Betriebsspannungserzeugung für den Amateurcomputer "AC1" (1 u. 2)

S. HENSCHEL - Y22QN

Um den Amateurcomputer "AC1" nach [1] auch für Portableeinsätze, wie z.B. RTTY-Feldtage, zur Contestabrechnung oder bei öffentlichen Veranstaltungen nutzen zu können, wenn kein Netzanschluß vorhanden ist, wurde ein Schaltregler entwickelt, der alle zum Betreiben des "AC1" erforderlichen Spannungen liefert. Für Netzbetrieb kann ein einfaches, unstabilisiertes Netzgerät) das etwa 12 V Gleichspannung bei 3 A Belastung abzugeben vermag, verwendet werden. Als Schaltregler wurde ein Durchflußwandler ausgewählt, der durch den Ansteuerschaltkreis für Schaltnetzteile ­ B 260 D - angesteuert wird. Dieser Schaltkreis besitzt mehrere Schutzschaltungen, damit wird für den Schaltregler eine hohe Betriebssicherheit erreicht. Ein zusätzlicher Überspannungsschutz schaltet den Schaltregler ab, sobald eine Ausgangsspannung über einen maximalen Wert ansteigt. Damit ist der Rechner gegen Überspannungen geschützt.

Stromlaufplan Schaltregler (Bild 1)

Der Grundbaustein für die Ansteuerung des Schaltreglers ist der Ansteuerschaltkreis B 260 D für Schaltnetzteile. Dieser Schaltkreis besitzt neben dem Generator und dem Impulsbreitenmodulator zur Steuerung des Schalttransistors noch einen Regelverstärker sowie eine temperaturkompensierte Referenzspannungsquelle. Bei Ausnutzung der integrierten Schutzschaltung im B 260 D ist eine hohe Zuverlässigkeit des gesamten Schaltreglers garantiert. Der Schaltkreis besitzt Schutzschaltungen für

Die Taktfrequenz des Sägezahngenerators läßt sich mit R4 und C3 in weiten Grenzen variieren. Im vorliegenden Fall wurden etwa 25 kHz Taktfrequenz als günstiger Wert gefunden. Weitere Einzelheiten zur IS B 260 D sind in [2] bis [4] enthalten.
Der B 260 D liefert am Stift 14 positive Impulse zur Steuerung des Schalttransistors. Ein zwischengeschalteter Treibertransistor (VT1) liefert den erforderlichen Basisstrom für VT2. Um ein schnelles Durchschalten von VT2 zu ermöglichen, sollte R9 möglichst klein und R10 möglichst groß sein. Für ein schnelles Ausräumen der Basis von VT2 während der Sperrphase muß R10 möglichst klein sein. Die angegebene Dimensionierung stellt einen Kompromiß zwischen einen vertretbaren Kollektorstrom in VT1 und einem schnellen Ausräumen der Basis von VT2 dar. Für den Wandlertrafo wurde ein Topfkern 36 x 22 aus Manifer 163 ausgewählt (AL-Wert = 680 nH). Die Windungszahlen sind Tabelle 1 zu entnehmen. Beim Wickeln ist auf feste Kopplung aller Sekundärwicklungen zu achten, d.h., alle vier Sekundärwicklungen sind parallel zu wickeln. Für die Primärwicklung kann man anstelle des relativ dicken Drahtes auch eine Kupferlitze gleichen Querschnittes verwenden.
Die nachfolgenden Gleichrichterstrecken und Siebglieder weisen keine Besonderheiten auf. Für die Regelung der Ausgangsspannung wird die Plus-5-V-Spannung als größte belastete Spannung benutzt. Über R7, der ein hochwertiger Einstellregler sein sollte, wird sie dem Regelverstärker in der B 260 D zugeführt. Der Durchflußwandler überträgt während der Flußphase Energie. Infolge der festen Kopplung der Sekundärwicklungen untereinander ändern sich alle Ausgangsspannungen etwa gleich, wobei aber jeder Ausgang mit mindestens 20 % des Nominalwertes belastet sein muß. Bei einem unbelasteten Ausgang läuft die Ausgangsspannung hoch.
In Bild 2 ist die mit dieser Schaltung erreichbare Stabilität der einzelnen Ausgangsspannungen bei Belastungsschwankungen und bei Änderung der Versorgungsspannung aufgetragen. Da die Belastung durch den Amateurcomputer "AC1" relativ konstant ist und die Ausgangsschwankungen unter ±5 % liegen, ist der vorgestellte Schaltregler für den vorgesehen Verwendungszweck einsetzbar. Der Gesamtwirkungsgrad liegt bei etwa 62 %, die maximale sekundäre Dauerlast sollte 25 W nicht überschreiten. Kurzzeitige Belastungen bis 35 W sind möglich. Die Speisung des Schaltreglers aus dem Netz bzw. aus einem Akku zeigt Bild 3; der Ladeelko besteht dabei aus mehreren parallelgeschalteten 2200-µF-Elkos.

