0 - 400V/22 - 600mA-Netzteil
von Frank Kneifel



ACHTUNG - Bei diesem Projekt wird mit hohen Spannungen gearbeitet, Teile der Schaltung liegen direkt am 230V-Netz.

Es besteht bei unsachgemäßer Handhabung Lebensgefahr!


Zum Basteln mit Röhren ist ein regelbares Hochspannungsnetzteil recht sinnvoll. Da ich noch keines hatte, machte ich mich auf die Suche.
Fertige Geräte liegen in Preisregion, die meine Vorstellungen bei weitem überschreiten, also los auf die Suche nach Bauplänen.
Mir war es dabei egal ob Halbleiter oder Röhren eingesetzt werden.
Also lege ich erst mal die Eckpunkte fest.
Ich begrenze meine Röhren-Projekte möglichst auf 400V. Dabei habe ich dann nicht ein ganz so mulmiges Gefühl, die Isolation ist beherrschbar und die Bauteile sind noch relativ einfach zu beschaffen.
Dabei wäre ein maximaler Ausgangsstrom von mindestens 400mA sinnvoll.
Als nächstes habe ich ein 19"-Leergehäuse mit 23cm Tiefe und 3HE (Höhe 3 * 4,4cm). Da zwei Netzteile in das Gehäuse sollen, ist eine kleine Bauform angesagt.
Fast alle im Netz gefundenen Netzteile sind entweder zu groß oder bringen nicht die geforderte Spannung bzw. Strom.
Ein Netzteil mit 350V/400mA habe ich gefunden, welches sich ohne Probleme auf 400V erweitern lässt.
Jetzt habe ich aber ein anderes Problem.
Nutze ich am Ausgang z.B. 150V/200mA, so muss der Kühlkörper mindestens 50W Verlustwärme (400V - 150V = 250V bei 200mA) verbraten.
Bei zwei Stück in einem Gehäuse kann da einiges zusammen kommen.
Also irgendwie die Verlustleistung begrenzen. Dazu gibt es verschiedene Möglichkeiten.
Schaltnetzteil
Hier wird die 230V-Netzspannung direkt gleichgerichtet und mit einem Zerhacker die Spannung bei hoher Frequenz einem kleinen Trafo zugeführt.
Mit hoher Frequenz kann der Trafo sehr klein ausfallen und über das Verhältnis von Ein- zu Ausschaltverhältnis kann die Ausgangsspannung geregelt werden.
Hiermit kann man im Regelfall die kleinste Bauform erreichen, die Verlustleistung wird auch minimiert.
Vom Entwicklungsaufwand aber sehr hoch und einige Bauteile wie der Trafo sind sehr schwer beschaffbar bzw. herzustellen.

Regeltrafo vor dem Netzteil
In einer Zeitschrift habe ich vor Jahren mal so ein Netzteil gesehen. Hier war das Spannungs-Regelpoti über eine Mechanik mit einem Ringkernregeltrafo gekoppelt.
Über den Ringkernregeltrafo wird die Spannung am Eingang des Längregelnetzteil immer ein paar Volt über der Ausgangsspannung gehalten.
Somit ist die Verlustleistung am Längsregelnetzteil recht gering.
Dazu ist ein zusätzlicher Ringkernregeltrafo erforderlich und auch die mechanische Kopplung zwischen Regeltrafo und Poti ist nicht ohne.

Trafo mit verschiedenen Abgriffen
Hier wird ein Trafo mit verschiedenen Abgriffen genommen und z.B. über eine Relaiskaskade verschiedene Spannungen an den Längsregler angelegt.
Es muss nur eine Regelschaltung für die Relaiskaskade entwickelt werden und eine schon entwickelte Längsregelschaltung angepasst werden.
Nachteilig ist der Spezialtrafo und die doch erhöhte Verlustleistung kurz vor Umschaltung auf den nächst kleinerem Eingangsspannungsbereich.

