Design von Netzteil 30V/5A

Hallo alle Hobby- und Profielektroniker!

Ich habe vor mir (endlich) ein Netzgerät zu basteln, um nicht immer für andere Basteleien mit Batterien rumhantieren muss, und brauche ein wenig (oder mehr) Hilfe von euch.

[highlight=yellow:652d33c8fc]1. Erste Gedanken[/highlight:652d33c8fc]

Wie gesagt würde ich mir gerne ein (relativ) anständiges Netzgerät bauen. Dabei habe ich mir folgende Ziele gesetzt:

- 2 Ausgänge, einer für positive und einer für negative Spannungen
- Es soll regulierbar sein (jeder Ausgang unabhängig vom Anderen)
- Relativ hohe Spannungen und Ströme erzeugen (30V/5A)
- Eine Anzeige der aktuellen Spannung pro Ausgang (7 Segment LEDs oder mit LCD...)
- Ein "Bonus" wäre eine Kurzschluss-Sicherung
- Und das ganze sollte auf einer selbst erstellten Platine in eine schöne metallische Box, so wie wir das von den handelsüblichen Nezgeräten kennen

Soweit meine Vorstellungen. Habe ich jetzt schon etwas wichtiges übersehen?

[highlight=yellow:652d33c8fc]2. Annäherung ans Design der Schaltung[/highlight:652d33c8fc]

Das Hauptelement um das sich die Schaltung, die ich mir vorstelle, dreht ist der LM338, da man laut datasheet mit diesem Regler meine gewünschte Spannungen und Ströme erreichen kann. Der LM138 und LM238 sind soviel ich verstanden habe genau gleich wie der LM338 ausser den Raumtemperaturen zwischen welchen diese Komponenten noch garantiert funktionieren. Oder gibt es noch mehr Unterschiede weshalb ich doch besser einen anderen Regler nehmen sollte?

Habe ich richtig verstanden, dass die IC's LM338K und LM338T, für den positiven bzw. negativen Ausgang sind? Denn es ist mir schwer gefallen etwas über die IC für die Gleichrichtung von negativen Spannungen zu finden :-s .

Zu der Gleichrichtung habe ich auch eine kleine Frage. Ich habe gesehen, dass in manchen Schaltungen 2 Brückengleichrichter benutz werden, um die 2 Spannungen zu bekommen, obwohl man das doch auch einfach mit einem Brückengleichrichter machen kann (Siehe Bild 1)

Bild hier  
Bild 1

Was ist der Unterschied? Welche ist die bessere Lösung?
Ich vermute, dass man bei den 2 Brücken die Dioden etwas kleiner dimensionieren kann. Aber sonst? Ich habe mich im Prinzip für die Variante mit einer Brücke entschieden.

(Fortsetzung mit ersten Dimensionierungsversuchen folgt O:) )

MfG

Hallo

Der wesentliche Unterscheid der Scaltungen ist das bei Variante 1 2 galvanisch getrennte Spannungen zur Verfügung stehen und bei der anderen +/- mit gemeinsamer Masse.

Der Unterschied zwischen K und T Variante ist das Gehäuse der LM338 kann nur positive Spannungen von 1,2V ab einstellen. Wenn Du also mit Trafovariante 1 2x einen Positivregler aufbaust kannst Du dann die Beliebig zusammnschalten. also 2x unterschiedliche Spannung gleicher oder entgegengesetzer Polarität oder hintereinandergeschaltet für bis 60V.
Die Messung muss für diesen Fall natürlich auch getrennt ausgeführt werden.
Da das ein Linearregler ist wird ne Menge Energie in Wärme umgesetzt (besonders bei geringen Ausgangsspannungen) also gute Kühlung ist Pflicht.
Für eine erste Erfahrung mit dem Netzteilbau ist das Teil ausreichend zumal ja im Datenblatt etliche Schaltbeispiele enthalten sind. Viele der billigen 'Baumarktnetzteile' sind mit diesem Teil aufgebaut.
Für ein anspruchsvolleres Netzeil das dann bessere Stabilität und einstellbare Strombegrenzung haben sollte wür ich heutzutage auf einen Schaltregler setzen, doch um das Sinnvoll zu konstruieren brauchts schon etwas Erfahrung und Grundlagenwissen.

Das heisst mit der Variante von nur einer Brücke kann ich keine 2 Ausgänge mit invertierter Polarität generieren weil es keinen komplementären IC zum LM388 für negative Spannungen gibt?
Denn das Bild der 1-Brückenvariante ist aus einer Schaltung bei der man +/- 12V mit hilfe der LM7812 und LM7912 ICs erhält.

