Elektronisch stabilisiertes Universal- Netzgerät

Elektronisch stabilisiertes Universal- Netzgerät UHM 3 für die Bereiche 0 bis +400 V und 0 bis -200 V

Dieser Artikel wurde mir freundlicherweise vom Detlef Boeder zugesandt, entnommen aus einer Funkschau-Ausgabe von 1964, Heft 15. Author dieses Artikels : Helmut Meyer.

Elektronisch stabilisierte Netzgeräte finden in der Werkstatt, im Labor und beim mateur zunehmend Eingang. Durch die Unabhängigkeit der Ausgangsspannung von Belastungs- und Netzspannungsänderungen und wegen der fast vollständigen Freiheit von Restwelligkeit sind sie hervorragend geeignet, funktechnische und elektronische Geräte sowie Versuchsschaltungen zu speisen. Ihre Anwendbarkeit ist um so vielseitiger, in je weiteren Grenzen sich die stabilisierte Spannung einstellen läßt.
Um auch Transistorschaltungen versorgen zu können, sollte die Ausgangsspannung möglichst bis herab auf null Volt einstellbar sein. Dies bedeutet an sich keine Schrwierigkeit, doch haben stabilisierte Netzgeräte mit größerem Regelbereich oft den Nachteil, daß mit abnehmender Spannung die Belastbarkeit sinkt. Nachstehend wrd ein Gerät beschrieben, das trotz seines weiten Spannungsbereiches nahezu gleichbleibend 250 mA abgeben kann.

Eigenschaften des Gerätes
Um die positive Spannungsquelle bei jeder Einstellung von 0 bis 400 V praktisch gleich stark belasten zu können, wurden für sie drei umschaltbare Bereiche vorgesehen.
Der erste Bereich erstreckt sich von 0 bis 140 V, der zweite von 130 bis 270 V und der dritte von 260 bis 400V. Innerhalb dieser Bereiche läßt sich die gewünschte Spannung mit einem Potentiometer einstellen. Die negative Spannung kann mit einem zweiten Potentiometer durchgehend von 0 bis 200 V verändert werden.
Wie aus den Kennlinien in Bild 2 hervorgeht, beträgt die Belastbarkeit des positiven Teils fast lückenlos 250 mA. Lediglich bei Ausgangsspannungen von etwa 17 V an abwärts geht der zulässige Strom bis auf 220 mA zurück.
Im negativen Teil können von 200 V bis herab zu 120 V 90 mA entnommen werden, unter 120 V entsprechend weniger. Dieser Strom reicht in der Praxis völlig aus, da man den negativen Teil hauptsächlich für Gitterspannungen benutzen wird.

Die Belastbarkeit des Gerätes bei den verschiedenen Ausgangsspannungen wurde aus der vom Strom abhängigen Spannung am Siebkondensator im Gleichrichterteil und aus der zulässigen Verlustleistung der Längsröhren ermittelt. Für die drei Längsröhren PL 500 des positiven Teils sind insgesamt 48 W statthaft, für die Längsröhre PL 84 des negativen Teils 13,75 W.
Die Spannung am Siebkondensator als Funktion des Stromes in den einzelnen Bereichen ist aus Bild 3 zu ersehen.

Durch geeignete Bemessung der Schaltelemente wurde erreicht, daß die Stabilisierung etwas überkompensiert ist. Dies bedeutet, daß die Ausgangsspannung mit zunehmendem Strom geringfügig steigt und nicht, wie an sich zu erwarten wäre, abnimmt. Der Anstieg ist im Verhältnis zur jeweils eingestellten Spannung im gesamten Bereich von 0 bis 400 V etwa gleichbleibend und beträgt maximal 3,3 Promille, (Bild 4).

Der Zweck der Überkompensation geht aus Bild 5 hervor. Dort ist gezeigt, um welchen Faktor sich die Ausgangsspannung bei den verschiedenen Strömen in ihrem Sollwert ändert, wenn Netzspannungsschwankungen von ± 10% auftreten. Ohne Überkompensation wären die Abweichungen wesentlich größer als höchstens + 0,7 bzw. - 2,3 Promille.