Aufbau des Schaltreglers

Der Aufbau des Schaltreglers kann auf einer Lochraster-Leiterplatte oder in konventioneller Verdrahtung erfolgen. VT1, VT2 und VD3 sind mit entsprechenden Kühlkörpern zu versehen. Die Verdrahtung ist nach HF-Gesichtspunkten auszuführen, d.h. es sind kurze Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Bauelementen sowie großflächige Masseverbindungen anzustreben. Alle Bauelemente des Eingangs (IS1, VT1, VT2 und C4) müssen eine Massefläche haben. Die Bauelemente der Sekundärseite (C7...C12 und C15...C17) sind ebenfalls großflächig zu erden und beide Massepunkte großflächig miteinander zu verbinden. Als Elkos ist induktionsarmen Typen (Schaltnetzteil-Elkos) der Vorzug zu geben. Stehen derartige Ausführungen nicht zur Verfügung, können kurz eingelötete Normalelkos in liegender Ausführung zum Einsatz gelangen. Eventuell sind mehrere Elkos kleiner Kapazität, wie am Beispiel C15/C16, zur Verringerung der Zuleitungsinduktivitäten parallelzuschalten.
Zur Verringerung der Störstrahlung ist der gesamte Schaltregler nach Bild 1 in ein Metallgehäuse einzubauen. Alle Ein­ und Ausgänge zum Schaltregler sind über Durchführungskondensatoren geführt. An einem derart aufgebautem Muster wurde in 1 m Meßentfernung die in Tabelle 2 angegebene Störstrahlung gemessen, wobei alle Ausgangsspannungen mit ohmschen Widerständen nach Bild 2 belastet waren. Bild 4 zeigt den Versuchsaufbau auf einer Rasterleiterplatte. Der Schaltregler besitzt die Abmessungen 100 mm x 150 mm x 35 mm. Bei einem gewählten Aufbau und der vorgebenen Belastung stellten sich am Schaltregler nach 5stündigem Dauerbetrieb folgende Temperaturen ein:

Die starke Erwärmung der Gleichrichterdioden tritt durch die großen Umschaltverluste bei der benutzten Schaltfrequenz von 25 kHz auf. Eine Verringerung der Schaltfrequenz läßt die Verluste im Wandlertrafo ansteigen. Außerdem müßten die Siebmittel vergrößert werden.

Inbetriebnahme

Die Inbetriebnahme erfolgt mit ohmschen Belastungswiderständen. Die Spannungen sind wie folgt zu belasten:

R7 ist so einzustellen, daß der Schleifer an +5 V liegt, bei R8 liegt der Schleifer am Masseanschluß. Am Pin 14 von IS1 wird ein Oszillograf angeschlossen. Beim Anlegen der Betriebsspannung (12,5 V) erscheinen am Pin 14 Rechteckimpulse. Bei U_e < 10,2 V setzen diese Impulse aus. U_e auf 17,5 V erhöhen und R6 so einstellen, daß die Impulse aussetzen. U_e auf 10,5 V einstellen und den Oszillograf am Kollektor von VT2 anschließen. R8 so weit aufregeln, bis VT2 bei angegebener Belastung voll durchgesteuert wird (auf minimale Kollektor-Emitter-Restspannung) abgleichen.
Beim Auftreten eines starken Überschwingens am Kollektor von VT2 ist die Primärwicklung von T1 falsch gepolt, der Schaltregler arbeitet als Sperrwandler, besitzt einen schlechten Wirkungsgrad und die Ausgangsspannungen sind nicht stabil. Mit R7 Spannung +5 V auf Sollwert einstellen, eventuell R8 korrigieren. U_e auf 12,5 V einstellen und alle Ausgangsspannungen kontrollieren. Treten starke Abweichungen auf, so sind zuerst die Gleichrichterdioden (VD1 bis VD4) zu überprüfen, eventuell ist bei der zugehörenden Wicklung eine Windung zu- oder abzuwickeln. Ist eine Ausgangsspannung nicht stabil, so liegt eine Falschpolung der Wicklung vor und die Leistung wird in der Sperrphase übertragen. Die entsprechende Sekundärwicklung ist dann umzupolen. Durch Variieren der Eingangsspannung zwischen 11 V und 16 V ist die Funktionstüchtigkeit der Regelschaltung zu überprüfen.