Also, weiter geht's:

[highlight=yellow:6b5e7685f8]3. Dimensionierungs Versuche[/highlight:6b5e7685f8]

Das ist das erste mal, dass ich Versuche ein Netzteil zu berechnen also wäre ich euch sehr dankbar wenn ihr mich auf Rechen- und/oder Konzeptfehler hinweisen würdet.

Zunächst mal die Schaltung (siehe Bild 2), die ich angefertigt habe, wobei da nichts besonderes oder neues ist.

Bild hier  
Bild 2

Von C1 nach rechts habe ich eine Beispielschaltung verwendet, die in dem Datenblatt vom LM338 zu finden ist.
Ist hier schon etwas falsch oder vedreht?

Um den Wert von C1 zu bestimmen mache ich Folgendes:

Am Ausgang vom Regler möchte ich das die Brummspannung maximal 0.1Vss beträgt. Laut Datenblatt hat der Regler eine Brummunterdrückung von 60 dB. Somit kann ich die Brummspannung am Eingang erhalten:

Ubrumm-In = 10^(60/20) = 1000 Vss (!!!)

Das gilt für f = 120Hz (obwohl in meinem Fall f = 100 Hz) und Vo = 10 V. Zudem gibt es noch verschiedene Grafiken im Datenblatt, wo man sehen kann das auch in den extremen Fällen (Uo = 30V und Io = 5A) die Ripple Rejection Ratio über 40 dB ist, und sogar noch weit über 60dB wenn man den Cadj = 10uF einsetzt, der in meiner Schaltung als C3, bzw. C7 wieder zu finden ist.

Irgendwo hab ich gelesen, der Elko solle 1000uF*Imax haben. Stimmt das? Und könnte mir einer bitte erklären wie man auf diesen Wert kommt?
In meinem Fall müsste mein C1 elko eine Kapazität von 5000uf=5mF haben. Mit diesem Wert berechne ich jetzt die Brummspannung am Eingang des Reglers (mit einer Formel die ich mir nicht so ganz herleiten kann. Weiss jemand woher diese Formel kommt?):

Ubrumm-In = 0.75*Imax/(fr*C1) = 7.5 Vss

Wie man sieht ist dieser wert viel kleiner als der oben berechnete, womit ich also am Ausgang noch eine viel kleinere Brummspannung als meine gewünschten 0.1 Vss haben sollte.

Zum Traffo: Mit Traffos habe ich so gut wie keine rechen Erfahrung, aber ich Versuche es mal. Wie man in Bild 2 oben sieht, brauche ich der sekundären Wicklung zwei Spannungen, die gleichgross sein müssen. Der Wert dieser Spannungen erhalte ich so:

Utraffo,ss = Uo,max + Udiode + Uic = 30V + 0.7V+ 1.3V = 32V

Das Problem hierbei ist dass ich bei kleinen Ausgangsspannungen laut Datenblatt nur noch ungefähr 1.5A ziehen kann, da die differenz (Vi - Vo) sehr gross ist. Weiss jemand wie ich dass verbessern könnte? Meine Idee wäre einen Traffo zu benutzen bei dem man per Knopfdruck die Spannung auswählen kann, d.h. dass man mechanisch die Länge der sekundären Spule beeinflussen kann. Ich denk ich hätte schon mal so einen in einer Schaltung gesehen. Gibt es so einen Traffo?

Die Gleichrichterdioden wähle ich so, dass sie die maximale Inversspannung und den maximalen direkten Strom verkraften. Die maximale Inversspannung sind die 32V von oben, und der maximale Strom 5A, oder? Kann mir jemand sagen wo ich tabellen von Dioden findend kann? Denn auf gut Glück zu googlen.....

So das wär's dann vorest wieder mal gewesen.
Wäre sehr dankbar für eure Hilfe!

MfG

Ja ich weis nicht ob es zum LM338 eine komplimentäre Variante für negative Spannungen gibt. Warscheinlich schon denn für den LM317 (1A) gibt es ja auch den LM337 als neg Regler. Den LM337 kann man durch Zusatzbeschaltung sicher auf 5A aufboren. Hab aber gerade keine Schaltung dazu da aber im Netz (zb auf der National Semiconduktors) findet sich sicher was an Applikationen dazu.
Wenn Du aber einen Trafo mit getrennten Wicklungen hast ist die getrennte Variante sicher vorteilhafter weil flexibler. So ein Brückengleichrichter kost ja kaum was.

hoppla da kam ja noch was.

