Universal-Netzteil Angebot und Dokumentation
Hendrik Lüth Ausbildungswerkstatt der Marine 16.05.2013
Hendrik Lüth
Donnerstag, 16.05.13
Inhaltsverzeichnis 1. Anschreiben 2. Angebotsvorgaben a. Schaltplan b. Gehäusepläne 3. Datenblatt des Netzteils 4. Innerer Aufbau a. Interne 9V-Versorgung b. Schaltplan des Netzteils c. Bestückungspläne d. Lochraster-Layout 5. Funktionsbeschreibung a. Beschreibung der Bedienelemente b. Das Netzteil als Spannungsquelle c. Das Netzteil als Stromquelle d. Kombinierter Betrieb von Spannungsregelung und Strombegrenzung e. Funktion der Schaltung 6. Messprotokoll 7. Stück- und Preis-Liste 8. Begleitfragen
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Hendrik Lüth, MSM-Ausbildungswerkstatt Mürwiker Str. 203 24944 Flensburg
Herr John Doe Weisnichtwo-Weg 7a 12345 Springfield
Angebotsdatum: 16.05.13 Angebotsende: 16.06.13 Kundenummer: M003 Projekt-ID: NtzTL13
Angebotsnummer: 0002 Sehr geehrter Herr Doe, wir freuen uns über ihr Interesse an unseren Dienstleistungen und Produkten. Wie von Ihnen gewünscht, senden wir Ihnen das Angebot für ein nach Ihren Wünschen gefertigtes Universal-Netzteil zu. Pos.Nr. 1 2 3 4
Bezeichnung Materialkosten* Arbeitsstunde Ingenieur Versandkosten Sonstige Auslagen
Menge 1 122 1 0,75
Preis einz. 93,63€ 40,00€ 5,60€ 2,00€
Preis gesamt 93,63€ 4880,00€ 5,60€ 1,50€
Gesamt:
4980,73€
Anmerkung zu Position 1: Die genaue Zusammensetzung der Materialkosten finden Sie im Anhang in einer eigenen Auflistung.
Wir hoffen, dass Ihnen unser Angebot zusagt und dass Sie uns den Auftrag erteilen. Bei Fragen zögern Sie nicht uns anzurufen oder uns anderweitig zu kontaktieren. Wir freuen uns auf ihre Rückmeldung und verbleiben Mit freundlichen Grüßen
Hendrik Lüth MSM-Ausbildungswerkstatt MSM-Ausbildungswerkstatt
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Technische Spezifikation des Universal-Netzteils „NtzTl13“
Technische Hauptdaten: Ausgangsspannung: 0 - 28V, stufenlos einstellbar Ausgangsstrom: 0 - 2A, stufenlos einstellbar Betriebstemperaturbereich: 0 – 50°C Art der Kühlung: passiv, durch Kühlkörper an der Rückseite Nennstromaufnahme: 500 mA Schutzklasse: 1 Innenwiderstand: 1,26Ω Geprüft nach VDE-0701 und VDE-0702
Messbereiche der Anzeigen: Spannung: 0 - 20V, Auflösung: 10 mV, Toleranz: 0,2% 0 - 28V, Auflösung: 100 mV, Toleranz: 0,5%
Strom: 0 - 2A, Auflösung: 1 mA Toleranz: 1%
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Innerer Aufbau
Oben: Schaltplan des internen 9V-Netzteils
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Unten: Layout des 9V-Netzteils
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Schaltplan des Universalnetzteils MSM-Ausbildungswerkstatt
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Oben: Bestückungsplan des 9V-Netzteils Unten: Bestückungsplan der Lochrasterplatine
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Oben: Verdrahtungsseite der Lochrasterplatine
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Funktionsbeschreibung Beschreibung der Bedienelemente
Nr. Name des Elements 1
Netzschalter
2
Messbereichs-Schalter
3
Spannungsanzeige
4
Stromanzeige
5
Einstell-Regler für die Spannungsregelung
6
Einstell-Regler für die Strombegrenzung
7
Plus-Buchse
8
Minus-Buchse
9
PE-Buchse
