Bausatz für ein regelbares Netzteil – oder: Ein gutes Netzteil muss schwer sein

Viele wissen bereits, dass ich eine Schwäche für alle möglichen Netzteile habe. Hier gibt es gleich zwei Dinge in einem: Diesmal geht es um einen Elektronik-Bausatz, mit dem sich die Basis für ein Labornetzteil aufbauen lässt, sowie um eine Variante seiner praktischen Umsetzung.
Vorwarnung: Es gibt viele Fotos und viel Text, also holt euch schon mal einen Kaffee :)

Zunächst erkläre ich kurz, worum es sich handelt und wozu man es braucht.
Praktisch alle Elektronikbastler verwenden bei ihrer Arbeit ein Labornetzteil. Ob ein komplexes Modell mit programmierbarer Steuerung oder ein ganz einfaches mit LM317 – im Grunde erfüllen sie alle dieselbe Aufgabe: Sie versorgen unterschiedliche Verbraucher während der Arbeit mit Strom.
Labornetzteile lassen sich in drei Haupttypen einteilen.
Mit Schaltnetzteilregelung.
Mit Linearregelung
Hybridgeräte.

Die ersten enthalten ein geregeltes Schaltnetzteil oder einfach ein Schaltnetzteil mit PWM-Abwärtswandler. Ich habe bereits mehrere Varianten dieser Netzteile vorgestellt. 1, 2, 3
Vorteile: hohe Leistung bei kompakten Abmessungen, hervorragender Wirkungsgrad.
Nachteile: hochfrequente Restwelligkeit, große Kondensatoren am Ausgang

Die zweiten haben keinerlei PWM-Wandler an Bord. Die gesamte Regelung erfolgt linear, wobei die überschüssige Energie einfach am Regelelement in Wärme umgesetzt wird.
Vorteile: praktisch keine Restwelligkeit, (fast) keine Ausgangskondensatoren nötig.
Nachteile: Wirkungsgrad, Gewicht, Abmessungen.

Die dritten kombinieren entweder den ersten und den zweiten Typ: Dann wird der Linearregler von einem nachgeschalteten PWM-Abwärtswandler versorgt (die Spannung am Ausgang des PWM-Wandlers wird stets etwas höher als die Ausgangsspannung gehalten, der Rest wird von einem Transistor geregelt, der im Linearbetrieb arbeitet.
Oder es handelt sich um ein lineares Netzteil mit einem Transformator, der mehrere Wicklungen hat, die je nach Bedarf umgeschaltet werden. Dadurch verringern sich die Verluste am Regelelement.
Diese Schaltung hat nur einen Nachteil: Sie ist komplexer als die ersten beiden Varianten.

Heute sprechen wir über den zweiten Netzteiltyp, bei dem das Regelelement im Linearbetrieb arbeitet. Wir schauen uns dieses Netzteil aber anhand eines Bausatzes an – ich finde, so ist es sogar interessanter. Meiner Meinung nach ist das ein guter Einstieg für Elektronik-Anfänger: Man kann sich eines der wichtigsten Geräte selbst zusammenbauen.
Oder wie man so schön sagt: Ein ordentliches Netzteil muss schwer sein :)

Dieser Test richtet sich eher an Einsteiger. Erfahrene Kollegen werden darin wahrscheinlich nichts Nützliches finden.

Für den Test habe ich einen Bausatz bestellt, mit dem sich der Hauptteil eines Labornetzteils aufbauen lässt.
Die wichtigsten technischen Daten (laut Händler):
Eingangsspannung: 24 V Wechselspannung
Einstellbare Ausgangsspannung: 0–30 V Gleichspannung.
Einstellbarer Ausgangsstrom: 2 mA–3 A
Restwelligkeit der Ausgangsspannung: 0,01 %
Abmessungen der Platine: 80 × 80 mm.

Ein paar Worte zur Verpackung.
Der Bausatz kam in einem gewöhnlichen Polyethylenbeutel, in weiches Material eingewickelt.
Im Inneren befanden sich in einem wiederverschließbaren Antistatikbeutel alle benötigten Bauteile, einschließlich der Platine.


Alles lag lose im Beutel, aber nichts wurde beschädigt. Die Platine hat die Bauteile teilweise geschützt.


Ich werde nicht alle Teile des Lieferumfangs einzeln aufzählen – das lässt sich später im Verlauf des Tests einfacher machen. Nur so viel: Es hat alles gereicht, und ein paar Teile sind sogar übrig geblieben.


