitpunk) deine
> Schaltung.

Papperlapapp.

Das passiert erst recht bei den gekauften Netzteilen,
die liefern zwar 30V 5A, aber nicht 5V/5A :-)

Wenn du ein mal ein kommerzielles Netzteil auf gemacht hast
(lassen wir mal Agilent aussen vor)
dann wüsstest du, daß dort die Bauteile extrem, ähm, na sagen
wir strapaziert werden.

Genau so schlimm (wenn nicht schlimmer9 sieht es bei
Bauvorschlägen aus Zeitschrften aus (die dann im Internet
auf irgendwelchen Homepages auftauchen), wo auch ein
150VA Trafo für 30V/5A reichen soll.

Nein, was ordentliches selbst aufzubauen ist schon sinnvoll,
vielleicht lernt er dabei auch, und der Schaltplan, den er sich
gezeichnet hat, ist im Prinzip schon sinnvoll (2 OpAmps hätten
gereicht), aber die Schaltung hat das Problem leicht instabil
zu werden, wenn sich Spannungs- und Stromregler gegenseitig
beeinflussen. Na da kann er dann ja basteln, und wenn sein
Netzteil alle Dauerbelastungstests bei 90% Netzspannung besteht,
mit induktiven und kapazitiven komplexen Lasten,
dann kann er es ja veröffentlichen.

Ein ähnliches Netzteil wie er es gezeichnet hat (mit
Differenzverstärker), allerdings mit MOSFETs, hatte mal die
Elektor. Das war auch dafür bekannt, einfach mal kaputt zu
gehen und keiner wusste warum. Nun, es war dann kurz mal
instabil bei der Last. Vielleicht gelingt es ihm
besser. Letztlich liegt so was an winzigen Details, wie
der Auswahl der Transistoren oder OpAmps.

Autor: Franz B. (byte)
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>>  Conrad und ELV haben Schaltpläne für Netzteile online
> Bedauerlicherweise dreht sich einen bei den ganzen
> Chinanetzteilschaltplänenen der Magen um.

Also ich weis nicht was du hast. Das man von sowas nicht viel erwarten 
bei dem Preis is doch klar. Die meisten Pläne von Conrad die ich kenn 
arbeiten eh nach dem gleichen Schema. Das Problem liegt i.d. Regel in 
den Details und bei den Bauteilen. Das Zeug wurde halt so 
zussammengekürzt das man das möglichst billig herstellen kann. Einen 
Blick sind auf alle Fälle die ELV-Schaltpläne wert. Ein einigermaßen 
brauchbarer Kompromiss zwischen Kosten und Leistung.

>> Ich kann dir nur abraten von un/halbwegsgetesten Eigenbaunetzteilen.
>> Sowas killt dir (im meist ablsolut ungünstigstem Zeitpunk) deine
>> Schaltung.
> Papperlapapp.
> Das passiert erst recht bei den gekauften Netzteilen,
> die liefern zwar 30V 5A, aber nicht 5V/5A :-)

Also MaWin.. nix für ungut. Du bist in der Regel der erste der die 
Eigenbauschaltungen kritisierst und rummaulst was das für ein Sch*** 
ist. Ich predige übrigends immer schon das man mit ein paar Teilen aus 
der Bastelkiste oder dem E-Schrott ohne Probleme ein sehr gutes 
Mittelklasse NT zusammennageln kann.

> Wenn du ein mal ein kommerzielles Netzteil auf gemacht hast
> (lassen wir mal Agilent aussen vor)
> dann wüsstest du, daß dort die Bauteile extrem, ähm, na sagen
> wir strapaziert werden.

