Linearnetzteil 0-30V 0-3A mit Strombegrenzung

Nach langer Zeit ohne Labornetzteil, sollte nun ein vernünftiges Netzteil her, sodass das Gefrickel mit Stepdown Wandler aufhört.

Die Bauteile

- Labornetzteil Platine 0-30V 0-3A CC/CV

- Kühlkörper + Lüfter

- Transformator

- Volt- und Amperemeter (Display)

- Schraubklemmen für den Ausgang

- Schalter + Netzkabel

- Step Down Wandler für den Lüfter + Display

Die Platine

Das Herzstück des Netzteils ist die rote Platine, die durch Operationsverstärker- und Transistorschaltungen einige Funktionen bietet. Es besteht die Möglichkeit die Ausgangsspannung einzustellen und den Ausgangsstrom zu begrenzen. Bei aktiver Strombegrenzung, leuchtet eine Led, die auf den Bildern noch lose herumliegt.

Die Spannung kann von 0-30 V eingestellt werden, bei der Verwendung eines 24 V AC Transformator. Die Strombegrenzung kann von 0-3 A eingestellt werden. Das heißt zugleich, dass im Kurzschlussfall 33 V*3 A= 99 W vom Transistor in Wärme umgewandelt werden müssen.

Die Kühlung

Der Transistor ist ein 2SD1047 und befindet sich in einem TO-3P Gehäuse, welches einen Wärmeübergangswiderstand von 1,25 K/W hat. Die maximale Junktiontemperatur beträgt 150°C .Das bedeutet, dass der Kühlkörper im Kurzschlussfall maximal 150°C-99W*1,25 K/W =26,25°C warm werden darf. Dies würde bei einem idealen Kühlkörper bedeuten, dass die Außentemperatur nicht wärmer als 26,25°C sein darf, wenn 99W im Transistor verheizt werden müssen.

Halten wir fest, dass der Transistor im Kurzschlussfall bei einer Außentemperatur von über 26,25°C sich auf jeden Fall auf Dauer verabschiedet, da er sich außerhalb seiner maximalen Betriebstemperatur befindet.

Im normalen Betrieb wird das Netzteil sicherlich nicht im Kurzschlussfall betrieben, sondern zB. bei 12V und 1A. Dies bedeutet das nur

(33 V-12 V)*1 A = 21 W verheizt werden müssen. 

Man erkennt, dass hier einiges an Leistung in Wärme umgewandelt wird. Man kann sagen: Desto niedriger die Ausgangsspannung und desto höher der Strom desto mehr Leistung wird in Wärme im Transistor umgewandelt.

In diesem Fall habe ich einen alten CPU Kühlkörper verwendet und einen neuen 60 mm Lüfter montiert. Er sollte in der Lage sein, den Transistor Kühl zu halten.

Da das Kühlungsproblem nicht am Kühlkörper liegt, sondern die Wärme nicht aus dem Transistorgehäuse kann, muss der Transistor ausgetauscht oder ein weiterer Parallel geschaltet werden, um im Kurzschlussfall auch auf der sicheren Seite zu sein.

Achtung! Beim Parallelschalten vom Transistoren muss das Temperaturverhalten und die Serienstreuung berücksichtigt werden.

Der Transformator

Es wird empfohlen einen 24V AC Transformator zu verwenden. Dieser Liefert eine Gleichgerichtete Spannung von ~33 V. In diesem Fall habe ich einen Trafo mit 21,7V und 10 A genommen. Er ist ein wenig überdimensioniert, aber er lag hier noch herum. Dieser liefert gleichgerichtet eine Spannung von ~30V. Diese 30 V sind aber nicht die maximale Ausgangsspannung, da am Transistor und am 0,47 Ohm Widerstand eine gewisse Spannung abfällt. Die Spannung die am Transistor abfällt ist <0,5V und die am Widerstand 0,47 Ohm*3A=1,41 V. Das bedeutet, dass bei 3A die maximale Ausgangsspannung 30 V-0,5 V-1,41 V = 28,09 V beträgt. Bei einem 24V AC Trafo wären es nicht 33V -0,5V -1,41V=31,09 V, da die Operationsverstärkerschaltung nur bis maximal 30V regelt. Somit liegen bei 24V AC die vollen 30V bei 3A am Ausgang an.

Mit dieser Einschränkung kann ich leben, jedoch sollte man sich immer klar machen, wozu die Änderungen führen.

Versorgung des Lüfters

In diesem Fall habe ich noch einen 12V Lüfter herumliegen gehabt. Da bei der Platine Standartmäßig ein 24V Festpannungsregler für den Lüfter vorgesehen ist, musste dieser ersetzt werden. Diesen habe ich durch ein Step Down Wandler ersetzt. Der Vorteil hieran ist, dass man die Spannung Stufenlos einstellen kann und somit auch die Lüfterdrehzahl. Zudem ist der Wirkungsgrad des Step Down Wandlers deutlich besser als der eines Linearreglers in dieser Schaltung.

Versorgung des Display

Die maximale Spannungsversorgung des Displays ist 30 V, das bedeutet, dass bei einem 24 V AC Netzteil die Gleichgerichtete Spannung leicht über der Maximalgrenze ist. Um das Display zu betreiben muss entweder genau geschaut werden, welcher Chip auf der Displayplatine verbaut ist oder man benutzt die Spannung vom Step Down Wandler der auch den Lüfter versorgt.

Gehäuse

Als Gehäuse dient ein Staufach der Ikea Mini Komode "Moppe", wo vermutlich im laufe der Zeit noch weitere Gerätschaften einziehen werden.

Schlusswort

Dies wird wahrscheinlich nicht die endgültige Version sein. Es muss auf jeden Fall noch ein Lüftergitter vor den Lüfter, sodass keine Verletzungsgefahr mehr besteht. 

Im Grunde bin ich mit dem Netzteil sehr zufrieden, jedoch werde ich im Laufe der Zeit die Schaltung vermutlich ein wenig Modifizieren, sodass das Temperaturproblem geschichte ist.