Ungetaktete Stromversorgungen

Entwurf in Eagle 7 unter Verwendung der (neuen) Schaltplan-Hierarchie. Einbau in Plastgehäuse, Schutzklasse 2

„Halber“ Schaltplan
Gesamtschaltplan
Bestückungsseite
Leiterseite

Leider kein Foto.

Entwurf in Eagle 4. Zwei getrennte Trafos, weil sie herumlagen: Recycling sozusagen. Lochrasterplatine mit Kupferstreifen. Einbau in Euro-Gehäuse mit neuen Seitenblechen, Schutzklasse 1. Stromzuführung mit Schraubklemmstecker.

Aufgebaut für Nikolaus Trnka, 2 Exemplare.

Platine auf Kühlkörper
Montage des LT1086
Platine eingebaut
Schrägansicht rechts
Schrägansicht links

CAD-Dateien (SolidEdge Academic V17)

Doppel-Labornetzgerät mit (auf dem ersten Blick) guten technischen Daten:

• 2× 30 V 5 A (U und I einstellbar), 1× 5 V 3 A (fest)
• Getrennte Spannungs- und Stromanzeigen 3-stellig
• Primärschalter vorn, Ein/Ausschaltknopf, interne Relais für Reihen- und Parallelschaltung

Die Macken stellen sich erst mit der Zeit heraus:

• Keine Anzeige der Spannungs- und Strom(begrenzungs)werte im ausgeschalteten Zustand; um Einstellungen vornehmen zu können muss die Last abgetrennt werden
• Schaltungstöter-Elkos an den Ausgängen
• Keine Feinjustage von Spannung und Strom, keine Strombereiche
• Keine Strombegrenzung bei Reihenschaltung für den Slave
• Gleichmäßig verteilte Stromabgabe der beiden Teilnetzteile bei Parallelschaltung nur am Ausgang „Master“
• Kontaktschwierigkeiten an den Reihen- und Parallelschalterknöpfen führen zu schwerwiegendem Fehlverhalten:
  • Keine Funktion der Reihenschaltung (war anderes Problem)
  • Keine Funktion der Parallelschaltung (richtig hartnäckig)
  • „Durchschuss“ der Spannungsregelung: Maximale Spannungsabgabe = Schaltungstöter

Um den Schiebeschalter als einzigen Fehlerkandidaten für alle Fehlfunktionen einzukreisen habe ich rundherum den Schaltplan abgezeichnet.

Auf der Slave-Platine
Auf der Front-Platine

Reparatur: Kontaktreiniger in die Schalterleiste einsprühen. Zusätzlich wurde ein verdreht eingesetzter Crimpkontakt an J304 festgestellt. Dieser sorgte dafür, dass bei Reihenschaltung am Slave keine Spannung rauskam. Sollte einer der Fehler später noch einmal auftauchen, am besten die Schalter totlegen und durch Brücken ersetzen: Notfalls kann man eine Reihen- und Parallelschaltung mit Laborkabeln verdrahten. Das ging früher ja auch.

Reparatur II: Nachdem 2020 das Netzteil statt 24 V 60 V ausgespuckt und die angeschlossene Schaltung gegrillt hatte, wurden die beiden Schalter ersatzlos durch Brücken ersetzt. Da ließe sich sicherlich noch viel mehr ausbauen, um Übersicht zu bekommen …

Zum Prüfen von A/D-Wandlern und Verstärkern, ein simples Gerät mit Batteriebetrieb. Lag schon (ohne Festspannungsregler) herum, aber der Gehäusebau — igitt! Eine innere Umpolung ermöglicht die Ausgabe negativer Spannungen ohne mit Adaptern herumfummeln zu müssen. Das Einstellpotenziometer ist in 0,5-V-Schritten handkalibriert. Der Einschalter mit LED verringert (hoffentlich!) die Vergesslichkeit beim Ausschalten.

Foto
Schaltplan

Der Schaltplan ist trivial, der LT3010 lag gerade herum und „muss weg“. Gut dass dieser Schaltkreis Falschpolung am Eingang verträgt. Das Gehäuse ist GEH KS 42.

Einschaltdauer-Begrenzer⚓

TODO: Eine Ausschaltung per Timeout hilft Batterien zu sparen. Der LT3010 hat dazu einen Shutdown-Eingang. Außerdem eine Unterspannungsanzeige durch eine blinkende LED.

