3.2.7 Hochwertige Spannungsregler mit Standardbauteilen

[Beispiel aus dem "Das Netzteil- und Konverterhandbuch" von Jörg Rehrmann, 180 Seiten, DIN A4, 39,80 Euro, jetzt bestellen]

Will man z.B. ein hochwertiges Labornetzteil mit einer Eingangsspannung über 50 Volt bauen, sind die Grenzen der gebräuchlichen Regler-ICs bereits überschritten. Auch das Herunterstellen der Ausgangsspannung bis auf null Volt ist mit diesen ICs nicht möglich. Mit normalen Operationsverstärkern und diversen diskreten Bauteilen lassen sich solche Regler aber leicht aufbauen.

Bild 3.2.7: Schaltbeispiel eines Labornetzteiles mit hoher Leistung

In Bild 3.2.7 ist ein solcher Regler zu sehen. Zunächst erzeugt ein IC-Spannungsregler eine 25 Volt Betriebs- und Referenzspannung für den Kleinsignalteil des Reglers. Mit P1 wird über R4 eine positive Vorspannung auf den nicht invertierenden Eingang des linken Operationsverstärkers, dessen invertierender Eingang auf Massepotential liegt, gegeben. Dadurch liegt am Ausgang und an der Basis von T1 etwa 25 Volt. Am invertierenden Eingang des rechten Operationsverstärkers liegt eine mit P2 einstellbare Referenzspannung von 0 bis etwa 6 Volt. Ist noch keine Ausgangsspannung vorhanden, liegt der Verstärkerausgang praktisch auf Massepotential. An R11 kann jetzt eine Spannung bis zu 20 Volt abfallen, was einem Emitter und Kollektorstrom von 20 mA in T1 entspricht. Dieser Strom fließt über R10 auch durch R 8, an dem dann eine genügend hohe Spannung abfällt, um die MOSFETs durchzuschalten. Die Ausgangsspannung steigt jetzt so lange an, bis die mit dem Spannungteiler R12-R13 geteilte Spannung genau der mit P2 eingestellten Referenzspannung entspricht. Die Schaltung arbeitet im Prinzip als einfacher Leistungsverstärker mit 10-facher Spannungsverstärkung. Wird der Ausgang belastet, fließt ein Strom durch den Widerstand R7. Dieser Strom bewirkt eine negative Spannung an R5. Wird die Summe dieser negativen und der mit P1 eingestellten positiven Vorspannung negativ, geht die Ausgangsspannung des linken Operationsverstärkers auf null zurück. Dadurch wird T1 und alle folgenden Transistoren gesperrt. Je höher die mit P1 eingestellte Vorspannung ist, desto höher ist der Strom, der zur Kompensation bzw. zum Ansprechen der Strombegrenzung nötig ist. Diese Strombegrenzung ist wesentlich genauer, als die des µA 723. Außerdem kann man an den Ausgang des Stromreglers-OPs noch eine Low-Current-LED hängen, die anzeigt, daß die Strombegrenzung eingesetzt hat. Da die Stromregelung relativ langsam reagiert, ist noch eine "Schnellabschaltung" eingebaut, um die Leistungstransistoren wirksam zu schützen: Bei einem schnellen Stromanstieg, z.B. in Folge eines plötzlichen Kurzschlusses, steigt die Spannung an R 7 bis zur Schwellspannung des Transistors T 1, der dann die Basisspannung von T 2 kurzschließt und diesen sofort sperrt. Dadurch wird der langsamere Regelverstärker überbrückt, bis die Stromregelung wieder einsetzt.

Vorraussetzung für die Funktion der Schaltung mit einer einfachen Betriebsspannung ist, daß die Eingänge der Operationsverstärker noch arbeiten, wenn das Eingangsspannungspotential mit der negativen Betriebsspannung des ICs übereinstimmt. Der LM358 ist ein Standardtyp, der noch einwandfrei arbeitet, wenn dies der Fall ist. Bei den hier angegebenen Werten von 0-60 Volt und 0--5 Ampere kann das Netzteil eine Leistung von ca. 300 Watt abgeben. Im Fall eines Kurzschlusses bei maximalem Ausgangsstrom muß diese Leistung allerdings in den Transistoren T3-T12 verheizt werden. Diese 10 P-Kanal-MOSFETs vom Typ IRF9530 können problemlos parallelgeschaltet werden. Lediglich die Gates müssen zur Unterdrückung der HF-Schwingungen mit je einem Widerstand entkoppelt werden. Die Parallelschaltung so vieler preiswerter Transistoren ist auf jeden Fall billiger als die Verwendung einzelner sehr teurer Hochleistungstransistoren. Das Kühlblech muß reichlich bemessen und ggf. mit einem Lüfter versehen werden (Wärmewiderstand max. 0,2 K/W).

Weiterhin ist zu beachten, daß das Netzteil normalerweise mit einem Netztrafo und nachgeschaltetem Brückengleichrichter mit Siebelko versorgt wird. Wenn also bei Vollast immer mindestens 60 Volt anliegen sollen, wird die Leerlaufspannung deutlich höher liegen (80-90 Volt). Da die Transistoren bis zu 100 Volt sperren können, sollte das für die Schaltung jedoch kein Problem sein. Falls die Eingangsspannung größer als 100 V werden kann, sollten 200-V-Transistoren vom Typ IRF9630 verwendet werden. Im Normalfall wird die Spannung unter 100 Volt liegen. Für den Trafo würde ich einen mit 60 V, 350 VA empfehlen. Der Gleichrichter sollte für min. 6 A ausgelegt sein und muß gekühlt werden ( 2-3 K/W). Der Siebelko wäre mit 10000 µF / 100 V gut dimensioniert.

[Beispiel aus dem "Das Netzteil- und Konverterhandbuch" von Jörg Rehrmann, 180 Seiten, DIN A4, 39,80 Euro, jetzt bestellen]

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