Zum Messen der Spannungsabweichungenwurde nach Bild 6 mit der Ausgangsspannung des Netzgerätes eine stabilisierte Gegenspannung von etwas geringerem Wert in Reihe geschaltet.

Die Änderung der sich ergebenden Differenzspannung bei Belastung und bei Änderung der Netzspannung durch einen Stelltransformator konnte im kleinsten Spannungsbereich eines Vielfachinstrumentes dann leicht abgelesen werden.
Die Restwelligkeit beträgt im gesamten Bereich von 0 bis 400 V bis zu einer Belastung von etwa 150 mA nahezu konstant 8 mV_SS. Bei Strömen zwischen 150 und 250 mA steigt sie maximal bis auf etwa 40 mV_SS. Dieser Höchstwert wurde jedoch selbst unter Vollast nur in den oberen Teilen der drei Bereiche gemessen. Unterhalb der jeweils letzten 15 bis 20 V ist die Brummspannung wieder kleiner, weil mit abnehmender Ausgangsspannung die Anodenspannung der Längsröhren zunimmt, wodurch die Stabilisierung verbessert wird.
Bezogen auf die Ausgangsspannung ist also nach höheren Spannungswerten zu am wenigsten Welligkeit vorhanden. So macht eine Brummspannung von beispielsweise 10 mV_SS bei 200 V Gleichspannung nicht mehr als 0,05 Promille aus. - Die Welligkeit der negativen Spannung ist etwa um den Faktor 2 kleiner.
Die Ausgangsspannung wird von einem Voltmeter mit einem Meßbereich von 0 bis 400 V angezeigt. Es kann von der positiven auf die negative Spannung umgeschaltet werden. Zur Strommessung im positiven Teil wurde ein Milliamperemetei mit einem Bereich von 0...250 mA vorgesehen.
Außer den stabilisierten Gleichspannungen gibt das Netzgerat zwei unstabilisierte Wechselspannungen von je 6,3 V ab. Jede ist bis zu 5 A belastbar.

Wirkungsweise
Die Grundschaltung der zwei Stabilisatoteile ist in Bild 7 wiedergegeben. Der positive und der negative Teil unterscheiden sich lediglich durch die Werte der glimmstabilisierten Hilfsspannungen und durch die Typen der verwendeten Längsröhren.

Die in Klammern stehenden Angaben gelten für den Stabilisator mit der gegen Masse negativen Ausgangsspannung.
Die vom Siebkondensator des Gleichrichterteils kommende, unstabilisierte Eingangsspannung UE gelangt auf die Anode der Längsröhre und wird als stabilisierte Ausgangsspannung UA an der Kathode abgenommen. Es besteht also die Beziehung :
U_A = U_E - Anodenspannung der Längsröhre.
Zur Erklärung der Wirkungsweise sei angenommen, daß die Spannung U_A infolge erhöhter Stromentnahme oder infolge Rückgangs der Netzspannung ein wenig sinke. Hierdurch wird die Gitterspannung der Steuerröhre EF 80 um einen entsprechend kleineren Betrag, der sich aus dem Teilerverhältnis der Widerstände R 1, P und R 2 ergibt, negativer. Dies hat zur Folge, daß der Anodenstrom der Röhre EF 80 und damit auch der Spannungsabfall am Widerstand R 7 abnimmt. Abnehmender Spannungsabfall an R 7 bedeutet jedoch nichts anderes als ein Positivwerden des Steuergitters der Längsröhre, da dieses über die Widerstände R 6 und R 7 mit dem Pluspol der Eingangsspannung in Verbindung steht.
Der Innenwiderstand der Längsröhre und ihre Spannung Anode - Kathode gehen demnach zurück, so daß die Ausgangsspannung wieder auf den zuvor eingestellten Wert steigt. Die gewünschte Stabilisierung ist also erreicht. Weicht die Spannung U_A aus irgend einem Grunde nach oben vom Sollwert ab, so arbeitet die Regelung in umgekehrtem Sinn. Darüber hinaus gleicht die Automatik auch weitgehend die am Eingang vorhandene Welligkeit aus.
Um die Brummspannung am Gitter der Steuerröhre voll wirksam werden zu lassen und sie so ausgangsseitig am stärksten zu unterdrücken, wurde der Kondensator C 1 vorgesehen. Er läßt die 100-Hz-Restwechselspannung nahezu ungehindert zum Gitter gelangen. Sie braucht daher nicht wie die langsameren Schwankungen ihren Weg über die Widerstände des Spannungsteilers zu nehmen, wo sie entsprechend abgeschwächt würde.