Triac-Regelung
Hier wird mit einer Triac-Regelung (Dimmer) die Trafospannung immer ein paar Volt über der Ausgangsspannung gehalten.
Damit lässt sich dann über einen Längsregler die Ausgangsspannung verlustarm genau einstellen und regeln.
Dazu kann man einen herkömmlichen Trafo nutzen
So ein Netzteil wurde in der Elektor mal mit 0 - 40V / 0 - 5A vorgestellt.

Die Triac-Regelung mit nachgeschalteten Längsregler sieht am vielversprechensten aus. Geringe Verlustleistung, vom Entwicklungsaufwand händelbar und einfach beschaffbare Bauteile.

Ich habe mich erst mal über den Längsregler her gemacht. In den Sinn kam mir der LM317 mit vorgeschaltetem Transistor.
Diese Schaltung ist günstig und hat hervorragende Regeleigenschaften. Dazu gibt es verschiedene Schaltungen im Netz.
Ein bisschen an meine Bedürfnisse angepasst kam dann diese Schaltung als erster Entwurf heraus.


Der Transistor T1 sorgt dafür, dass die Eingangsspannung am LM317 immer ca. 10V über der Ausgangsspannung liegt.
Der LM317 braucht 5mA Mindestlast um sauber regeln zu können. Deshalb muss die Regelschaltung um R2 und R7 (Poti) recht niederohmig ausfallen.
Die Verlustleistung am Poti ist recht hoch und da Potis mit hoher Belastbarkeit und hohen Werten recht schwierig zu beschaffen sind habe ich mir die Umschaltung der Bereiche mit einem Stufenschalter überlegt.
Damit könnte ich leben.

Als nächstes kommt die Stromregelung an die Reihe. Diese ist im Datenblatt des LM317 zu finden.
An meine Bedürfnisse angepasst kommt dann folgendes raus.


Die Schaltung ist um den Transistor T2, die Dioden D5, D6 und die Widerstände R5 und R6 erweitert.
Die Funktionsweise ist recht einfach, übersteigt der Strom durch R5 und R6 einen Wert, dass ein Spannungsabfall von 0,6V überschritten wird, so fängt T2 an zu leiten und zieht den Regeleingang des LM317 auf Masse.
Da der LM317 eine minimale Ausgangspannung von 1,25V hat, sind die Dioden D5 und D6 eingefügt. Durch diesen Trick lässt sich der Ausgang im Kurzschlussfall auf 0V runter regeln.
R5 bestimmt dabei den Maximalstrom mit R5 = 0,6V : Imax, das Poti R6 bestimmt den Minimalstrom mit R6 = (0,6V : Imin) - R5.

Jetzt gefiel mir aber die Spannungsregelung mit der Bereichsumschaltung nicht mehr so gut, dazu das einfache Poti. Ein Mehrgangpoti wäre hier wünschenswert.
Also mal auf die Schnelle verschiedene Schaltungen auf meinem Steckbrett ausprobiert und dabei kam dann folgendes raus.


Der Transistor T3 ersetzt jetzt das Spannungsregelpoti. Die Schaltung um IC2 sorgt für die Steuerung des Transistors, dabei wird die Eingangsspannung am Pin 3 mit Pin 2 verglichen.
Jetzt kann auch durch Änderung von R11 die Schaltung an die gewünschte maximale Ausgangsspannung angepasst werden.
Zusätzlich habe ich jetzt einen linearen Regelbereich und als Regelpoti kann ein Mehrgangpoti eingesetzt werden.
Es sind zwar einige Bauteile hinzu gekommen, die brauchen aber nur wenig Platz und auch von den Kosten liegt es im begrenzten Rahmen.

Hier noch ein Bild von meinem Testaufbau des Längsreglers.

So, der Längregler ist jetzt nach Wunsch konfiguriert, also auf an die Primärregelung.
Nach Studium verschiedener Bauvorschläge habe ich mich für das Triac-Steuer-IC TCA785 für die Triac-Regelung entschieden.
Ich habe das Datenblatt des Triac-Regel-ICs TCA785 studiert. Es ist auch ein Schaltungsvorschlag für einen Lampendimmer im Datenblatt vorhanden.