In aller kürze. Der Untere Zweig funktioniert natürlich nicht mit dem LM338 (mit den LM337 klappt es).
5000µF (Standardwert der Reihe 4700µF) ist ein guter Wert bei 5A wobei mehr immer besser ist. Ich rechne den Elko meist gar nicht aus und nehm das aus Erfahrung. In der Trafospannungsberechnung ist die Flusspannung für die Diode bei einer Einzelbrücke zu verdoppeln. Weiterhin ist die Spannung an Elko = 1,41 x (trafosp. -Diodenflusspannung ) Deine Formel stimmt nur für die Spitzenspannung der Wechselspannung. Wechselspannungen werden aber immer als Effektivspannungen angegeben. Ein bisschen Meht trafospannung ist meist von Vorteil da die Trafospannung bei Last immer mehr oder weniger zusammenbricht. Auf jeden Fall darf die Spannung vor dem Regler bei Leerlauf nicht über die max Spannung des Reglers steigen können (meist 40V).

Es gibt Stelltrafos die so aussehen, meist sinds aber Rinkerntrafos. nur sind die für die Netzteilanwendung nicht gedacht und meist auch nicht geeignet.

Als gleichrichter kannst Du jedens Brückenmodul nehmen das 50V und 6A aushält. In den Bauelementhändlerseiten sind die Eckdaten zu den Modulen angegeben und auch Datenblattlinks.

Der Regler ist ein positiv Regler, den kannst du nicht einfach für negative Spannungen verwenden! Einigermaßen machbar wäre es, wenn du den oberen Teil der Schaltung 2 mal aufbauen würdest, mit der zweiten Trafowicklung und einem zweiten Gleichrichter. Für C1 = 1000µF pro Ampere ist ein guter Erfahrungswert.

Ok, dann werde ich mal die Schaltung ändern und 2 Brücken nehmen. Trotzdem wundert es mich, dass es nicht eine IC wie den LM338 für negative Spannungsregulierung gibt :-s .

Und wobei ich auch dringenst Hilfe brauche ist bei:

Zitat:

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Das Problem hierbei ist dass ich bei kleinen Ausgangsspannungen laut Datenblatt nur noch ungefähr 1.5A ziehen kann, da die differenz (Vi - Vo) sehr gross ist. Weiss jemand wie ich dass verbessern könnte? Meine Idee wäre einen Traffo zu benutzen bei dem man per Knopfdruck die Spannung auswählen kann, d.h. dass man mechanisch die Länge der sekundären Spule beeinflussen kann. Ich denk ich hätte schon mal so einen in einer Schaltung gesehen. Gibt es so einen Traffo?

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Denn mit Traffos habe ich in der Praxis noch nicht all zu viel zu tun gehabt.

MfG

Hallo

Tja das mit den 1,5A ist letztendlich schliesslich durch die Verluste bedingt. Wenn Du mit 5A von 35v auf 2V runter willst musst Du ja 165W verbraten das gibt ne schöne Heizung. Zwar kann ma wie glaub ich auch i Datenblatt beschrieben die Regler irgendwie Paralellschalten um höhere Ströme zu bewältigen. Gibt auch die Möglichkeit die Leistung durch eine externen Leistungstransistor steigern. Besser ist es aber einen Trafo zu nehmen der Wicklungen mit unterschiedlichen Spannungen hat, also zb 12 und 28V und die mit einem Relais automatisch oder per Hand umzuschalten, wurde auch oft so bei Labornetzgeräten gemacht.
Das mit den regeltrafos kannst Du wie schon gesagt vergessen, außerdem sind die Stelltrafos mit Netztrennung auch sauteuer.
Google mal ein bissel es gibt ne Menge Schaltungen zu dem Netzteilthema im Netz.

Danke für deine Hilfe, "Warze".

Gegoogelt hab' ich schon wie blöde, und auf drei Sprachen, aber ich finde nicht mehr eine bestimmte Schaltung die ich vor ein paar Monaten gefunden hatte, und die Praktisch das gleiche machte was ich hier machen will.

Zum Trafo: So einen mit Knopdruck umschalten ist genau was ich gemeint habe. Nicht einen den man linear verändern kann. Und ich wusste nicht ob es solche Trafos wirklich gibt. (Tut mir leid wenn ich mich manchmal etwas undeutlich ausdrücke, aber ich lebe schon seit etlichen Jahren in Spanien und studiere hier, weshalb ich oft nicht sicher bin wie manche technischen Wörter übersetzt werden). Also gibt es doch solche Trafos mit 2 separaten Spulen im sekundären, wo man per Knopfdruck beide zwischen z.B. 15V und 30V "switchen" kann? Das wäre super!! Da ich so etwas an Leistung einsparen kann, da ich mich doch öfters in niederen Spannungen bewegen werde.