Die soeben beschriebene Rückwärtsregelung wird von einer Vorwärtsregelung noch unterstützt. Diese arbeitet über den Widerstand R 5 und läßt die Änderungen der Eingangsspannung ebenfalls am Gitter der Steuerröhre wirksam werden. R 5 besitzt einen solchen Wert, daß die Stabilisierung ein wenig überkompensiert erfolgt.

Das Potentiometer P dient zum Einstellen der Ausgangsspannung. Je weiter man den Schleifer nach "oben" zu bewegt, desto mehr nimmt der Anodenstrom der Steuerröhre zu und die Spannung U_A ab. Beim Bereichswechsel werden die Widerstände R 1, R 2, R 5 und die Anodenwechselspannung des Netztransformators umgeschaltet. Durch das Umschalten der Transformatorspannung wird erreicht, daß die von der Längsröhre zu übernehmende Spannung U_E - U_A auch bei kleineren Ausgangsspannungen keine allzu hohen Werte annimmt. Man könnte sonst das Netzgerät nicht fast im gesamten Bereich mit 250 mA belasten, ohne die zulässige Anodenverlustleistung zu überschreiten. - Der Kondensator C 2 ist ein zweiter Siebkondensator.

Die glimmstabilisierten Hilfsspannungen werden als Vergleichsspannungen für die Steuerröhre benutzt. Sie halten die Kathode und das am Glimmstabilisator liegende Ende des Widerstandes R 2 auf festem Potential gegenüber der Minusleitung der Ausgangsspannung, die den Bezugspunkt der gesamten Schaltung bildet. Das Gitter der Steuerröhre kann daher nur von den Spannungen U_E und U_A beeinflußt werden und nicht von den Versorgungsspannungen, die für diese Röhre erforderlich sind.

