13,8V / 15A aus einem PC-Schaltnetzteil

Sicherheitshinweis

Achtung Lebensgefahr: Die nachfolgende Schaltung arbeitet am 230 VAC Wechselstromnetz. Aufgrund der Gleichrichtung liegt an einigen Komponenten eine Gleichspannung von mehr als 322 VDC an. Arbeiten an der Schaltung sind nur im spannungslosen Zustand auszuführen. Beachten Sie, dass die Kondensatoren auf der Primärseite auch nach dem Abschalten der Netzspannung noch für einige Sekunden hohe Spannungen führen.

Nachteilig bei den üblichen Netzteilen mit linearen Stellgliedern ist die hohe Verlustleistung, das grosse Volumen und ein dementsprechendes Gewicht. Auf der Suche nach einer Alternativen entschied ich mich für den Einsatz eines Schaltnetzteils. Der Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen liegt bei 70 % bis 90 % mit einer Leistungsdichte von bis zu 0,2 W / cm³. Da ein Selbstbau aus Zeitgründen nicht in Frage kam, versuchte ich es einmal mit der Modifikation eines PC-Schaltnetzteils. Netzteile für Sockel 7 Boards sind Massenware und für weniger als 50 DM erhältlich.

Abb.1: Blockschaltbild eines primär getakteten Schaltnetzteils

Kurzbeschreibung des PC-Schaltnetzteil

PC-Netzteile sind je nach Ausführung für eine Ausgangsleistung von 150 bis 240 W ausgelegt. Zur Versorgung von Sockel 7 Motherboards verfügen sie über vier verschiedenen Ausgangsspannungen von +5 V, +12 V, -12 V und -5 V. Es sind in der Regel primär taktende Netzteile, bei denen die Leistungschalter Q1 und Q2 als Halbbrücke angeordnet sind. Die Ausgänge liefern die üblichen 20 A (+5 V), 8 A (+12 V) und 0,5 A (-12 V , -5 V). Bei einem mittleren Wirkungsgrad von 75 % und rund 205 W Ausgangsleistung entstehen nur 68 W Verlustleistung. Die von mir umgebaute Netzteilplatine (no-name Produkt) hat die Abmessungen 140 x 100 x 5 mm (L,B,H) und ein Gewicht von 350 g. Schaltungtechnisch arbeiten die meisten PC-Netzteile nach dem gleichen Prinzip (Halbbrücken-Konfiguration). Die nachfolgend beschriebene Modifikation dürfte daher auch auf PC-Netzteile von anderen Herstellen übertragbar sein.

Abb.2: Leistungschalter in einer Halbbrücken-Konfiguration

Allgemeine Funktionsweise

Nach dem Anlegen der Netzspannung arbeitet die Schaltung kurzzeitig als freilaufender Oszillator. Diese Verhalten wird durch eine auf dem Übertrager T2 aufgebrachte Rückkopplungswicklung erreicht. Sobald jedoch die Hilfsspannung Uaux aufgebaut ist übernimmt der PWM-Schaltkreis TL494CN von Texas-Instruments die Kontrolle und synchronisiert den "Oszillator".
Der als PI-Regler beschaltetet Operationsverstärker im TL494 vergleicht die Spannung am +5 V Hauptausgang (Istwert) mit einer Referenzspannung (Sollwert) und bildet daraus die analoge Stellgrösse für den Puls-Dauer-Modulator im IC (siehe Abb. 6). Der Modulator gibt abwechselnd Steuerimpulse an die Treibertransistoren Q5 und Q6. Die Zeitdauer der Impulse ist umgekehrt proportional zur Stellgrösse. Bei Belastung des +5 VAusgangs werden die Impulse breiter und bei Entlastung schmaler. Da nur endlich schmale Impulse möglich sind, ist am Ausgang ein Mindestlaststrom von 0,1 A erforderlich. Ohne Last besteht die Gefahr der Zerstörung des Netzteils. Die für PC-Netzteile übliche Schaltfrequenz beträgt etwa 33 kHz. Sie wird mit den an Pin 5 und 6 von IC1 angeschlossenen Komponenten festgelegt.