Hier ist ein neuer Entwurf:

Bild hier  

Sollte so, mit zwei LM338, funktionieren, oder?

Was haltet ihr von den Dioden die ich als Gleichrichter einsetzen will?

Gibt es irgendwo eine Liste von kommerziellen Werten von Kondensatoren? Ich weiss nur, dass es einen mit 4700uF gibt, aber der nächst höhere?

MfG

Ohne mich jetzt detailliert in die Schaltung reingewühlt zu haben (das letzte Schaltbild ist aber garantiert immer noch falsch) möchte ich mal die AUfmerksamkeit auf ein anderes Problemchen lenken: 30V/5A mit einem Reglerelement geht nicht.
Worst case: minimale Ausgangsspannung bei maximalem Strom, dann muss der Regler 30V * 5A = 150 Watt verbraten. Das kann er nicht. Dafür musst du, realistisch betrachtet, fünf von den Dingern parallelschalten und reichlich Kühlkörper verwenden.

Mir scheint, dass Du meinen letzten Beitrag nicht gelesen hast (kann vorkommen). Wie gesagt will ich einen "umschaltbaren" Trafo benutzen, bei dem man zwischen 15V und 30V (oder in der Art) hin und her schalten kann. Somit würde ich dann laut Datenblatt sogar noch ein bisschen mehr Strom ziehen können und der Regler müsste "nur" noch ~15V*5A = 75W verbraten. Was meinst Du dazu? Ist das leicht mit einem Kühler hinzukriegen?

Leicht bestimmt nicht. Wenn du den Strom, den du dann mehr ziehen könntest, ziehen willst, erst recht nicht leicht. Das ist immerhin die Leistung die nen PC-Prozessor so ca. verbrät, und der ist durch den Aufbau (besserer Wärmeübergang DIE-Gehäuse-Kühler) noch deutlich besser kühlbar.
Meine Meinung: 75 Watt an nem TO220-Gehäuse kann man vergessen.

Edit: Hab mal nachgeschaut. Die TO220-Variante hat einen Wärmewiderstand vom Silizium bis zum Gehäuse von 4°C/W . 4°C/W * 75 Watt = 300°C Erwärmung. Unmöglich also.
Falls du die TO3-Variante verwenden wolltest: Sorry, ich hab mir hier nich alles durchgelesen. Die TO3-Variante hat einen Wärmewiderstand Silizium => Gehäuse von 1°C/W, macht 75°C Erwärmung. Umgebungstemperatur dazu => 100°C. Bleiben also noch 75°C, um die der Kühler sich erwärmen darf, was für den Kühler einen Wärmewiderstand von 1°C/W ergibt. Aktiv (also mit Lüfter) geht das vielleicht. Passiv... Kommt halt drauf an, wie groß es werden soll.

Eigentlich wollte ich schon das T0-3 Gehäuse benutzen. Nur weiss ich nicht wieviel das kühlungstechnisch ausmacht.

Eine einfache und auf der Hand liegende Lösung wäre ja einen 3-fach umschaltbaren Trafo zu nehmen (10-20-30V --> 50W). Aber erstens weiss ich nicht ob es so was noch gibt (wahrscheinlich schon), zweitens weiss ich nicht wieviel teurer so ein Trafo wäre, und drittens ist das dann doch schon zuviel Geschalte.....

Die letzte Lösung die ich sehe, wäre einfach die Anforderungen runterzudrehen auf z.B. 25V/4A, dann hätte ich mit dem 2-fach umschaltbaren Trafo "nur" noch 50W zu kühlen....

Was meint ihr?

Vielen Dank Dennis, vor allem für das "Edit"! Da ich mich noch nicht mit Kühlungen von Komponenten auseinander setzen musste war das sehr informativ. Ich werde mich dann mal in den nächsten Tagen mehr damit beschäftigen, was mir jetzt mit diesem Ansatz leichter fallen wird :D

Ich halte den Ansatz mit dem LM338 für so ein Projekt nicht für die geeignete Methode. Wirf mal einen Blick auf das hier: http://www.hobby-elektronik.de/page11m.html
Das kommt deinen Belastbarkeitsansprüchen eher entgegen. Mit zwei davon kannst du dann auch ein Doppelnetzteil realisieren.

Ich hab' mir auch schon überlegt ganz auf den Regler zu verzichten und es direkt mit Transistoren zu versuchen (Darlington?). Nur wird es dann rechentechnisch etwas problematisch....

