Festspannungsnetzteil

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Ein einfaches Festspannungsnetzteil ist bei mir in fast jeder Schaltung als Stromversorgung integriert, es macht also Sinn sich einmal etwas mehr Gedanken darüber zu machen.

Achtung: Der unsachgemäße Umgang mit Netzspannung kann lebensgefährlich sein. Nur erfahrene Bastler sollten sich daher an den Aufbau eines Netzteils wagen. Es sind auf jeden Fall die einschlägigen Sicherheitsbestimmungen (in Deutschland die VDE 0100) zu befolgen.

Grundlagen

Ein Minimum an Theorie muss sein: Ein Netzteil besteht grundsätzlich aus folgenden Komponenten:

  1. Netzanschluss mit Schalter und Sicherung
  2. ggfs. eine Überspannungssicherung
  3. Spannungswandlung
  4. Gleichrichtung
  5. Glättung
  6. Siebung oder Spannungsregelung
  7. Pufferung

Die Theorie dazu findet man anderswo. Allerdings sollte man nichts unbewusst weglassen. Die einfachste Netzteilschaltung baut auf den Festpannungsreglern der Serie 78xx oder 79xx auf und ist trotz des übersichtlichen Schaltungsaufbaus sehr leistungsfähig und nahezu überall unverändert einsetzbar.

Die Grundschaltung ist folgende:

Festspannungsnetzteil.jpg

Wichtig ist die richtige Auswahl der einzelnen Bauteile -- damit wird es dann schnell komplizierter als es aussieht. Das beginnt mit der einfachen Frage: Welche Spannung wird am Ausgang benötigt?

  1. Hier ist die Antwort noch recht einfach: Die Spannung spezifiziert die "xx" bei der Reglerbezeichnung, also bei + 5 V ist es ein 7805, für + 15 V nimmt man einen 7815. Bei negativen Spannungen sollte es unbedingt ein 79xx sein, keinen 78xx falsch beschaltet missbrauchen!
  2. Der maximale Strom (I max) definiert den Reglertyp und damit auch die Bauform. Folgende zwei Typen sind die gebräuchlichsten, man lege sich einfach eine Hand voll davon für die gebräuchlichsten Spannungen (+5V, +12 V, 15 V) auf Lager:
    • 78Lxx / 79Lxx für Ströme bis 0.1 A im TO-92 Gehäuse
    • 78xx / 79xx für Ströme bis 1 A im TO-220 Gehäuse
    • Es gibt auch noch Typen für 0.5, 2, 3 und 5 A, falls erforderlich bitte das Datenblatt für weitere Details konsultieren.
  3. Spannung und Strom definieren auch den Trafo und die Gleichrichterdioden (oder den Brückengleichrichter)
    • Optimal ist ein kurzschlussfester Printtrafo, dessen Ausgangsspannung (min) 3 V über der Ausgangsspannung liegt. Mehr ist nicht sinnvoll, da der Regler die in ihm abfallende Leistung in Wärme umwandeln muss, die Abwärme skaliert also mit Spannungsdifferenz mal Stromentnahme. Die Leistung des Trafos wird in VA angegeben. Dieser Wert sollte über über dem Produkt aus Strom und Spannung liegen
    • Standardgleichrichterdioden bis 50 V (siehe Dioden Selection Guide):
      • 0.1 A: 1N4148
      • 1 A: 1N4001
      • Anmerkung: Bei axialen Dioden trägt die Verdrahtung nicht unwesentlich zur Kühlung bei, nicht zu kurz einlöten.
  4. Die Regler müssen gekühlt werden. Die Kühlung hängt hauptsächlich von der Differenz von Eingangs- und Ausgangsspannung und dem Strom ab. Wird eine Kühlung benötigt, verwende ich mittlerweile einen sehr praktischen und vergleichsweise preiswerten Kühler, der auf den TO-220 aufgeklemmt wird und zudem eingelötet wird. Der ist zwar meist mit 13K/W überdimensioniert, hat aber so viele Vorteile, dass ich mir mittlerweile keine Gedanken mehr über die Kühlungungsberechnung des Spannungsreglers zu machen.
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  5. Zur Glättung muss C1 ausreichend dimensioniert werden, die Spannungstäler dürfen also nicht unter die Ausgangsspannung fallen. Allerdings darf die Kapazität nicht zu groß sein, damit der Wirkungsgrad des Netzteiles nicht zu schlecht wird. Optimal sind Elkos von 470 uF bei Strömen bis 100 mA und 1 A sollte er 4700 uF haben. Die für die Elkos angegebene Spannung sollte mindestens 30 % über der Spitzenspannung liegen.
  6. C2 und C3 sollen Schwingen der Regelschaltung im MHz Bereich unterdrücken. Daher müssen sie sehr nah an den Ein- und Ausgänge des Reglers eingelötet werden. Zudem sollten sie eine geringe Impedanz haben, darum sollten Folienkondensator verwendet werden. Der Kondensator C2 sollte 0.33 uF haben, C3 dann 0.1 uF.
  7. Der Kondensator C4 fängt Strompeaks ab und sollte auch eine geringe Induktivität haben (Tantal Kondensator). Sie können einen Faktor kleiner sein als C1.
  8. Die Sicherung muss der Leistung (auch Blindleistung berücksichtigen!) angepasst werden und dient dazu bei Fehlfunktionen den Stromfluss zu unterbrechen. Sicherung auf der Primärseite des Trafos sollten träge sein, um die Einschaltströme zu ignorieren.