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Beschreibung Mit dem Netzschalter lässt sich die Spannungsversorgung des gesamten Netzteils zwei-phasig trennen. Er dient zum Ein- und Aus-Schalten des Netzteils. Mit ihm kann man zwischen den Messbereichen der Spannungsanzeige (3) umschalten. Ist der Schalter nach oben gedrückt, so zeigt das Display den Wert der Ausgangsspannung bis 20V an. Ist er wiederum nach unten gedrückt, so zeigt es mit einer Nachkommastelle weniger die Werte der Ausgangsspannung bis 200V an. Auf diesem Display wird der Wert der aktuellen Ausgangsspannung angezeigt. Mit dem Messbereichsschalter (2) ist es möglich die Auflösung der Anzeige umzuschalten. Auf diesem Display wird der aktuelle Strom angezeigt, der gerade zwischen der Plus-Buchse (7) und der Minus-Buchse (8) fließt. Die Anzeige zeigt den Wert in Ampere an, allerdings nur bis zu einem Strom von 2A. Mit diesem Einstell-Regler lässt sich die Ausgangsspannung des Netzteils einstellen. Der Wert ist auf dem entsprechenden Display (3) ablesbar. (siehe Abschnitt 5b) Mit diesem Regler lässt sich der maximale Strom einstellen, der fließen kann. (siehe Abschnitt 5c) An dieser Buchse lässt sich die eingestellte Spannung abgreifen. Der Bezugspunkt ist die Minus-Buchse (8) Dies ist die Buchse, die mit der Masse des Netzteils verbunden ist. Diese Buchse ist direkt mit dem PE der Zuleitung des Netzteils verbunden und dient dem Potentialausgleich.
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Das Netzteil als Spannungsquelle Wird das Universal-Netzteil als Spannungsquelle betrieben, so ist der Einstell-Regler der Strombegrenzung auf seinen maximalen Wert einzustellen, welches bei diesem Gerät der Rechtsanschlag ist. Sollte es zu einem Kurzschluss im Lastkreis kommen, so regelt das Netzteil die Ausgangsspannung herunter. Sobald ein Strom über 3,5 Ampere gezogen wird, so brennt die Sicherung der 230V-Seite des Ringkerntravos durch und muss ersetzt werden. Dies trifft nur bei der Verwendung einer 500mA Sicherung zu.
Das Netzteil als Stromquelle Sollte das Netzteil als Stromquelle betrieben werden, so ist der Einstell-Regler für die Spannung auf seinen maximalen Wert einzustellen (Rechtsanschlag). Der Einstell-Regler für die Strombegrenzung hingegen ist auf minimalen Wert einzustellen (Linksanschlag). Nun schließt man die Plus- und Minus-Buchse bei angeschlossener Last kurz und stellt mit dem Einstell-Regler der Strombegrenzung den maximalen Ausgangsstrom ein. Nun hebt man den Kurzschluss wieder auf. Sollte es zu einer Unterbrechung im Lastkreis kommen oder ist der Lastwiderstand zu hochohmig, so schaltet das Netzteil automatisch auf Spannungsregelung um.
Kombinierter Betrieb von Spannungsregelung und Strombegrenzung Um die Versorgung eines Verbrauchers zu optimieren ist es möglich die Spannungsregelung und die Strombegrenzung kombiniert zu betreiben. Zuerst stellt man die gewünschte Versorgungsspannung ein und schließt dann bei auf minimalen Wert gestellter Strombegrenzung die Anschlussklemmen kurz und stellt den gewünschten Strom ein. Der Maximalstrom lässt sich wie folgt berechnen:
Danach wird der Kurzschluss wieder aufgehoben und der Verbraucher kann angeschlossen werden. Da nun seine Stromaufnahme begrenzt ist, fällt bei einem Kurzschluss im Gerät die Ausgangsspannung des Netzteils ab und das Gerät wird vor möglichem Schaden geschützt.
