Ein einfaches Labornetzgerät

Zur Grundausstattung jedes Hobbylabors gehört ein geregeltes Netzgerät. Diese gibt es in den unterschiedlichsten Leistungsklassen zu kaufen oder können als recht umfangreiche Selbstbauprojekte erstellt werden. Möchte man in das interessante Feld der Elektronik einsteigen, so ist der Selbstbau eines Netzgerätes wegen der Netzspannung nicht ganz ungefährlich und sollte nur dann angegangen werden, wenn man sich in der Ausführung dieser Schaltkreise auch auskennt. Ein Netzgerät stellt nämlich eine Schutzkleinspannung (SELV) bereit und verlangt dazu eine verstärkte oder doppelte Isolierung zwischen dem Netzstromkreis und dem Ausgangsstromkreis. Als Transformator darf nur ein Sicherheitstransformator nach VDE eingesetzt werden. Um hier absolut auf Nummer Sicher zu gehen, verwenden wir einen Transformator, einer vielleicht längst stillgelegten Modelleisenbahn oder Rennbahn. Der Trick dabei ist, dass man den kritischen Netzspannungsteil mit Transformator, Netzschalter und Sicherung einfach durch solch einen Spielzeugtransformator realisiert. An diese Transformatoren werden sehr hohe Sicherheitsanforderungen gestellt. Erkennen können Sie solch einen Transformator an seiner speziellen Kennzeichnung als Spielzeugtransformator.

Zusätzlich haben diese Transformatoren üblicherweise eine eingebaute Strombegrenzung und sind dadurch Kurzschlussfest. Verwendet man einen Transformator einer Modelleisenbahn, so hat dieser mitunter zwei Ausgänge. Einen mit einer festen Spannung von üblicherweise 16V~ (gedacht für Weichen und Beleuchtungen) und einen weiteren Ausgang dessen Spannung einstellbar ist. Dieser Ausgang wird je nach Modell eine Wechselspannung oder eine ungesiebte Gleichspannung liefern. Beide Ausgänge sind für unsere Schaltung geeignet, wenn auch der einstellbare einige Vorteile bietet, wie wir noch sehen werden.

In vielen Fällen reicht ein Netzgerät mit einer einstellbaren Ausgangsspannung im Bereich von ca. 2 ...15V bei max. 1A Ausgangsstrom für die ersten Basteltätigkeiten aus. Solch ein Gerät kann man sich sehr leicht mit einigen Standardbauteilen selbst bauen.

Die 230-V-Netzspannung wird mittels Transformator in eine kleinere Wechselspannung transformiert und dann durch einen Brückengleichrichter in eine Gleichspannung gewandelt. Der nach dem Brückengleichrichter angeordnete Siebkondensator glättet die Gleichspannung. Würde man diese Gleichspannung für den Betrieb von elektronischen Schaltungen verwenden, so würden zwei Punkte Probleme bereiten: Erstens ist die Spannung nicht einstellbar, sondern ergibt sich aus dem Übersetzungsverhältnis des Transformators und der Netzspannung. Zweitens wird sich die Spannung in Abhängigkeit von der Eingangsspannung und vom Laststrom ändern. Um dem abzuhelfen, verwendet man ein geregeltes Netzgerät. Dies sieht so aus, dass nach dem Gleichrichter und der Siebung ein Längstransistor folgt, der über eine Regelelektronik so angesteuert wird, dass die Ausgangsspannung kleiner als die unstabilisierte Gleichspannung ist und nahezu unabhängig von Eingangsspannungs- und Lastschwankungen wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Regelung die Ausgangsspannung mit einem Sollwert vergleicht. Ist die Ausgangsspannung zu klein, so steuert die Regelung den Längstransistor so an, dass er leitender wird, ist die Ausgangsspannung zu hoch, so nimmt die Regelung die Ansteuerung etwas zurück, so dass der Transistor weniger stark leitet.
In diesem Zusammenhang ist noch zu beachten, dass bei einer kleinen Ausgangsspannung und einem großen Ausgangsstrom viel Verlustleistung am Längstransistor entsteht. Bei kleinen Ausgangsspannungen währe es daher günstig, wenn die Sekundärspannung des Transformators ebenfalls klein ist. Leistungsstarke Netzgeräte verwenden daher Transformatoren mit unterschiedlichen Sekundärwindungen, die immer nur nach Bedarf zugeschaltet werden.

Einstellbarer Festspannungsregler

Solch eine komplette Regelschaltung verbirgt sich im Baustein LM317. Mit einem Widerstand und einem Potentiometer lässt sich damit leicht ein geregeltes Netzteil bauen.

