Netzteil mit LM2575

Netzteil mit LM2575 Schaltwandler und Led-Anzeigen für Spannung und Stromstärke
0-24V 1A

Ziel dieses Projekts war, ein einstellbares Netzteil zu bauen, welches von 0 bis 24V einstellbar sein soll, und etwa 1A liefert. Zusätzlich sollten zwei Anzeigen für Spannung und Strom vorhanden sein. Für die Einstellung der Spannung dienen zwei Potentiometer für Grob und Feineinstellung. Um keine Heizung zu bauen und einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen, schieden die klassischen Längsregler (LM350 etc.) hier aus und ich entschied mich für das Design eines Schaltwandlers (Step down converter). Kernstück bildet hierbei ein LM2575. Dieser bietet eine Schaltfrequenz von 52 kHz, eine Strombegrenzung auf 1A und eine integrierte analoge Regelung der Ausgangsspannung. Es gibt zwar auch eine 3A Variante (LM2576), aber ich blieb bei der Auslegung auf 1A. Ein erstes Hindernis war die Beschaffung einer geeigneten Spule. Die ersten Tests verliefen erfolgreich mit einer FED100 von Reichelt, im endgültigem Aufbau kam dann eine 470µH 2A Spule von Farnell zum Einsatz. Dort bestellte ich auch die für Schaltwandler geeigneten Kondensatoren mit niedrigem ESR. Für den zusätlichen Ripple-Filter benutze ich eine FED26.
		Der erste Testaufbau
Der Leistungsteil basiert großteils auf dem Referenzdesign, bei der Spannungseinstellung hab ich allerdings etwas größeren Aufwand betrieben, da der Regler ohne zusätzliche Maßnahmen nur minimal 1,25V liefert. Die maximale Eingangsspannung des Reglers liegt bei 45 Volt, so dass zunächst ein konventioneller Trafo und ein Gleichrichter eine Sekundärspannung von etwa 27-28 V erzeugen. Der Schaltwandler macht daraus dann eine Spannung von 0-24 V. Der Regler verfügt über einen Feedbackeingang, der normalerweise über ein Poti die Ausgangsspannung zurückführt. Die Spannung an diesem Pin beträgt dabei im stationären Zustand 1,25V. Das ist der Grund warum die minimale Ausgangsspannung nicht kleiner sein kann als die Referenzspannung. Der Schaltregler selbst könnte auch weniger, die Regelung stellt hier die Grenze dar. Um trotzdem auf 0 Volt runter zu kommen, setze ich einen Operationsverstärker zwischen die Ausgangsspannung und den Feedbackeingang und addiere einfach 1,25V dazu um auch bei 0V Ausgangsspannung 1,25V am Feedbackeingang zu erhalten.
		Schaltplan
Dies war der erste Gedanke, der erste Versuchsaufbau funktionierte auch so. Aber ganz so einfach war es dann doch nicht, denn der nächste limitierende Faktor war dann die Betriebsspannung des Operationsverstärkers. Für die meisten OPs ist bei etwa 18V Ende. Nun kann man Operationsverstärker suchen die eine höhere Betriebsspannung vertragen, doch das grundsätzliche Problem bleibt, dass die Betriebsspannung des OPs in der Größenordnung der maximalen Ausgangsspannung liegen müsste. Also löste ich das Problem auf anderem Wege. Sodass ich sogar einen OPA347 benutzen konnte (5V Single Supply, Rail-to-Rail In und Out). Über einen Spannungsteiler wird eine Spannung von 3,75V bei theoretischen 30V Ausgangsspannung abgegriffen und der OP addiert dann 1,25V hinzu. Damit erzeugt der OP dann maximal 5V die über die zwei Potis eine Referenzspannung von 1,25V am Feedbackeingang liefern. Dreht man die Potis runter, steigt die Spannung am Feedback-Pin und der Regler reduziert die Ausgangsspannung bis wieder 1,25V am Feedback anliegen.
		Die erste Inbetriebnahme
Nachdem die erste Inbetriebnahme erfolgreich verlief, begann ich mit dem Aufbau der Anzeigen. Diese bestehen aus den Analog-Digital-Wandlern vom Typ 7107. Diese haben auch schon die Treiber für 7-Segment LED-Anzeigen integriert. Zwei der Wandler wurden auf einer Platine verbaut und in Sandwich-Bauweise mit den grünen 10mm 7-Segment-Anzeigen verbunden und in die Frontplatte eingebaut. Die Anzeigebereiche sind 199.9 Volt und 1.999 Ampere. Somit erhält man eine Anzeigegenauigkeit von 0,1 V und 1 mA. Aus Platzgründen wurden die Anzeigen komplett mit SMD-Bauteilen bestückt.
		Bau der SMD-bestückten Anzeigen
Das gesamte Netzteil besteht aus einer 100x160mm großen Platine und passt in ein Teko KL22 Gehäuse Der Schaltregler, Gleichrichter und ein zusätzlicher Spannungswandler für die Versorgungsspannung der Anzeigen sind auf den Kühlkörper montiert. Die Primärseitige Sicherung ist im Kaltgerätestecker integriert, der Trafo ist sekundärseitig mit 1 A abgesichert Zur Strommessung kommt ein 0,1 Ohm Drahtwiderstand zum Einsatz. Die Toleranz von 5% ist hierbei nicht kritisch, da die Anzeige über ein Poti kalibriert werden kann Das Verhältnis zwischen Grob- und Feineinstellung beträgt bei mir 1 zu 10, die Spannung kann über die Feineinstellung von 0 - 2,6 V eingestellt werden, sodass die Spannung auf einige Millivolt genau eingestellt werden kann. Die Leerlaufspannung liegt mit 24,2 Volt innerhalb der Anforderungen, sinkt unter größerer Belastung jedoch auf etwa 22V ab. Dies liegt am Trafo und war so zu erwarten. Die maximale Stromstärke liegt durch das Schaltwandlerprinzip sogar bei mehr als 1 A, jedoch stehen genauere Tests noch aus.. Die Genauigkeit der Anzeigen liegt auf dem Niveau von üblichen Multimetern, die Einstellbarkeit der Spannung ist sehr gut. Man kann damit sogar den Arbeitspunkt von LEDs ohne Vorwiderstand einstellen.
		Die Einzelteile
Leistungsteil Schaltplan und Layout Stückliste Anzeigen Schaltplan und Layout
		Komplett montiert
Rückseite der Anzeigen	Kalibrieren der Anzeigen	Spannung und Strom einer LED

Nachtrag
Das Netzteil läuft jetzt ein paar Jahre und ich habe ein paar Optimierungen eingeplant. Hier ein aktualisierter Schaltplan und Layout. Die LED Anzeigen benötigen einigen Strom, daher sollte deren Stromversorgung ebenfalls über einen Schaltregler erfolgen. Hier kann ein LM2574 mit fixer Spannung benutzt werden. Die Versorgung des Operationsverstärkers kann mittels eines LM317 mit etwa 7,5V erfolgen, dann ist kein teurer OPA347 nötig, es kann ein LM358 verwendet werden. Weitere Punkte für Weiterentwicklungen wären: - Überstrombegrenzung - Rückstellbare Sicherung - Ausgang schaltbar Leistungsteil Schaltplan und Layout
		Schaltplan v3