Über den Widerstand 4,7kOhm/9W, die Diode 1N4005, die Zehnerdiode 15V und den Elko 470µF/16V wird die Betriebsspannung des TCA785 direkt aus dem 230V-Netz gewonnen.
Über RSYNC und die Dioden BAY61 wird die wird die Netzsyncronisation generiert.
Das Poti mit 10kOhm ist für die Regelung zuständig. Am Pin 11 vom TCA785 ist eine Spannung zur Regelung der Schaltung zuständig. C12 (Pin 12 nach Masse) ist für die Dauer der Zündimpulse zuständig.
Mit der Beschaltung an Pin 9 und 10 kann der Zeitpunkt des Zündimpulses in Abhängigkeit zur Netzsyncronisation eingestellt werden.
Da ich eine Induktivität als Last habe, sind Spannung und Strom phasenverschoben. Wird Pin 12 direkt auf Masse gelegt, so wird der Zündimpuls bis zum Ende der Halbwelle verlängert.
Ich muss nur ein paar Kleinigkeiten ändern:
Die Schaltung habe ich auf meinem Teststeckbrett aufgebaut und um eine Steuerschaltung erweitert.

Zur galvanischen Netztrennung wird der TCA785 über einen Optokoppler angesteuert.
Für eine vernünftige Netztrennung sind zwei Trafos nötig.
Die Schaltung um IC3 vergleicht die Referenzspannung am Pin 2 (gewonnen aus der Betriebsspannung mit dem Spannungsteiler R12 und R14) mit dem Steuereingang X2 über den Spannungsteiler R11 und R13 (Pin 3).
Die Zehnerdiode verhindert eine Beschädigung des ICs bei Spannungsspitzen am Steuereingang X2. C3 sorgt für eine langsame Regelung der Schaltung.

Hier noch ein Bild von meinem Testaufbau der Primärregelung.

Die einzelnen Schaltungsmodule müssen nur noch zusammen gefasst werden.


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Die einzelnen Module sind in der Schaltung zu finden.
Links oben ist die Triac-Ansteuerschaltung, links unten die Regelschaltung dazu.
Rechts oben ist der Längsregler, rechts unten ist die Steuerung des Längsreglers.
Die Spannungsversorgung für die Steuerung des Längsreglers wird von dem DC/DC-Wandler DC1 übernommen. Damit ist eine galvanische Trennung der einzelnen Module realisiert.
Es sind noch einige Bauteile zur Störminimierung wie L1, der Snubber C9 / R14 und die Kondensatoren C10 bis C13 eingefügt
Mit dem Trimmpoti P3 kann der maximale Stellbereich des Potis P3 abgeglichen werden.

Das Triac-Modul schaltet in jeder Halbwelle die Netzspannung zu dem Zeitpunkt an den Netztrafo TRA3, dass der Spannungsabfall am Längsregler immer 12V beträgt. Die Verluste im Netzteil sind stark herab gesetzt.
Ich habe das Netzteil so entwickelt, dass es sich schnell an vohandene Trafos (TRA3) und gewünschte Ausgangsspannungen und Ströme angepasst werden kann.
Die maximale Ausgangsspannung beträgt 400V, sie wird durch die Spannungsfestigkeit der Siebelkos C14, C15, C19, C20 und der Spannungsfestigkeit des Transistors T2 bestimmt.
Der maximale Ausgangsstrom beträgt 1,5A, er wird durch den LM317 bestimmt.
Ich nutze einen 300V/1A Ringkerntrafo von Markus (www.tubeland.de), damit komme ich auf eine Ausgangsspannung von 400V und einen Ausgangsstrom von 600mA (bestimmt durch den Stromregelshunt R15).