Abb. 3: Primärseitiger Gleichrichter, Leistungschalter und Treiberstufe

Das original PC-Netzteil verfügt über diverse Überwachungen. Bei zu hohem Primärstrom, z.B. aufgrund eines zu hohen Sekundärstroms entsteht am Ausgang von T3 eine entsprechend hohe Wechselspannung. Wenn die Spannung einen festgelegeten Grenzwert überschreitet schaltet das Steuer-IC sofort ab und geht in einen intermittierenden Betrieb über. Die Schaltung bzw. die Last ist ebenfalls gegen Überspannung am +5 V Ausgang oder einem Kurzschluss am -12 V bzw. -5 V Ausgang geschützt. Auch hierbei wird per H-Signal am Protect-Eingang (Pin 4) von IC1 abgeschaltet.
Falls auf einer Netzteilplatine ein KA7500- oder ein IR3MO2 Steuer-IC auftaucht, handelt es sich um eine pinkompatible Second-Source zum TL494CN. Bei IC3 handelt es sich um ein Komperatoren vom Typ LM339. Einige Netzteile sind nicht mit diesem IC sondern mit einer aus zwei Transistoren diskret aufgebaute Überwachungsschaltung mit gleicher Funktionalität ausgestattet.


Modifikation der sekundärseitigen Gleichrichterschaltung

Ziel der Modifikation ist es, die gesamte Leistung von 205 W oder wenn möglich mehr, über den +12 V Abgriff des Transformators T1 abzunehmen. Eine kurze Prüfung ergab, dass diese Wicklung zum Glück die gleiche Drahtstärke wie die des +5 V Abgriffs hatte.
Zuerst werden alle auf der Sekundärseite des Transformator angeordneten Komponenten für die Gleichrichtung, Siebung und Stabilisierung der vier Ausgangsspannungen ausgelötet. Es bleiben lediglich die drei RC-Glieder RC1 bis RC3 und die Bauteile zur Erzeugung der Hilfsspannung Uaux auf diesem Teil der Platine erhalten.

Abb.4: Sekundärseitige Gleichrichterschaltungen des unveränderten PC-Netzteils

Neugestaltung der Sekundärseite.

Die beiden Leiterbahnen zwischen den RC-Glied RC1/RC2 und den beiden Anschlüssen der +5 V Wicklung von T1 durchtrennen.

Drossel L4 für 20 A ertüchtigen. Dazu L4a, L4b und L4c vom Ringkern abwickeln (Windungen von L4c dabei zählen). L4_neu bekommt nun nur noch eine Lage mit der der gleichen Anzahl von Windungen wie zuvor L4*, jedoch mit 2,5-fachem Drahtquerschnitt (zwei Drähte mit 1 mm Durchmesser bifilar gewickelt).

Zwei induktionsarme Siebkondensatoren von je 2200 uF und den 100 Ohm Lastwiderstand zur Sicherstellung der Grundlast einlöten.

Als Stützpunkte für L4*, den 100 Ohm Widerstand und die beiden 2200 uF Kondensatoren werden die alten Leiterbahnen des +5 V Zweiges und die GND Bahnen verwendet. L4* auf der Bestückungsseite dort einlöten, vorher die L4b Wicklung angeschlossen war.

Die bestehende Kühlung der Gleichrichterdiode D5 ist unzureichend. Abhilfe bringt hier ein Rippenkühlkörper von 70 x 50 x 30 mm (L,B,H) anstelle des einfachen Aluminiumblechs.

D5 isoliert auf einen Rippenkühlkörper festschrauben und die drei Anschlüsse mit 4 cm langen Drähten verlängern. D5 trägt auf machen Platinen die Bezeichnung SKD.

Den Kühlkörper ca. 4 cm über T1 und dem "abgestrippten" Teile der Platine (siehe Foto) mit Hilfe von Plastik-Abstandshaltern und langen M3 Schrauben befestigen.

Die beiden anodenseitigen Anschlussdrähte von D5a und D5b mit je einem RC-Glied (RC1, RC2) verbinden. Den kathodenseitigen Anschluss an den Knotenpunkt von RC1, RC2 und L4 anschliessen.