Also erstens lernt man sowas in der Elektronikergrundschule, sollte 
somit jedem hier klar sein. Und zweitens gibts auch sowas wie 
Spezifikationen. Es kann durchaus Sinnvoll sein wenn ein billiges NT bei 
Vollast bzw. 1V 5A nur eine ED von 10% hat. Das heist aber prinzipiell 
NICHT das das NT von schlechter Qualtität sein MUSS. Es ist für den 
jeweilgen Zweck evtl. völlig ausreichend. Du redest von den <80 Euro 
Knochen. Da sind nicht alle schlecht, aber man muss schon aufpassen. 
Wobei man da schlichtweg eine Garantie hat und notfalls das Teil 
zurückgeben kann. Im Bereich 100-200 Euro gibts teilweise schon recht 
ordendliche Supplys. Ab 2k gibts dann was vernünftiges.

> Genau so schlimm (wenn nicht schlimmer9 sieht es bei
> Bauvorschlägen aus Zeitschrften aus (die dann im Internet
> auf irgendwelchen Homepages auftauchen), wo auch ein
> 150VA Trafo für 30V/5A reichen soll.

Da geb ich dir recht. Es ist nicht alles schlecht... da sind schon ein 
paar ordendliche Dinger dabei. Aber es gibt viel Schrott der als "ganz 
toll" angepriesen wird. Das war ja der Grund warum ich so einen 
NT-Tester bauen wollte.

> Nein, was ordentliches selbst aufzubauen ist schon sinnvoll,
> vielleicht lernt er dabei auch, und der Schaltplan, den er sich
> gezeichnet hat, ist im Prinzip schon sinnvoll (2 OpAmps hätten

Schon klar. Ich animiere ja die Leute immer sowas zu Lernzwecken selber 
zu machen. Aber dafür braucht man halt auch Fachwissen, Equipment und 
(ganz wichtig) die richtige vorgehensweise. Wenn ich das Ziel klar 
definiere und mich systemmatisch an das Thema heranarbeite ist das kein 
Problem. Fehlendens Fachwissen kann man auffüllen... etc. Aber wenn man 
meint mit wenig Erfahrung in der Schaltungstechnik aus dem Stand OHNE 
Oszi eine Schaltung entwickeln zu können, stimmt das Gesamtkonzept halt 
nicht. Wenn er ohne Oszi weiterarbeiten will ist es evtl. sinnvoll sich 
dann geprüfte Pläne reinzuziehen. Ob die was taugen kann er ja hier 
nachfragen.

> Netzteil alle Dauerbelastungstests bei 90% Netzspannung besteht,

Da liegt das Problem. Ohne vernünftige Messgeräte kann man das halt 
nicht.

> Vielleicht gelingt es ihm besser.

Jap. Wie gesagt... wenn man die richtige Vorgehensweise hat, geht das 
auch mit wenig Ahnung. Das KnowHow muss man sich halt aufbauen. Da hilft 
das Forum sehr viel weiter.

> Letztlich liegt so was an winzigen Details, wie
> der Auswahl der Transistoren oder OpAmps.

Als ich für meinen Teil hab festgestellt das die größten Abweichungen 
bei Schaltungsfehlern bzw. ungüstigen Bauteilkombinationen entstehen. 
Ein fehlender Filter, ein C an der falschen stelle... und der ganze Mist 
is instabil. Ich hatte schon NT/Pläne in der Hand die funktionieren mit 
dem Grandfather 741 ganz hervorragend. Aber auch Kandidaten mit 
neuester/edelster Mos-Technik ausgerüstet waren (superschnelle OPVs, 
MonsterMOSes in der Endstufe) welche so "nervös" waren das man sie nicht 
mal angucken durfte. Mit guten Bauteilen kann man spitzen Geräte bauen. 
Ist der Plan sch*** helfen die aber auch nix mehr.

Autor: Dan M. (killler07)
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Na dann werde ich mir doch mal ein gebrauchtes Oszi besorgen...hab ich 
mir eh schon seit 2 Jahren immer wieder vorgenommen ;)

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Dan M. schrieb:
> Na dann werde ich mir doch mal ein gebrauchtes Oszi besorgen...hab ich
> mir eh schon seit 2 Jahren immer wieder vorgenommen ;)

Damit helfe ich Dir gern aus .-)

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