Gefunden im geschlachteten Versuchsstand mit Peltierkühlschrank. Stino mit 7815 und 7915. Überarbeitet: Sicherung zu T 150 mA dimensioniert (die vorherige 3,15-A-Sicherung macht aus dem Gerät eine Brandbombe), auf Platine umgebaut, Platine ausgerichtet, Kühlkörper gerade befestigt, Beschriftungen erstellt.

Gesamtansicht
geöffnet
Detail am Kühlkörper

Auf Wunsch vierfacher Aufbau aus Altbeständen. 2× in Plast­gehäuse, 2× in Alu­gehäuse, penibel schutz­isoliert. Stino mit LM317 und innerem Einstell­regler. Zwei unabhängige Netz­teile ohne gemein­sames Bezugs­potenzial. Diverse Trafos für 18 V~ Sekundär­spannung lagen bereits herum. Ohne Betriebs- oder Störungs­anzeige, ohne Netz­schalter. Die doppelte Isolierung = Schutz­isolation wurde mittels Plast­gehäuse und Plast­schrauben und/oder einer eingelegten Papp­lage sicher­gestellt. Eine beschädigte Isolation führt so nicht zu lebens­gefährlicher Berühr­spannung, es müssen schon zwei sein.

Alle zusammen
Im Plastgehäuse (1)
Im Alugehäuse (3)
Detail LM371-Kühlung (3)
Verdrahtung mit Kupfer­lack­draht (4)
Bestückung (4)
Verschränkte RJ45-Buchsen­anschlüsse
Bleistift-Beschriftungen

Die Besonderheit hierbei ist die Heraus­führung auf BNC (zur Kontrolle) und RJ45 (paarweise verdrillte Leitung für minimale Stör­ein­kopplung hin zur Versuchs­schaltung). Eine RJ45-Buchse auf eine Loch­raster­platte zu setzen ist bei richtiger Verschränkung der Anschlüsse gar nicht so schwer. Siehe siebtes Foto: So verschränkt (und nicht anderherum, was auf dem ersten Blick logischer wäre) ergibt sich eine Mittel­linie mit Löchern, und die Gehäuse­nasen liegen ebenfalls im 2,54-mm-Loch­raster.

Defekt 230113: Ein Ausgang schwächelt. Ursache: Defekte Dioden­brücke. Beide! Sieht man am verzerrten Oszillo­gramm am Trafo, bei Oszi-Masse = Ausgangs-Masse. Sollte ein schön symme­trisches Trapez sein. So als ob die DDR-Teile (1PM4) sich so lang­sam von unten auf­lösen und die weiß­liche Verguss­masse heraus­wächst. Also ein Ver­kappungs­problem. Da müssen die anderen 3 Exemplare eben­falls mal unter­sucht werden. 230216: Dort waren nur 2 Stück 1PM4 mit der verdäch­tigen weißen Verguss­masse bestückt, die noch in Ordnung waren, wurden trotzdem getauscht.

Aufbau aus Altbeständen in ein bereits für ein Netz­teil genutztes Plast­gehäuse. Gedacht zum Einbau in einen Schalt­schrank, der empfindliche Messungen übernimmt. Die ±15 V versorgen LEM-Strom­wandler und Analog­schaltungen. Die 24 V versorgt ein Rudel DC/DC-Wandler zur IGBT-Gate­ansteuerung. Die 5 V versorgen den Digital­teil, wobei ich die Analog­masse auf 1,5 V Digitalmasse (= halbe ADC-Referenz­spannung) gelegt hätte, um das Rudel Potenzial­versatz­stufen zu vermeiden.

Penible Schutz­isolation, geringe Koppel­kapazität durch LL-Kerne, getrennte Trafos, getrennte Sicherungen, getrennte Massen, gemein­samer Ein­schalter mit LED. Die vier Fest­spannungs­regler 7824, 7815, 7915 und L4940V5 wurden isoliert auf einen gemein­samen, ungeerdeten Kühl­körper montiert.

Verwendung: Für Eigenbau-Frequenzumrichter.