Also ich habe jetzt versucht mich ein bisschen über die Kühlung von Bauteilen zu informieren und habe diese Seiten gefunden:

http://www.vias.org/mikroelektronik/coolpacks.html

http://www.jens-wesemann.de/wwst1.htm

Also laut Datenblatt darf sich der LM338 bis zu 125ºC erhitzen, dann ist er pfutsch. Als Wärmewiderstand Union-Gehäuse (junction-case) wird für das TO-3 Gehäuse 1ºC/W und ein Wärmewiderstand Union-Umgebung (junction-ambient) von 35ºC/W angegeben.
Heist das, dass der IC nur 125ºC/(36ºC/W)=3.5W ohne Kühlung verbraten kann, bevor er abfackelt? Ist dass nicht ein bisschen wenig?

Übrigens ist mir gerade eingefallen, dass wenn ich das Netzteil mit Transistoren aufbauen würde, ich dann doch eigentlich vor demselben Leistungsproblem stehen würde, da ich einen Transistor in TO-3 Gehäuse kühlen müsste, oder?

Und noch was, mir ist aufgefallen, dass der Wärmewiderstand manchmal in ºK/W oder in ºC/W angegeben wird, aber mit demselben Wert (z.B. 1ºK/W=1ºC/W)!! Was ja offensichtlich nicht korrekt ist. Wenn ich dann bei Conrad einen Kühlkörper mit 1.8 ºK/W sehe, entspricht das dann -271.2 ºC/W, oder was?

Da beim Wärmewiderstand, bei der Temperatur eine Differenz steht, ist es egal ob da Kelvin oder Grad stehen.

Normalerweise nimmt man aber Kelvin.

Gruß Robert

Hallo Kiwee!

Als Einheit ist 1°C immer gleich 1°K.

MfG

Vielen Dank!
Jetzt habe ich da noch eine Frage zur Anzeige, mittels 7-segment LEDs, die ich machen will. Ich habe mal einen IC gesehen, der einen analogen Eingang und einen BCD Ausgang hat, nur erinner ich mich nicht mehr an wie der heisst. Kennt einer von euch diesen IC?

Ich dachte eigentlich das Ding dürfte sich, wie viele Leistungstransistoren, bis 175°C erhitzen. Mit 125°C wird's schon wieder schwieriger. Das mit den 3,5 Watt wird wohl hinkommen. Ohne Kühlung ist das schon ne Menge, für To220 wird als Faustregel oft gesagt maximal etwa 1 Watt, also noch weniger.
Die Einheiten K/W und °C/W sind gleichwertig, weil sie nur eine Temperaturdifferenz für eine Leistung von 1 Watt angeben und keinen Absolutwert. Eigentlich dürfte es deshalb nur K/W heißen und nicht °C/W.
Transistoren sind übrigens ein bisschen einfacher zu kühlen, weil man sie gut parallelschalten kann und sie wie gesagt meist 175°C vertragen. (Btw, die Angaben sollte man nie ganz ausreizen)

Gruß

Hallo
die 175°C gelten als maximum.Man sollte aber wegen der Zuverlässigkeit und "Lebenserwartung" deutlich darunter bleiben.
1°c= 274,15 K. Die Angabe heißt Kelvin , nicht grad Kelvin.

Mit freundlichen Grüßen
Benno

Zu dem Thema Display habe ich diese ICs gefunden: CA3161 und CA3162. Ich hoffe was damit anfangen zu können.

Zudem habe ich mich mal zum Thema Kurzschluss-sicherung umgeschaut. Hat jemand eien Tip? Ich habe diese Schaltungen gefunden:

Bild hier  

Hier soll eine der beiden Schaltungen benutzt werden und anscheinend Ve an den Eingan des Reglers und Vs an den Ausgang des Reglers geschaltet werden. Klappt das so als Kurzschluss-sicherung? Welche Widerstände, Transistoren und/oder Dioden müssen genommen werden?

MfG

Hallo Kiwee!

Dein Problem mit der Regelung der Spannung am Eingang des Spannungsreglers könnte man lösen, wenn man anstatt Gleichrichterdioden, Thyristoren anwendet. Die Steuerung dessen ist nicht einfach, aber möglich.

Das ist eine Profilösung und ermöglicht, dass zwischen dem Eingang und Ausgang eines Spannungreglers für jede Ausgangspannung immer gleiche Differenz (z.B. 3V) und die Wärmeentwicklung akzeptabel ist.

Der gesteuerte Gleichrichter dient als Schaltlregler mit geringen Leistungsverlusten.

Suchbegriff beim google ist "controlled rectifier".

MfG

Hat niemand einen Tip zur Kurzschluss-sicherung? Denn ich habe mich umgeschaut aber nichts so rechtes gefunden geschwiege denn verstanden....