Funktion der Schaltung Nachdem der Ringkerntravo die Wechselspannung des 230V-Netzes auf 30V herunter transformiert hat, fließt der Strom durch einen Brückengleichrichter. Nun liegt eine pulsierende Gleichspannung vor, welche durch den Elko C1 geglättet wird. Der Transistor V10 arbeitet als Stellglied. Zusammen mit den Transistoren V7 und V8 bildet er einen Emitterfolger mit hoher Stromverstärkung und niedriger Basis-Emitter-Spannung.
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Die Transistoren V4 und V5 bilden einen Differenzverstärker, welcher die an R2 anliegende Spannung mit der an R19 anliegenden zur Ausgangsspannung proportionalen Spannung vergleicht. Der Differenzverstärker steuert über den Transistor V9 die Emitterfolger so, dass die Differenz der Spannungen an den Basen der Transistoren V4 und V5 Null ergibt. Sollte der an R2 eingestellte Spannungswert von der Ausgangsspannung unterschritten werden, so wird der Transistor V9 weiter durchgesteuert und zieht die Basis von V8 gegen Masse. Hierdurch verschiebt sich das Verhältnis des Spannungsteilers R5 und V9 und die Transistoren V7, V8 und V10 werden leitender. Hierdurch steigt die Ausgangsspannung. Sollte die Ausgangsspannung oberhalb des eingestellten Wertes liegen, so wird V9 weniger durchgesteuert und die Transistoren V7, V8 und V10 werden weniger leitend, da die Basis von V8 weniger gegen Masse gezogen wird. Die Strombegrenzung wird hauptsächlich durch den Transistor V6 und den Stromfühler R9 und R18 übernommen. Durchaus ist es auch möglich für R9 und R18 einen 560mΩ Widerstand einzusetzen, allerdings wurde er in dieser Schaltung in zwei Widerstände aufgeteilt, damit es möglich ist mit einem Display im Gehäuse des Netzteils den Strom anzuzeigen. Nimmt der Spannungsabfall aufgrund höherer Ausgangsströme an den Widerständen R9 und R18 zu, so nimmt auch die Spannung an R6, R7 und R10 zu und ab einem bestimmten, mit R10 einstellbaren Wert beginnt V6 zu leiten, so dass V9 Basisstrom erhält, weiter durchsteuert und sich das Gesamtpotential mehr nach Masse verschiebt. Hierdurch wird der Arbeitspunkt des Emitterfolgers in Sperrrichtung verschoben, was bedeutet, dass die Transistoren weniger leiten, und die Ausgangsspannung sinkt. Die maximale Ausgangsspannung lässt sich mit dem Trimmer R19 kalibrieren. Hierzu muss das Potentiometer R2 auf Rechtsanschlag gestellt sein, bzw. am Schleifer eine Spannung von 10V gegen Masse gemessen aufweisen. Diese 10V können ein wenig variieren, da die Zehnerdiode V2 für diese Spannung verantwortlich ist. Somit sollte die Spannung am Schleifer von R2 möglichst der Spannung über V2 sein. Den maximalen Ausgangsstrom kann man mit dem Trimmer R6 kalibrieren. Hierzu schaltet man einen einstellbaren Lastwiderstand (optimal: 0…30Ω) an das Netzteil und stellt die Ausgangsspannung auf ihr Maximum. Auch das Potentiometer der Strombegrenzung muss auf Maximum stehen. Nun regelt man den Widerstandswert herunter, bis der gewünschte maximale Ausgangsstrom (nicht mehr als 3A) erreicht ist. Sollte die Ausgangsspannung noch immer die maximal Mögliche sein, so dreht man an dem Trimmer R6 so lange, bis die Ausgangsspannung sinkt. Jetzt dreht man R6 vorsichtig wieder zurück, bis die Ausgangsspannung wieder ihren normalen Wert hat. Sollte nach dem Einstellen des gewünschten Maximalstromes die Ausgangsspannung niedriger sein als eingestellt, ist so lange an R6 zu drehen, bis sie wieder ihren normalen Wert hat.