Die Schaltung besteht aus einem Brückengleichrichter mit nachgeschaltetem Siebkondensator und dem LM317. Der LM317 arbeit so, dass er die Spannung zwischen seinem Ausgang und dem ADJ Pin auf 1,25 V regelt. Somit fließt durch den 220 Ohm Widerstand ein Strom der nach dem Ohmschen Gesetz 5,7 mA beträgt (I =U/R). Dieser Strom fließt zusammen mit einem kleinen Betriebsstrom der aus dem ADJ Pin des LM317 herausfließt über das Potentiometer nach Masse. Je nach eingestelltem Widerstand am potentiometer ergibt sich ein mehr oder weniger großer Spannungsabfall daran und somit eine einstellbare Ausgangsspannung. Sie berechnet sich: UOut = 1,25 V * (1 + P1/R1)

Am Ein- und Ausgang des Spannungsregler wird jeweils noch ein 100 nF Kondensator zur Schwingneigungsunterdrückung gesetzt und schon ist unsere Schaltung fertig.

Jetzt muss nur noch der Spielzeugtransformator mit dem Brückengleichrichter verbunden werden und die geregelte Spannung für die ersten Elektronikversuche steht bereit.

Wie oben schon erwähnt, ist es völlig egal, ob der Transformator schon einen Gleichrichter integriert hat oder nicht. Durch den Brückengleichrichter spielt die Polarität keine Rolle. Stellt der Transformator eine einstellbare Spannung bereit, so hat man zusätzlich den Vorteil, die Eingangsspannung für den Regler der Ausgangsspannung anzupassen.

Hierzu ein kleines Rechenbeispiel:

Wenn man eine Ausgangsspannung von 12 V einstellt, so muss die Regler Eingangsspannung mindestens 15 V betragen, damit dieser sauber regeln kann. Entnehmen wir dabei unserer Schaltung z.B. 1 A an Strom, so wird im Regler eine Leistung von 3 W [P = U*I; 3 W = (15 V-12 V) * 1 A] in Wärme umgesetzt. Damit dabei unser Regler nicht zu heiß wird, müssen wir ihn auf einen kleinen Kühlkörper schrauben. Was passiert aber, wenn wir am Ausgang nur 3V benötigen? Dazu stellen wir die Ausgangsspannung mit P1 auf 3V ein, schließen unseren Lastwiderstand an und lassen wieder einen Strom von 1 A fließen. Alles bestens, nur jetzt wird unser Regler ganz schön ins Schwitzen kommen. Bei 15V Eingangs- und 3 V Ausgangsspannung ergeben sich satte 12 W Verlustleistung im Regler, was schon einen ganz ordentlichen Kühlkörper verlangt.
Für die Dimensionierung des Kühlkörpers gehen wir zur Sicherheit von einem Eingangswert mit 20 V aus. Wenn nun am Ausgang nur 2 V eingestellt werden, müssen wir bei 1 A mit 18 W Verlustleistung rechnen. Der thermische Widerstand des Systems berechnet sich zu:

Demnach muss der thermische Widerstand Rthja = (125°C - 50°C)/18W also Rthja < 4,1K/W sein.

Der thermische Widerstand des LM317 im T0220 Gehäuse beträgt 4 K/W zwischen Sperrschicht und Gehäuse. Demnach darf unser Kühlkörper nur noch einen thermischen Widerstand von 0,1K/W haben. Dies ist natürlich technisch nicht machbar, es sei denn wir montieren den LM 317 auf einem riesigen Kühlkörper.

Aber wir haben ja unseren Spielzeugtransformator bei dem wir die Spannung problemlos auf 6V einstellen können, so dass sich auch bei einer Ausgangsspannung von 2V gerade einmal 4 W Verlustleistung ergeben (bei 1A).

Zusatzschaltung als Einstellhilfe zur Verlustleistungsbegrenzung
Mit einer kleinen Zusatzschaltung lässt sich eine einfache optische Kontrollanzeige realisieren, die einem anzeigt, wann die Eingangsspannung ausreichend groß ist und auf der anderen Seite nicht zu groß ist.

Wenn die Eingangsspannung ca. 4 V größer als die Ausgangsspannung ist, leitet die 3,9 V Z-Diode und schaltet über den Transistor die grüne LED ein. Ist die Eingangsspannung ca. 6 V größer als die Ausgangsspannung so wird über die 6,8 V Z-Diode auch noch der zweite Transistor angesteuert und die rote Leuchtdiode leuchtet und signalisiert eine (unnötig) zu hohe Eingangsspannung.

Mit dieser kleinen Trickschaltung kann man sich sein erstes Netzgerät bauen und dabei gleich einiges zu Verlustleistung, Kühlkörperdimensionierung usw. erarbeiten. Solange die grüne LED leuchtet und die rote LED nicht, wird bei max. 1 A Laststrom ein Kühlkörper mit Rth = 8 K/W ausreichen.