Einige wenige Typen haben einen Unter­spannungs-Meldeausgang, der aber erst meldet, wenn bereits Unter­spannung vorliegt. Im Einsatzfall will man jedoch wissen, ob die minimale Drop-Spannung unterschritten wird. Die liegt bei den klassischen 78xx bei 3 V, bei Low-Drop-Typen bei 1 V. Eine rote LED meldet den Überlastfall; in Reihe zu ihr liegt ein Optokoppler, deren Ausgänge (von mehreren derartigen Anzeigen) sinnvoller­weise parallel geschaltet und so verdrahtet eine Sammel­meldung an einen Mikro­controller geben können.

Im Normalfall ist T1 leitend, weil die Spannung über dem Längsregler größer als die Mindestspannung über T1 (0,6 V), D3 (0,6 V) und D2 (2 V) ist und der Spannungsüberschuss zum Basisstrom über R1 führt. (Der Strom muss hinreichend klein sein, damit dieser vom Längsregler intern nach Masse abgeleitet wird, oder eine ausgangsseitige Mindestlast übernimmt diesen Strom. Deshalb ist R1 hier recht hoch dimensioniert.) Damit schließt die Kollektor-Emitter-Strecke von T1 die Basisspannung von T2 kurz, und die LED D1 bleibt aus. Fällt die Spannung über dem Längsregler unter die Mindesthöhe, sperrt T1 und gibt über R2 und D4 eine Konstantspannung an die Basis von T2, der diesen über R3 zur Konstantstromquelle macht. Dann fließt der Konstantstrom über IC2 zur externen und D1 zur visuellen Signalisierung. Die LEDs D2 und D4 dienen als Referenz­spannungs­quellen; durch ihr schwaches Leuchten erleichtern sie allenfalls die Inbetrieb­nahme. (D4 leuchtet nur wenn auch Kollektorstrom durch T2 fließt, sonst genügt der Basisstrom über R2 nicht für genügend Spannungs­abfall an R3.)

Bei Negativreglern baut man die Schaltung einfach komplementär auf: Die Transistoren werden zu npn-Typen, die Dioden werden umgedreht. Das Layout ist nicht gleich, weil IC1 eine andere Anschluss­belegung hat und sich IC2 nicht einfach durch Verdrehen umpolen lässt. Die angegebene Schaltung ist weitestgehend unverändert für alle Ausgangs­spannungen verwendbar (5..24 V), allenfalls R2 sollte an die vorherrschende Eingangs­spannung angepasst werden. D2 und ggf. D3 entfallen für Low-Drop-Regler.

Symptom: Am rechten Ausgang mickrige Ausgangs­spannung von 1 V (unbelastet), je nach Tagesform auch mal etwas mehr oder weniger.

Diagnose: Im Gerät wurde bereits herumgelötet, und keiner will's gewesen sein oder etwas wissen! Werkstatt? Defekte SMD-Sicherung T4A durch Fassung für Fein­sicherung gebrückt, zwei Widerstände 10 Ω an Transistorbeinen. So robust wie es gebaut ist hat man das teure Gerät mit einem kräftigen Blitz gekillt. Vor der Reparatur muss das etwaige Wirk­prinzip geklärt werden, denn die vier Endstufen­transistoren am Kühltunnel machen's nicht selbsterklärend. Auch die üppige Bestückung mit dem riesigen Mikrocontroller und externem RAM ist rätselhaft aufwändig, ein popeliger ATtiny2131 hätte es sicher auch getan, wenn man schon externe A/D- und D/A-Wandler bemüht und eine asynchron-serielle Schnitt­stelle fürs Front­paneel will. Da viel drin ist kann auch viel kaputtgehen.

Funktionsprinzip: Es handelt sich um eine diskret aufgebaute Gegentakt-Leistungsendstufe (wie für Lautsprecher) mit parallel geschalteten Darlingtransistoren für reichlich 3 A und ±50 V Betriebsspannung. Würde ich heutzutage mit TDA7293 machen. Wenn lieferbar. Der Vorteil von Gegentakt (Push-Pull) ist ein definiertes Regel­verhalten über den gesamten Spannungs- und Strombereich ohne Ausgangselko. Konventionelle Netzteile mit einem Stellglied (Transistor) haben Probleme bei kleinen Spannungen und Strömen. Außerdem kann man so eine (absichtliche Stör-)Wechsel­spannung überlagern, und das Netzteil kann (pinzipiell) im Vier­quadranten­betrieb arbeiten, also negative Spannungen ausgeben und/oder als Energie­verbraucher fungieren. Die Strom­messung erfolgt am Minus-Anschluss mit einem 0,1-Ω-Shunt. Das Bezugs­potenzial der Schaltung ist ebenda: Praktisch für die Fehlersuche aber ungewöhnlich, wenn man Statron kennt. Alles andere ist Kleinsignal-Elektronik mit D/A-Wandlern für die Spannungs- und Strom­vorgabe und A/D-Wandlern für die Istwert­messung.