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Messprotokoll zum Universal-Netzteil Die folgenden Messergebnisse zeigen die tatsächlichen Ausgangsspannungen und Ströme des Netzteils. In der oberen Zeile ist der Sollwert eingetragen, der auf dem verbauten Display eingestellt wurde. Die linke Spalte zeigt den Messbereich, auf den das Display zum Zeitpunkt der Einstellung geschaltet war. Da es für den Strom nur einen Messbereich gibt, trifft dieses hier nicht zu. Tabelle 1: Spannungen im unbelasteten Zustand
0-20V 0-200V
5V 5,01V 5,17V
10V 10V 10,13V
15V 14,98V 15,09V
20V 20,08V
28V 28,07V
20V 19,89V
28V 27,81V
Tabelle 2: Spannungen bei einer Belastung von c.a. 1A
0-20V 0-200V
5V 4,95V 5,04V
10V 9,9V 10,1V
15V 14,85V 14,97V
Tabelle 3: Soll- und Ist-Werte der Ausgangsströme
Soll Ist
100mA 103mA
500mA 509mA
1A 1,015A
1,5A 1,52A
1,99A 2,013A
Des Weiteren wurde das Netzteil nach den VDE-Normen 0701 und 0702 geprüft. Die hierfür relevanten Ergebnisse sind im Folgenden dargestellt. Prüfer: Datum: Normen: Sichtprüfung: R-PE R-ISO I-Last U-Netz Leistung I-PE I-PE-NL Funktionsprüfung: Gesamtergebnis:
Hendrik Lüth 15.5.2013 VDE-0701, VDE-0702 Bestanden 0,199Ω (Grenzwert: 0,3 Ω) >200M Ω (Grenzwert: 1M Ω) 486mA 227V 110VA 28mA (Grenzwert: 3,5A) 17mA (Grenzwert: 3,5A) Bestanden Bestanden
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Stück- und Preis-Liste Im nachfolgenden ist eine Liste mit sämtlichen verbauten Teilen, ihrer Anzahl, ihrem Preis und der Bestellnummer für den Elektronikversand Reichelt Elektronik zu finden. Alle Preisangaben ohne Gewähr, da sich die Preise täglich ändern und somit abweichen können.
Stückliste Universal-Netzteil Bezeichnung Widerstand Widerstand Widerstand Widerstand Widerstand Widerstand Widerstand Widerstand Widerstand Widerstand Trimmer Trimmer Trimmer Trimmer Trimmer 10-Gang-Poti 10-Gang-Poti Zehner-Diode Zehner-Diode Diode Gleichrichter Transistor Transistor Transistor Transistor Spannungsregler Kondensator Kondensator Kondensator Kondensator Kondensator Schalter Display-Messgerät Ringkerntravo Travo Platine Umschalter 2-Pol Lochrasterplatine Jumper Stiftleiste Kaltgerätebuchse Sicherungshalter Bananenbuchse Bananenbuchse Bananenbuchse Präzisionsdrehknöpfe Buchsenleiste Print-Stiftleiste
Best.Nr 1/4W 2,2K 1/4W 3,3K 1/4W 10K 1/4W 100K 1/4W 1,0K 1/4W 10M 1/4W 5,6K 1/4W 8,2K 2W DRAHT 0,47 2W DRAHT 0,1 64W-20K 64W-5,0K 64W-200K 64W-100K 64W-2,0M 534-10K 534-100K ZF 10 ZF 2,4 1N 4148 KBU6B 2N 3055 BC547A BC557A BD 140 STM µA 78L09 AX 4.700/40 RAD 4,7/35 RAD 2.200/16 RAD 10/35 KERKO 2,2N WIPPE 1858,1103 LDP-140 LCD RKT 8030 EE 20/10 209 BEL 75X100-1 MS 500F UP 912HP MPE 149-2-002-F1 MPE 087-1-002 KES 1 PL 126000 SEB 2600 RT SEB 2600 BL SEB 2600 GE/GN KNOPF 534-11 FEDERLEISTE 31L STIFTL. 31W
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Wert Anzahl 2,2k 3,3k 10k 100k 1k 10M 5,6k 8,2k 0,47R 0,1R 20k 5k 250k 100k 2M 10k 100k 10V 2,4V 1N4148 KBU6B 2N3055 BC547 BC557 BD140 9V 4700µF 4,7µF 2,2µF 10µF 2,2nF 1-0-zweipol Display 80VA 0,5VA 1-seitig 2-Pol 31er Leiste Rot 2Pol Buchse Halter Rot Blau Gelb/Grün Analog Lötösen gewinkelt