Überspannungsschutz

Zum Vermeiden einer Überlastung der Schaltkreise des Amateurcomputers "AC1" durch Überspannung wurde eine Schutzschaltung entwickelt, die beim Ansteigen nur einer Spannung über einen vorgegebenen Sollwert, oder bei Fehlen der Spannung -5 V den Schaltregler abschaltet. Die Steuerung des Schaltreglers erfolgt über den Fernsteuereingang (Pin 10 an IS1). Bild 5 zeigt eine Realisierungsvariante. Der Fernsteuereingang in der IS B 260 D sperrt den Schaltregler, sobald die Eingangsspannung unter +0,8 V abfällt. Dieses Schaltverhalten wird für die Überspannungsschutzschaltung ausgenutzt.
Im Ruhezustand, d.h., alle Spannungen besitzen ihre Sollwerte, ist die Thyristornachbildung VT1/VT2 gesperrt. Über VD1, R2, VD2 und R1 fließt aus der Versorgungsspannung des Schaltreglers ein geringer Strom (etwa 1 mA) und hebt über R1 den Steuereingang auf ein Potential über +2 V an. Dadurch ist der IS aktiv. Überschreitet z.B. die geregelte +12-V-Ausgangsspannung den Wert der Durchbruchsspannung der Z-Diode (VD4) so weit, daß die Basis-Emitter-Spannungen VT3 so weit überschritten wird, daß VT3 durchsteuert, wird die Basis von VT1 negativ, VT1 zieht Kollektorstrom und steuert über R3 VT2 durch. Dieser leitet und hält das Basispotential von VT1 auf negativem Potential. Das Emitterpotential von VT1 beträgt etwa +1,4 V, VD2 ist gesperrt und der Steuereingang der IS B 260 D liegt über R1 an Massepotential. Die IS ist inaktiv und der Schaltregler abgeschaltet. Da VD1 an die Versorgungsspannung angeschlossen ist, zeigt sie bei durchgeschaltetem Thyristor (VT1/VT2) den Störungsfall an.
Nach Abschalten der Versorgungsspannung verlischt VD1, VT1 und VT2 sperren, und die Schaltung ist wieder aktiv. Beim Überschreiten einer negativen Spannung wird die Durchbruchspannung von VD5 bzw. VD6 überschritten und VT4 schaltet kurzzeitig durch und startet die Thyristornachbildung. Laut Datenblatt der Schaltkreishersteller kann ein Ausfall der -5-V-Betriebsspannung ein Zerstören von Schaltkreisen zur Folge haben. Aus diesem Grund wurde noch eine Schutzschaltung mit R9, R10 und VT5 eingesetzt, die den Schaltregler bei Nichtvorhandensein der -5-V-Spannung über VT5 abschaltet.
Dieser Überspannungsschutz kann unabhängig vom Schaltregler in Betrieb gesetzt werden. Ein Abgleichen auf die erforderlichen Abschaltspannungen erfolgt durch Aussuchen entsprechender Z-Dioden. Die Abschaltspannung ergibt sich aus der Z-Spannung der Z-Diode bei einem Diodenstrom von etwa 1 mA und der Basis-Emitter-Spannung, die zum Durchsteuern des Transistors erforderlich ist (etwa 0,7 V). Der Aufbau ist unkritisch und kann auf einer Lochrasterplatte erfolgen.

Betriebsspannungsanzeige

Zur Überwachung des Vorhandenseins der einzelnen Betriebsspannungen ist es möglich, die +12-V-Spannung und die -12-V-Spannung über Widerstandsnetzwerke mit der +5-V-Spannung zu verknüpfen und ähnlich wie bei der -5-VSpannung den Schaltregler abzuschalten, sobald eine Spannung nicht vorhanden ist. Eine optische Anzeige über einzelne Leuchtdioden ist auch möglich. Bild 6 zeigt eine einfache Betriebsspannungsanzeige mit nur einer Leuchtdiode (LED), die nur leuchtet, wenn alle Betriebsspannungen vorhanden sind.
Die Spannung +5 V dient als Bezugsspannung. Ist sie nicht vorhanden, arbeitet der Schaltregler nicht. Eine IS D 110 D liefert die logische Verknüpfung und zeigt über VD10 das Vorhandensein aller Betriebsspannungen an. Die Schaltung weist keine Besonderheiten auf. Der Schaltkreis ist durch Schutzdioden (VD7 bis VD9) vor zu hohen positiven oder negativen Eingangsspannungen geschützt.

Literatur

77 KByte	68 KByte	73 KByte	27 KByte
Titelbild	Bild 1	Bild 2	Bild 3

78 KByte	56 KByte	41 KByte	32 KByte
Bild 4	Bild 5	Bild 6	Tabelle 1

26 KByte	79 KByte
Tabelle 2	Lochrasterplatte