Mit kurzen, dicken Drähten zwei Verbindungen zwischen den 12 V Abgriffen von Trafo T1 und den RC-Gliedern erstellen. D5 wird dadurch von der 12 V Wicklung aus gespeist.

Nach dem "Abstrippen" und der "Wiederherstellung" ergibt sich ein einfacher und übersichtlicher Aufbau der sekundärseitigen Gleichrichterschaltung.

Abb. 5: Neu gestaltete Sekundärseite für Ua=13,8 V

Modifikationen der Regelung und Schutzschaltung

In dem für die Regelung und Überwachung zuständigen Schaltungsbereich muss an drei Stellen umdimensioniert werden. Zusätzlichen Bauteile können freistehend auf der Bestückungsseite der Platine angeordnet werden.

R24* ist für eine Ausgangsspannung von 13,8 V berechnet. Im ausgeregelten Zustand muss am (+) Eingang des Regler OPs die halbe Referenzspannung (Uref / 2 = 2,5 V) anstehen.

R24* = 20 kOhm = 2 x 10 kOhm in Reihe

In Reihe mit D16 sind eine zweite Universaldiode 1N4148 und eine 8,2 V Zener-Diode anzuordnen.

Uges = 8,2 V + 2 x 0,7 V = 9,6 V

Den aus R36, R42, R45 und D14 bestehenden Spannungsteiler der Kurzschluss-Überwachung vereinfachen. Das freie Ende von R42 an Masse (GND) anschliessen. R45 so dimensionieren, dass im Normalbetrieb keine Abschaltung erfolgt. Dazu muss die Spannung am heissen Ende von R42 kleiner als 1,7 V sein (gewählt wurden 1,2 V).

R45*=15 kOhm

Die gestrichelt umrahmten Bereiche in der nachfolgenden Abbildung zeigen die umdimensionierten oder neu hinzugekommenen Komponenten für eine Ausgangsspannung von 13,8 V.

Abb. 6: Regelung und Schutzschaltung inkl. der Modifikationen

Sonstige Modifikationen

In bezug auf hochfrequente Störungen sah es nach der Inbetriebnahme der ersten modifizierten Platine an einem Transceiver sehr schlecht aus. Der gesamte Empfangsbereich von 3,5 MHz bis 30 MHz war durch Oberwellen der Schaltfrequenz gestört; alle 33 kHz lag eine Störträger. Das S-Meter zeigte im 80 m Band S5 an und im 10 m Band immerhin noch S2. Da die Platine für den Test bereits in ein allseitig geschlossenes Metallgehäuse eingebaut war, konnte die HF-Abstrahlung nur über das Netzkabel oder über das DC-Anschlusskabel erfolgen. Ein zusätzliches Standard-Netzfilter auf der 230 V Seite und ein Eigenbau-PI-Filter vor dem 13,8 V Ausgang reduzierten die Störungen auf eine unhörbares Mass.

Einbau eines zusätzlichen Netzfilters für 230V / 2A auf der Primärseite direkt dort wo das 230 V Netzkabel ins Gehäuse eintritt.

Einbau eines PI-Filters für Ia=20 A am DC-Ausgang, unmittelbar dort wo das DC-Kabel das Gehäuse verlässt.

Das Netzteilgehäuse muss zur Abschirmung von Magnetfeldern unbedingt aus Eisenblech bestehen; Aluminiumblech schirmt nur die elektrischen Felder ab.

Optional auf der Primärseite : Ein Austausch der 220 uF Siebkondensatoren gegen Kondensatoren mit 470 uF bringt eine Verringerung der primärseitigen Brummpannung; was sich besonders bei grosser Last positiv auf die Regelung auswirkt.