Ein paar Worte zur Platine.
Die Qualität ist ausgezeichnet. Ein Schaltplan liegt nicht bei, aber alle Bauteilwerte sind auf der Platine angegeben.
Die Platine ist doppelseitig und mit Lötstopplack versehen.


Die Beschichtung der Platine, die Verzinnung und auch die Qualität des Platinenmaterials sind ausgezeichnet.
Nur an einer Stelle ist es mir gelungen, ein Lötpad von der Platine abzureißen – und zwar, nachdem ich versucht hatte, ein nicht originales Bauteil einzulöten (warum, dazu später mehr).
Meiner Meinung nach genau das Richtige für Einsteiger in die Elektronik: Es ist ziemlich schwer, etwas kaputtzumachen.


Vor dem Aufbau habe ich den Schaltplan dieses Netzteils gezeichnet.


Die Schaltung ist recht durchdacht, wenn auch nicht ohne Schwächen. Darauf komme ich im Laufe des Artikels zu sprechen.
In der Schaltung lassen sich mehrere Hauptbaugruppen erkennen, die ich farblich markiert habe.
Grün – Baugruppe zur Spannungsregelung und -stabilisierung
Rot – Baugruppe zur Stromregelung und -stabilisierung
Violett – Baugruppe zur Anzeige des Übergangs in den Konstantstrombetrieb
Blau – Referenzspannungsquelle.
Daneben gibt es noch:
1. Eingangs-Gleichrichterbrücke und Siebkondensator
2. Leistungsregelstufe mit den Transistoren VT1 und VT2.
3. Schutzschaltung mit Transistor VT3, die den Ausgang abschaltet, bis die Versorgungsspannung der Operationsverstärker im normalen Bereich liegt
4. Spannungsregler für den Lüfter, aufgebaut mit dem IC 7824.
5. R16, R19, C6, C7, VD3, VD4, VD5 – Baugruppe zur Erzeugung der negativen Versorgungsspannung für die Operationsverstärker. Wegen dieser Baugruppe funktioniert das Netzteil nicht einfach mit Gleichstrom; erforderlich ist Wechselstrom am Eingang, also ein Transformator.
6. C9 als Ausgangskondensator und VD9 als Schutzdiode am Ausgang.


Zuerst gehe ich auf die Vor- und Nachteile der Schaltung ein.
Vorteile –
Gut ist, dass es einen Spannungsregler für den Lüfter gibt. Der Lüfter muss allerdings für 24 V ausgelegt sein.
Sehr gut ist auch die negative Versorgungsspannung. Sie verbessert den Betrieb des Netzteils bei Strömen und Spannungen nahe null erheblich.
Da eine negative Versorgungsspannung vorhanden ist, wurde eine Schutzschaltung eingebaut: Solange diese Spannung fehlt, bleibt der Ausgang des Netzteils abgeschaltet.
Das Netzteil enthält eine Referenzspannungsquelle mit 5,1 V. Dadurch lassen sich nicht nur Ausgangsspannung und Strom korrekt regeln (bei dieser Schaltung werden Spannung und Strom linear von null bis zum Maximum geregelt, ohne „Buckel“ oder „Einbrüche“ an den Endwerten), sondern das Netzteil kann auch von außen gesteuert werden, indem man einfach die Steuerspannung verändert.
Der Ausgangskondensator hat eine sehr geringe Kapazität. Dadurch lassen sich LEDs sicher prüfen: Es gibt keinen Stromstoß, während sich der Ausgangskondensator entlädt und das Netzteil in den Konstantstrombetrieb wechselt.
Die Ausgangsdiode schützt das Netzteil davor, dass am Ausgang eine Spannung mit umgekehrter Polarität anliegt. Die Diode ist allerdings zu schwach und sollte besser durch eine andere ersetzt werden.

Nachteile.
Der Strommess-Shunt hat einen zu hohen Widerstand. Deshalb werden bei einem Laststrom von 3 A etwa 4,5 W Wärme an ihm umgesetzt. Der Widerstand ist zwar für 5 W ausgelegt, wird aber sehr heiß.
Die Eingangs-Gleichrichterbrücke besteht aus Dioden für 3 A. Eigentlich sollten Dioden mit mindestens 5 A verwendet werden, denn der Diodenstrom beträgt bei dieser Schaltung das 1,4-Fache des Ausgangsstroms. Im Betrieb können also 4,2 A durch die Dioden fließen, obwohl sie nur für 3 A ausgelegt sind. Etwas entschärft wird das dadurch, dass die Diodenpaare in der Brücke abwechselnd arbeiten. Ganz korrekt ist das trotzdem nicht.
Ein großer Nachteil ist, dass die chinesischen Entwickler Operationsverstärker mit einer maximalen Spannung von 36 V ausgewählt haben, aber nicht bedacht haben, dass die Schaltung eine negative Spannungsquelle enthält. Dadurch ist die Eingangsspannung in dieser Ausführung auf 31 V begrenzt (36-5=31). Bei 24 V Wechselspannung am Eingang liegen gleichgerichtet etwa 32–33 V an.
Das heißt, die Operationsverstärker laufen außerhalb ihrer zulässigen Betriebsbedingungen (36 V ist das Maximum, der normale Wert liegt bei 30 V).