Ich rechne mal schnell die Verluste im Netzteil durch:
Das macht zusammen maximal 14,91W. Und es ist egal ob ich eine Ausgangsspannung von 400V oder 150V nutze.
Bei 100mA Last am Ausgang beträgt die Verlustleistung sogar nur 8,91W. Selbst bei voller Ausnutzung des Netzteils mit 1,5A beträgt die maximale Verlustleistung 25,71W.
Diese Verluste sind mit einem relativ kleinen Kühlkörper leicht abzuführen.

Die Platine hat mich zwar einige Tage Arbeit gekostet, dafür reicht eine Fläche von 100mm * 160mm.

Zum Vergrößern auf Bild klicken.

Die unter- und rechts oberhalb von dem Spannungsregler IC2 liegenden Lötpads sind zur Abnahme einer 15V-Hilfsspannung vorgesehen. Damit kann z.B. ein Realais geschaltet werden.
An diesen Pads steht eine Spannung von 15V mit maximal 60mA zur Verfügung.

Die Mindestabstände der mit dem 230V-Netzspannung verbundenen Leiterbahnen betragen 2,5mm zum Rest der Schaltung.
Bei der Gehäuseform der Transistoren habe ich die Gehäuseform TO218 gewählt, da deren Pad-Abstand größer ist. Die Anschlussbeine der Transistoren müssen passend nachgebogen werden.
Die Transistoren, der Triac und der LM317 müssen isoliert auf dem Kühlkörper befestigt werden.
Die 230V-Leiterbahnen von den Anschlussklemmen zum Triac TR1 sollten mindestens dick verzinnt, evtl. mit Kupferdraht verstärkt werden.
Sonst könnte im Kurzschlussfall nicht nur die Sicherung auslösen sondern auch die Leiterbahn verdampfen.
Die Verzinnung erhöht die thermische Trägheit (Wärmeaufnahmekapazität) der Leiterbahn, veringert den ohmschen Widerstand aber nur geringfügig.
Bei Sicherungen über 1A sollte die Leiterbahn mit einem Kupferdraht verstärkt werden.
Empfehlenswert ist auch ein zusätzlicher Netzfilter vor das Netzteil zu setzen. Abhängig vom verwendeten Trafo können doch recht hohe Störspitzen entstehen.

Für die ICs IC4 und IC6 können sowohl der TL081 als auch der TL061 eingesetzt werden.
Ein weiterer Gesichtspunkt ist der Längsregeltransistor T1. In meinem Netzteil ist es der IRF840. Dieser sollte nur bis maximal 500mA Ausgangsstrom verwendet werden.
Es besteht sonst die Gefahr, dass bei einem Kurzschluss am Ausgang und voller Ausgangsspannung von 400V der SOA-Bereich (Verlustbereich) des Transistors überschritten wird und er dabei in die ewigen Jagdgründe eingeht.
Entweder ist ein zweiter MOSFET parallel zu schalten oder stärkere Typen wie z.B. der IRFP450 zu wählen.
Es besteht auch die Möglichkeit einen IGBT wie den IKW25N120 (Reichelt, 5,60€) einzusetzen. Dieser sollte auch einen Kurzschluss am Ausgang bei 400V ohne Probleme überstehen.
Ausprobiert habe ich es aber nicht, für den Einsatz anderer Transistoren ist das Datenblatt genau zu studieren.

Nun zu den Anpassungsmöglichkeiten der Schaltung.
Die Strombegrenzung wird durch den Widerstand R15 und dem Poti P1 bestimmt. Der maximaler Ausgangsstrom berechnet sich aus 0,6V : R15 = Imax, der minimale Ausgangsstrom berechnet sich aus 0,6V : (R15 + P1) = Imin.
Der Spannungsregelbereich wird durch R25 festgelegt und berechnet sich aus R25 = (Uaus * 10kOhm : 6V) - 10kOhm.
Hier wird der nächste Widerstand aus der R12-Reihe genommen, Feinabgleich erfolgt über dem Trimmpoti P3.
Große Freiheit hat man auch mit dem Spannungsregelpoti P2. Dieses kann einen Wert von 1kOhm bis 100kOhm haben. Der Widerstand R17 muss nur den gleichen Wert wie das Poti haben.