Die Schaltung
Der Netztransformator besitzt zwei Anodenwicklungen, davon eine mit 2 x 200 / 300 / 400 V für den positiven Teil und die andere mit 2 x 250 V für den negativen.
Die Anodenspannungen werden durch die Siliziumdioden Gl 1...Gl 4 und durch die Selengleichrichter Gl 7, GI 8 in Doppelwegschaltung gleichgerichtet. Diese Schaltungsart ermöglicht es, die Wicklungen gleichzeitig zum Erzeugen der negativen Hilfsspannungen zu benutzen. Hierzu dienen die Selengleichrichter Gl 5, Gl 6, Gl 9 und Gl 10.
Den Siliziumdioden sind jeweils ein Widerstand von 680 kW und ein Kondensator von 4,7 nF parallel geschaltet. Die Widerstände bewirken eine gleichmäßige Spannungsverteilung auf die in Reihe liegenden Dioden während der Sperrphase.
Den Kondensatoren kommt die Aufgabe zu, Spannungsspitzen von den Siliziumgleichrichtern fernzuhalten, die durch den sogenannten Trägerstaueffekt auftreten können. Man versteht darunter die Erscheinung, daß beim Übergang von der Durchlaß- zur Sperrphase die im Kristallinneren noch vorhandenen Ladungsträger nicht augenblicklich neutralisiert werden, sondern unter dem Einfluß der jetzt mit umgekehrter Polung anliegenden Spannung zunächst einen zusätzlichen Sperrstrom hervorrufen. Sobald diese Ladungsträger dann aus dem Kristallgefüge abgewandert sind, reißt der erhöhte Sperrstrom plötzlich ab. Hierdurch können in den Induktivitäten des Stromkreises Spannungsspitzen entstehen.
Für die Anodenspannungen wurde LC-Siebung vorgesehen (D1, C 2 und D 2, C 4). Parallel zur Drossel D 1, die mit 18 H eine verhältnismäßig große Induktivität besitzt, liegt ein Widerstand von 1 kW. Er bewirkt, daß bei schnellen Belastungsänderungen vom Ausgang her keine unerwünscht hohe Selbstinduktionsspannung an der Drossel auftritt. Für die Hilfsspannungen reichen RC-Siebglieder aus, da sie nur gering belastet und außerdem noch glimmstabilisiert werden. - Die Parallelwiderstände zu den Kondensatoren C 2, C 4, C 7 und C 8 sind Entladewiderstände.
Der Stabilisator für die positive Spannung ist mit drei parallel geschalteten Längsröhren der Type PL 500 bestückt. Ihre Steuergitter sind durch 1-kW-Widerstände voneinander entkoppelt.
Die Röhren arbeiten als Trioden. Um dabei jedoch die Schirmgitter nicht zu überlasten, ist ihnen jeweils ein 100-W-Widerstand zur Strombegrenzung vorgeschaltet. Die gleiche Maßnahme wurde bei der Längsröhre PL 84 des negativen Teils getroffen. Sowohl die PL 500 als auch die PL 84 sind für Stabilisierungszwecke sehr gut geeignet, da sie bei kleinen Anodenspannungen noch verhältnismäßig große Anodenströme leiten. Hierdurch ergibt sich eine relativ geringe Anodenverlustleistung, so daß man im positiven Teil mit nur drei Längsröhren auskommt.
Zum Umschalten der Spannungsbereiche dienen die Schalter S 1a...S 1e, die von einer gemeinsamen Achse aus betätigt werden. Die Bereichsgrenzen hängen von den Werten der sechs Widerstände ab, die Zu den Schaltern S 1c und S 1e führen. Diese Widerstände müssen daher genau bemessen sein. Nötigenfalls wird man sie ausprobieren. Um die hohen Megohm-Werte zu bekommen, die im Zweig der Vorwärtsregelung benötigt werden (60, 20, 30 M>W), schaltet man mehrere Einzelwiderstände in Reihe. Die gezeichnete Schalterstellung gilt für den Bereich 0...140 V.

Der Spannungsbereich des negativen Teils wird durch die Widerstände 390 kW und 180 kW bestimmt, die am Potentiometer P 2 liegen. Ihre Werte müssen unter Umständen ebenfalls korrigiert werden.
Für die Potentiometer P 1 und P 2 wurde eine Belastbarkeit von 0,8 W gewählt, die an sich nicht notwendig ist. Größere Potentiometer besitzen jedoch eine bessere Einstellgenauigkeit.
Die stabilisierten Spannungen führen über die Schalter S 4 und S 5 zu den Ausgangsbuchsen. Um die jeweiligen Schaltzustände leicht erkennen zu können, wurden zwei Signalglimmlampen Sl 2 und Sl 3 vorgesehen, die gleichfalls durch die Schalter betätigt werden. Zum Speisen der Lampen wird die 200-V-Wicklung des Netztransformators benutzt.

Die Leitungen a und b stehen mit der Primärwicklung des Heiztransformators in Verbindung, der in Bild 9 dargestellt ist.

Alternativ kann eine der beiden 6,3-Volt-Ausgangswicklungen gegen eine 12-Volt-Wicklung, mit jeweils einer 4- und einer 5-Volt-Anzapfung, aufgebracht werden. Somit hätte man wesentlich mehr Möglichkeiten, verschiedene Röhrentypen anschließen zu können.
Hierzu werden anstatt den 23 Windungen 45 Windungen aufgebracht; die erste (4-Volt-) Anzapfung erfolgt bei der 14. Windung, bei der 18. Windung erfolgt der 5-Volt-Anschluß. Um den Platz auf dem Wickelkörper für die zusätzlichen Windungen zu erhalten darf der Draht hierbei nicht mehr, wie bei der 6,3-Volt-Wicklung, 1,5 mm dick sein - er muß auf 1,2 mm verringert werden was aber immerhin noch einer Stromstärke von ~ 3 Amp. entspricht.