Inbetriebnahme des 13,8 V Funk-Netzteils

Die ersten Test sind mit einer geringen DC-Versorgungsspannung auszuführen um bei eventuellen Fehlern keine Bauteile zu zerstören. Der 13,8 V Ausgang wird mit einer 12 V / 50 W Halogenlampe belastet und ein +15 V / 1 A Labornetzteil an GND und Uaux angeschlossen. Der TL494 erhält dadurch seine Betriebsspannung und erzeugt Steuerimpulse mit der maximal möglichen Impulsbreite. An der Basis von Q3 und Q4 sollte jetzt ein sauberes Rechtecksignal zu sehen sein.
Im zweiten Teil des Tests wird der galvanisch getrennte Primärbereich der Schaltung ebenfalls vom Labornetzteil aus versorgt. Dazu werden zwei kurze Drähte zwischen Uaux und U+ sowie GND und U- gelegt. Das IC ist bemüht den Ausgang auf 13,8 V zu bringen, kann es aber aufgrund der geringen Versorgungsspannung nicht schaffen. Die mit einem Oszilloskop gemessen Signale am Testpunkt TP1 (Emitter Q1 gegen Emitter Q2) und am Testpunkt TP2 (Kathode D5 gegen GND) sollten wie folgt aussehen:

Abb. 7: Signale am den Testpunkten

Im dritten Testabschnitt wird das Labornetzteil wieder von U+ und U- abgetrennt und stattdessen der AC-Eingang von einem 230 / 48 VAC Transformator versorgt. Die Spannung an den Ladekondensatoren C1 und C2 beträgt dann ca. 60 VDC und gilt damit noch als ungefährliche Funktionskleinspannung. Die 48 VAC Versorgung des Primärteils bewirkt einen Anstieg der Ausgangsspannung auf +6 VDC.

Wenn bis dahin alles in Ordnung ist kann man alles für den spannenden Test mit 230 VAC vorbereiten. Das Labornetzteil und alle für den Test angeschlossenen Leitungen müssen selbstverständlich abgeklemmt werden. Die 12 V / 50 W Lampe wird dagegen als Last und zur Funktionskontrolle weiterhin benötigt. Wenn nach dem Anlegen der 230 V Netzspannung die Lampe hell leuchtet, die Ausgangsspannung 13,8 V beträgt und keine undefinierten Geräusche oder Gerüche wahrnehmbar sind hat man die erste Runde gewonnen. Falls sich in der Schaltung ein durch den Vortest nicht erkennbarer Fehler eingeschlichen hat, verabschieden sich in der Regel die beiden Schalttransistoren und die Schottky-Diode mit einem mehr oder weniger lauten Knall.

Für den nun folgenden Belastungstest werden einige Hochlastwiderstände mit einem Gesamtwiderstand von ca. einem Ohm und entsprechender Leistung benötigt. Der bei dieser Last fliessende Strom sollte während einer Testzeit von 5 Minuten keine übermässige Erwärmung der Gleichrichterdiode und der Schalttransistoren bewirken.

Achtung: Temperatur von Komponenten nur im spannungslosen Zustand prüfen.

Für einen Dauerstrom von 15 A muss in jedem Fall die Kühlung der Schalttransistoren Q1 und Q2 verbessert werden. Es ist bei einem Austausch der kleinen Kühlbleche zu beachten, dass diese bei einigen Netzteilplatinen die elektrische Verbindung zwischen Leiterbahnabschnitten bilden. Fehlenden Verbindungen müssen daher durch Drahtstücke ersetzt werden. Wie im Foto zu sehen ist, habe ich auf die Massnahme zur weiteren Leitungserhöhung verzichtet.

Betriebserfahrungen

Die modifizierte Platine fand ihren entgültigen Platz im Stationslautsprecher SP120. Die Rückwand des Gehäuses trägt den Netzschalter, AC-Filter, Sicherungen, DC-Buchsen, den Knickschutz und einen 12 V kleinen Lüfter. Für die Betriebsanzeige (grüne LED) erhielt die Frontplatte eine 5 mm Bohrung. Es stellte sich heraus, dass der vorsorglich eingebaute Lüfter aufgrund der im praktischen Funkbetrieb (SSB / CW ) nur geringen Erwärmung der Bauteile überflüssig ist. Das Netzteil läuft seit mehrern Jahren störungsfrei.

Abb. 8: Modifizierte Netzteilplatine im SP120 Lautsprechergehäuse eingebaut

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