Alle Bauteile lassen sich bei Reichelt und Conrad beschaffen, hier beträgt der Preis 73,07€ (ohne Netztrafo TRA3).
Nimmt man z.B. andere Anschlussbuchsen und findet andere Bezugsquellen, kann man den Bauteilepreis auch auf 50€ senken.
Die Elkos C14 und C15 (470µF/450V 105°) habe ich z.B. für 1,95€ bei eBay erstanden.
Wählt man eine kleinere Ausgangsspannung, so kann die Spannungsfestigkeit der Elkos C14, C15, C19, C20 kleiner gewählt werden.
Ebenso kann bei kleineren Ausgangsströmen die Kapazität der Kondensatoren C14 und C15 verkleinert werden, die Kapazität von C14 und C15 zusammen sollte ca. 100µF pro 100mA Ausgangsstrom haben.

Bei dem Netzteil gibt es große Möglichkeiten in der Wahl der maximalen Ausgangsspannung und des maximalen Ausgangsstroms und das Ganze zu einem angemessenen Bauteilepreis.

Hier noch ein paar Bilder von meinem Testaufbau auf Platine.




Zum Abschluss noch die kompletten Unterlagen wie Schaltplan, Bestückungsplan, Platinenlayout (als PDF und Eagle-Datei) und Bauteileliste: Alle Unterlagen als ZIP-Archiv

Eine aktualisierte Baubeschreibung (als .doc - File), die ein paar Verbesserungsmöglichkeiten aufzeigen, sandte Frank mir nun zu.

Zum Schluss noch ein paar Messungen:

Hier ein Oszi-Bild an der Buchse X3 bei 100V Ausgangsspannung und zwei in Reihe geschaltete 60W-Glühlampen als Last.

Da die Sieb-Elkos C14 und C15 etwas überdimensioniert sind, erfolgt bei der Last ein lückender Betrieb. Das läßt sich mit meinem billigen PC-USB-Scope nur ungenügend darstellen.

Als nächstes ein Oszi-Bild an der Buchse X3 bei 200V Ausgangsspannung und zwei in Reihe geschaltete 60W-Glühlampen als Last.

Hier ist der schaltende Betrieb gut zu erkennen.

Und jetzt ein Oszi-Bild von der Spannung an der Eingangsbuchse X1 bei 200V Ausgangsspannung und zwei in Reihe geschaltete 60W-Glühlampen als Last.

Der Snubber parallel zum Triac (C9 + R14) und die Drossel am Eingang filtern die größten Störungen heraus. Viele industriellen Schaltnetzteile bringen mehr Störungen in 230V-Netz.

Zum Schluss noch ein Oszi-Bild an der Buchse X3 bei 300V Ausgangsspannung und zwei in Reihe geschaltete 60W-Glühlampen als Last.

Dieses Bild gibt den schaltenden Betrieb noch besser wieder.

Für geringere Ausgangsspannungen konnte ich keinen sinnvollen Messschrieb aufzeichnen. Der Triac wurde nur ab und zu gezündet, es lag lückender Betrieb vor.
Aber auch damit war die Ausgangsspannung absolut konstant.

Ich habe noch einen Lastwechseltest mit zwei zusätzlichen in Reihe geschalteten 60W-Glühlampen durchgeführt. Am Oszi konnte ich keine Änderung der Ausgangsspannung feststellen.
Es ist kein Einbrechen der Spannung zu beobachten, die Ausgangsspannung bleibt auch auf das Volt genau stabil.
Wünschenswert wäre zwar ein Lastwechseltest von 10% auf 90% Last, dafür fehlen mir aber die Mittel (Lastwiderstände) in meiner Bastelkiste. Und extra Widerstände dafür kaufen war mir doch etwas zu teuer.
Der Lastwechseltest mit den Glühlampen gibt schon eine gute Stabilität wieder.