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1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 9 1 1 1 3 1 2 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1 1 1 2 1 1
Preis einzeln Preis gesamt 0,100 € 0,100 € 0,100 € 0,100 € 0,100 € 0,200 € 0,100 € 0,100 € 0,100 € 0,100 € 0,100 € 0,100 € 0,100 € 0,100 € 0,100 € 0,100 € 0,230 € 0,230 € 0,230 € 0,230 € 0,300 € 0,300 € 0,300 € 0,300 € 0,300 € 0,300 € 0,300 € 0,300 € 0,300 € 0,300 € 6,050 € 6,050 € 9,500 € 9,500 € 0,050 € 0,050 € 0,050 € 0,050 € 0,020 € 0,180 € 0,480 € 0,480 € 0,540 € 0,540 € 0,040 € 0,040 € 0,040 € 0,120 € 0,210 € 0,210 € 0,140 € 0,280 € 2,150 € 2,150 € 0,040 € 0,040 € 0,150 € 0,150 € 0,040 € 0,040 € 0,060 € 0,060 € 1,400 € 1,400 € 7,950 € 15,900 € 21,500 € 21,500 € 3,450 € 3,450 € 0,990 € 0,990 € 2,200 € 2,200 € 2,900 € 2,900 € 0,050 € 0,100 € 0,050 € 0,100 € 0,750 € 0,750 € 0,390 € 0,390 € 1,950 € 1,950 € 1,950 € 1,950 € 2,250 € 2,250 € 4,900 € 9,800 € 2,750 € 2,750 € 2,450 € 2,450 € Gesamt: 93,630 €
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Begleitfragen Nr. 1) Ein Gleichrichter ist eine Schaltung aus einer oder mehrerer Dioden, welche aus einer Wechselspannung eine pulsierende Gleichspannung machen. Es gibt Einweg-Gleichrichter, die nur eine der beiden Halbwellen wegfallen lassen und Brückengleichrichter, welche eine der beiden Halbwellen invertieren. Nr. 2) Der Kondensator hinter einer Gleichrichterschaltung dient der Glättung der ausgehenden Spannung. Er überbrückt während der Nulldurchgänge der Wechselspannung die entstehenden Spannungsabfälle in der pulsierenden Gleichspannung. Seine Größe berechnet sich wie folgt:
(√
)
(
)
In der Formel ist IAusg. der maximale Ausgangsstrom, T die Periodendauer der Brummspannung (bei Brückengleichrichtung 0,01s), UTravo die Ausgangsspannung des Travos, UAusg. die gewünschte maximale Ausgangsspannung und UGleichr. die Durchgangsspannung der Dioden des Gleichrichters (im Normalfall 1,4V). Das Ergebnis der Rechnung wird großzügig auf den nächstgrößeren, handelsüblichen Wert aufgerundet. Nr. 3) Die Wirkungsweise des Differenzverstärkers beruht auf dem Prinzip des Potentialausgleichs und des Spannungsteilers. Die Basen der Transistoren V4 und V5 sind die Eingänge A1 und A2 des Differenzverstärkers und der Jumper JP2 der Ausgang. Der zweite Ausgang ist der Kollektor von V5, welcher auf Masse gelegt ist, um eine größere Differenzverstärkung zu erzielen. Erhöht man nun die Spannung an der Basis von V4, so steuert der Transistor stärker durch, das Potential an JP2 wird angehoben und der Transistor V9 steuert stärker durch. Hierdurch wird die Emitterfolge leitender, da sich der Spannungsteiler, bestehend aus R5, und V9, verändert. Über R5 fällt nun eine größere Spannung ab. Ist die Differenz