Beispiel: + 15 V Netzteil, benötigt werden Spitzenströme von 300 mA:

  1. Printtrafo: 230 V / 1x 18,6 V, 10 VA
  2. Regler: 7805 mit Kühler
  3. 4x Diode: 1N4001
  4. Sicherung: 300 mA
  5. C1: 2200 uF, 35 V
  6. C2: 10 uF

Bei Lasten, die Spannungspulse erzeugen können (z.B. durch Induktivitäten beim Ausschalten), sollte eine Schutzdiode parallel zum Spannungsregler geschaltet werden, um diesen vor Zerstörung zu schützen.

Es ist sinnvoll am Ausgang einen LED zur Kontrolle anzubringen. Sollte die Sicherung durchgebrannt sein oder ein Kurzschluss vorliegen, kann man es am LED erkennen.

Das Netzteil kann für kleine Ströme recht einfach auf einer Streifenrasterplatine aufgebaut werden. Oft werden 5 V und nur Bruchteile von 1 A für TTL oder Mikrocontroller Schaltungen benötigt. Es ist sinnvoll sich selber den Aufbau der Schaltung auf solch einer Streifenrasterplatine zu standardisieren. Das ist nicht kompliziert und man kommt mit einer Fläche von 5 cm x 10 cm aus, so dass auf eine Europlatine nur ein Viertel für die Stromversorgung benötigt wird.

Praxis

Praktischer Aufbau auf Streifenrasterplatine:

Festspannungsregler.png

Sowohl das Festnetzteil, wie auch das regelbare Netzteil können fast identisch in eine platzsparende "Standardanordnung" gruppiert werden. Den meisten Platz benötigen Trafo und ggfs. der Kühlkörper für den Regler. Ist das gesamte Netzteil mit Trafo in die Schaltung integriert, hat man den Vorteil die Schaltung als Modul schnell und flexibel einsetzen zu können (auch wenn das Modul mal 5 Jahre in der Ecke lag ;-).

Achtung: Die Festspannungsregler 78xx (positiv) und 79xx (negativ) haben unterschiedliche Pinbelegung.

Die Abbildung zeigt den Grundaufbau aus Anreihklemme, Trafo, Gleichrichterdioden, Elkos und Festspannungsregler in der Ecke einer Europlatine:

Festspannungsnetzteil LR1.jpg

Tipps:

  • Alles wird am Trafo ausgerichtet, der auf der 230 V Seite nur noch Platz für Klemmen benötigt.
  • Leitungen um Netzspannungsleitungen wegkratzen und Netzspannungsleitungen kappen (unter Trafo)
  • Diodendrähte versorgen In und 0 (nebeneinander liegene Streifen) des Spannungsreglers
  • Durch den Aufbau können die 5 Leitungen fast nebeneinander abgegriffen werden
  • Drahtbrücken leite die Spannungen in die Leitungen der Platine
  • Der Platzverbrauch auf der Platine wird durch leistungsgerechte Dimensionierung der Bauteile und Verlagerung von Schalter und Sicherung in das Gehäuse minimiert.

Die Kosten der Einzelkomponenten für ein Festnetzteil 5 V / 100 mA liegen übrigens in Summe unter 5 Euro (Stand Feb. 2008: 4,65 Euro, wobei der Trafo davon 3,40 Euro einnimmt).

Geregeltes Dualspannungsnetzteil

Für Operationsverstärker benötigt man eine positive und eine negative Spannung. Soll diese durch 230 V Netzspannung erzeugt werden bietet sich der im Schaltplan gegebene Aufbau an.

DualNetzteil.png

Dies ist das Minimum der Schaltung und kann bei Bedarf noch durch Schutzdioden, Sekundärsicherungen etc ergänzt werden. Der Schalter ist optional, man kann auch die 0 V fest miteinander verbinden.

Bei +- 5 V sollte ein 2x 9 V Trafo verwendet werden, möglichst ein kurzschlußfester. Die Schaltregler können 1 A ab, kommen somit bei einem 10 VA Trafo (0,5 A) nicht an ihre Grenzen. Das reicht für die meisten Schaltungen. Zwei kleine Aufsteckkühlkörper für die Spannungsregler sollte nicht vergessen werden, Achtung: Die Kühlkörper sollten sich nicht berühren.

Am Ausgang ist jeweils ein LED zur Kontrolle des Netzteils sinnvoll (Low Current grün, 4 mA LED mit 1,5k Vorwiderstand).