Es sind vier getrennte Heizkreise erforderlich, da die Längs- und die Steuerröhren verschiedenes Kathodenpotential haben. Um die Heizfäden nicht "schweben" zu lassen, sondern ihnen ein definiertes Potential zu geben, ist jede Heizwicklung zugleich an die Kathode angeschlossen. Die beiden 6,3-V-Wicklungen mit je 5 A Belastbarkeit führen an Buchsen auf der Frontplatte des Gerätes.
Wickeldaten und Kerngröße des Heiztransformators gehen ebenfalls aus Bild 9 hervor.

Aufbau und Verdrahtung
Zum Aufbau des Gerätes wurde ein Leistner-Gehäuse Nr. 4as verwendet. Es besitzt die Abmessungen 440 mm x 210 mm x 210 mm und ist bereits vom Hersteller ausreichend mit Entlüftungslöchern versehen.
Die Anordnung der Bauteile auf der Frontplatte (Schalter, Potentiometer, Instrumente, Buchsen, Signallampen, Sicherungen, Netzkabeleinführung) ist aus dem folgenden Bild ersichtlich.

Zur Montage der Potentiometer und des Bereichsschalters wurde ein 3 mm starkes Aluminiumblech 60 mm x 200 mm benutzt. Es wird über vier Abstandsrollen aus Messing von der Frontplatte entfernt gehalten. Die Rollen sind je 20 mm lang, haben einen Durchmesser von 8 mm und ein Innengewinde M 3.
Die übrigen Bauelemente sind auf dem Chassis und auf dem unteren Teil der Chassis-Seitenwände befestigt. Ihre Lage ist aus den Bildern 10 und 11 zu erkennen.

Die MP-Kondensatoren C 1 und C 2 müssen ihrer Höhe wegen in das Chassis eingelassen und mit Laschenspannbändern angeschraubt werden.
Um an den Seitenwänden des Gestells keine Wärmestauung entstehen zu lassen, wurden sie oberhalb des Chassis mit Entlüftungslöchern versehen. - Unterhalb des Gehäuses befinden sich vier Gummifüße.
Zum Verdrahten wurde Schaltdraht 0,8 mm SUL benutzt. Die Heizleitungen bestehen aus 1 mm SUL.

Im Muster verwendete Spezialteile
1 Stufenschalter 6 x 3 (S 1a ... S1e), Mayr, A 163
3 Glimmlampen, 220 V, mit eingebautem Widerstand (Sl 1...S1 3), ERG, ZGL 200
2 Skalenscheiben, 0...270°, Mentor, Nr. 15 601 U, GS 5316 b
4 Siliziumdioden (G11...G14), SSi CO 375
8 Flachgleichrichter (Gl 5...Gl 10), E 250 C 50; Gl 5 und Gl 6 - jeweils 2 Stück in Reihe
2 Potentiometer, 250 kW, 0,8 W (P 1, P 2)
2 MP-Kondensatoren, 16 µF, 630 V (C 1, C 2)
1 MP-Kondensator, 8 µF, 830 V (C 6)
6 MP-Kondensatoren, 8 µF, 400 V (C 3...C 5, C 7...C9)
1 MP-Kondensator, 4 nF, 400 V (C 10)
1 Drehspul-Spannungsmesser, 0 - 400 V (M 1), Neuberger, VqD 72
1 Drehspul-Strommesser, 0 - 250 mA (M 2), Neuberger, VqD 72
1 Drossel, 120 mA, 4 H (D 2), Görler, D 522

Die Drossel D 1, der Heiz- und der Netztransformator wurden selbst gewickelt.
D 1 = 3025 Wdg., 0,4 CuL auf Kern M 102 / 35 (M102a) mit Luftspalt 0.5 mm (L = 18 H, R - 76 W).
Heiztransformator s. Bild 9.
Netztransformator : Primärwicklung = 495 Wdg. 0,6 CuL;
Wicklung 2 x 200 / 300 / 400 V = 2 x 472 / 236 / 236 Wdg. 0,3 CuL (Windungen von der Mitte ausgehend zwischen den jeweiligen Anzapfungen gezählt);
Wicklung 2 x 250 V = 2 X 590 Wdg. 0,18 CuL;
Kern = M 102 / 52 (M102b).

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