zwischen dem Emitter von V7 und der Basis von V8 groß genug, so steuern diese Transistoren durch, die Basis des Leistungstransistors erhält Spannung und die Ausgangsspannung steigt so lange, bis die Basis von V5, die über einen Widerstand (R11) mit der Ausgangsspannung verbunden ist, dieselbe Spannung hat wie die Basis an V4. Der Differenzverstärker ist ausgeglichen und die Ausgangsspannung ist stabilisiert. Nr. 4) Die Spannungsregelung wurde bei dem Netzteil mit einem Differenzverstärker realisiert. Mit dem Widerstand R2 ändert man die Spannung am Eingang des Differenzverstärkers, wodurch dieser über V9 die Basis von V8 gegen Masse zieht, wodurch der Emitterfolger MSM-Ausbildungswerkstatt
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weiter durchsteuert und die Ausgangsspannung steigt, wodurch wiederum eine höhere Spannung an der Basis von V5 anliegt. Die Spannung steigt oder sinkt so lange, bis der Differenzverstärker ausgeglichen ist. Dies bedeutet, dass an den Basen von V4 und V5 dieselbe Spannung anliegt. Die Strombegrenzung wurde in diesem Fall mit einem Transistor und zwei Trimmern realisiert. Steigt aufgrund höherer Ausgangsströme der Spannungsabfall über den Widerständen R9 und R18, so steigt auch die Spannung, die über den Widerständen R6, R7 und R10 abfällt, da diese parallel zu R9 und R18 geschaltet sind. Hat die Spannung einen bestimmten mit R10 einstellbaren Wert erreicht, so steuert der Transistor V6 durch, V9 erhält Basis-Strom und zieht den Emitterfolger gegen Masse, wodurch die Ausgangsspannung sinkt. Nr. 5) Wenn man für V10 mehrere Transistoren parallel schaltet, so ist es möglich einen höheren Ausgangsstrom zu erreichen, ohne dass die Transistoren kaputt gehen. Hierzu ist natürlich auch eine dementsprechend leistungsstarke Vorschaltung wichtig. Der fließende Strom teilt sich auf die parallel geschalteten Transistoren auf, so ist es zum Beispiel mit zwei Transistoren möglich einen Ausgangsstrom von 6A zu gewährleisten, wenn ein Transistor nur 3A verkraften würde. Wenn man bei diesem Netzteil einen zweiten Transistor parallel schaltet, ergibt dies keinen Sinn, da der Ringkerntravo und andere Bauteile nicht für einen Strom über 3A ausgelegt sind. Nr. 6) Die Schaltung der beiden Transistoren V6 und V9 hat die Aufgabe der Strombegrenzung. Sobald der Spannungsabfall über R9 und R18 aufgrund steigender Ausgangsströme fällt auch über R6, R7 und R10 dieselbe Spannung ab. Ab einem bestimmten Punkt ist die Spannung so hoch, dass der Transistor V6 entsprechend seiner Kennlinie durchsteuert. Ab welchem Ausgangsstrom dies passiert, lässt sich mit dem Schleifer von R10 einstellen. Das durchsteuern von V6 bedeutet auch gleichzeitig, dass V9 Basis-Strom bekommt und in einem gewissen Maße durchsteuert. Hierdurch verschiebt sich das Gesamtpotential unterhalb des Widerstandes R5, was zur Folge hat, dass die Ausgangsspannung sinkt.
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