Reparatur: Um bei der Fehler­suche nicht noch mehr Schaden anzurichten wurde die 4-A-Sicherung zunächst durch zwei in Reihe geschaltete 40-W-Glühlampen 24 V(!) ersetzt. Na gut, 24-V-Lampen (mit gewöhnlichem E27-Gewinde für Not­beleuchtung sowie kleine Schienen­fahrzeuge und Schiffe) liegen nur hier herum; alternativ tut's auch eine 230-V-Glühlampe. Als einziges nicht so recht funktio­nierendes Bau­teil konnte ein BD139 in der Treiber­stufe ausgemacht werden. Dieser wurde wohl bei der vorher­gehenden Flick­schusterei übersehen. Dieser verhält sich (nach dem Auslöten) noch wie ein Transistor aber mit einer viel zu mickrigen Stromverstärkung < 10. Schließ­lich wurden sämtliche fliegend einge­löteten bedrahteten Bau­teile durch SMD-Bauformen ersetzt (was das Aus- und Wieder­ein­löten weiterer im Weg stehender Bau­elemente notwendig macht) sowie dieser Transistor ersetzt. Nun funktio­niert alles.

Hoppla! Eines Tages (ungefähr September 2022) der gleiche Effekt auf der anderen, linken Seite! Ausgelöst durch eine recht hoch eingestellte Ausgangsspannung (30 V) und ein Kurzschluss bei sehr kleiner Strombegrenzung (5 mA). Aus- und Einschalten half nicht, das Problem blieb bestehen, aber am nächsten Tag war das Problem weg, für (bis dato) immer.

Aus DDR-Beständen gibt es diesen „Trenntrafo 220 V / 220 V 630 VA“, vielleicht 10 Stück, für empfindliche Messaufbauten, bei denen bspw. Oszilloskope vom Schutzleiter getrennt werden sollen. Leider ist der Trafo darin nicht mit getrennten Schenkeln oder getrennten Kammern bewickelt, mit kompliziertem Aufbau mit Anzapfungen (anscheinend für einen anderen Einsatzzweck) und unter­schiedlichen Quer­schnitten.

Problem: Einer dieser Trafos ist trotz vorschrifts­mäßiger Sicherung durch­gebrannt. Für eine Werkstatt sollte es kein Problem sein, die beiden Schenkel neu zu bewickeln, aber so nicht für unsere. So lagen die Trafo­spulen seit Corona­ausbruch vor über 2 Jahren in der Werkstatt herum. Nun wurden die Wick­lungen kurzer­hand mit einem hölzernen Hand­wickel­apparat selbst erstellt und so ein wirklicher Trenntrafo erschaffen, der zudem eine geringere Leerlauf­verlust­leistung aufweist, vermut­lich aber auch eine geringere über­trag­bare (Schein-)Leistung.

Bei dieser Gelegenheit wurden Kaltgeräteeinbaustecker (vormals jener), Kippschalter, Glimmlampe und der Trage­griff ertüchtigt, fall­weise mithilfe des 3D-Druckers. Dabei besteht der Griff aus flexiblem TPU, bei dem der origi­nale Feder­stahl­streifen eingedruckt wird. Denn ein Ersatz der zerfaserten Leder­umhüllung durch Leder ist jenseits meiner Möglich­keiten. Zum Gelingen wird vor dem Brücken­schluss über dem Hohl­raum eine Druck­pause eingefügt. Zu dieser Druck­pause wird der Stahl­streifen, plan gerichtet und mit ordent­lich Klebe­stift ober­seitig präpariert, in die Nut eingelegt und die Brücke mit reichlich Brücken­fluss (= mehr Filament als in der Vor­ein­stellung) und voller Geschwindig­keit über­druckt.

Geräteansicht
Tragegriff
Steckerblende