Auf weitere Vor- und Nachteile sowie auf mögliche Änderungen gehe ich später noch ein. Jetzt geht es erst einmal an den eigentlichen Aufbau.

Zuerst breiten wir alles aus, was zum Lieferumfang gehört. Das erleichtert den Aufbau und man sieht einfach besser, was schon eingebaut ist und was noch fehlt.


Ich empfehle, mit den niedrigsten Bauteilen anzufangen. Wenn man zuerst die hohen einsetzt, wird es später umständlich, die niedrigen einzubauen.
Am besten beginnt man außerdem mit den Bauteilen, von denen es mehrere gleiche gibt.
Ich fange mit den Widerständen an, und zwar mit den 10-kΩ-Widerständen.
Die Widerstände sind hochwertig und haben eine Toleranz von 1 %.
Ein paar Worte zu Widerständen. Sie sind farbcodiert. Das mag vielen unpraktisch erscheinen. Tatsächlich ist das aber besser als eine alphanumerische Kennzeichnung, denn die Farbcodierung ist in jeder Lage des Widerstands zu sehen.
Vor der Farbcodierung muss man keine Angst haben. Am Anfang kann man Online-Rechner verwenden, und mit der Zeit kann man die Werte auch ohne sie bestimmen.
Um solche Bauteile zu verstehen und bequem mit ihnen arbeiten zu können, muss man sich nur zwei Dinge merken, die für jeden angehenden Elektronikbastler nützlich sind.
1. Die zehn Grundfarben der Kennzeichnung
2. Die Nennwerte der Reihe E24. Bei der Arbeit mit präziseren Widerständen der Reihen E48 und E96 helfen sie nicht besonders weiter, aber solche Widerstände sind deutlich seltener.
Jeder erfahrene Elektronikbastler kann sie einfach aus dem Gedächtnis aufzählen.
1, 1.1, 1.2, 1.3, 1.5, 1.6, 1.8, 2, 2.2, 2.4, 2.7, 3, 3.3, 3.6, 3.9, 4.3, 4.7, 5.1, 5.6, 6.2, 6.8, 7.5, 8.2, 9.1.
Alle anderen Nennwerte ergeben sich, indem man diese mit 10, 100 usw. multipliziert. Zum Beispiel 22k, 360k, 39Ω.
Was bringt diese Information?
Sie bedeutet, dass bei einem Widerstand der Reihe E24 zum Beispiel die Farbkombination
Blau + Grün + Gelb unmöglich ist.
Blau — 6
Grün — 5
Gelb — ×10000
Nach der Rechnung ergibt sich also 650k, aber diesen Nennwert gibt es in der Reihe E24 nicht, sondern nur 620 oder 680. Entweder wurde also eine Farbe falsch erkannt, die Farbe hat sich verändert oder der Widerstand gehört nicht zur Reihe E24. Letzteres kommt allerdings selten vor.

Na gut, genug Theorie, weiter geht's.
Vor dem Einbau biege ich die Widerstandsdrähte zurecht, normalerweise mit einer Pinzette. Manche verwenden dafür aber auch eine kleine selbst gebaute Vorrichtung.
Die abgeschnittenen Drahtstücke nicht gleich wegwerfen – manchmal kann man sie als Drahtbrücken gebrauchen.


Nachdem ich die meisten eingesetzt habe, bin ich bei den einzelnen Widerständen angekommen.
Hier kann es etwas schwieriger werden, denn die Nennwerte muss man öfter nachschlagen.


Ich löte die Bauteile nicht sofort ein, sondern knipse erst die Drähte ab und biege sie um – und zwar erst abknipsen, dann umbiegen.
Das geht ganz einfach: Die Platine hält man in der linken Hand (wenn man Rechtshänder ist) und drückt gleichzeitig das eingesetzte Bauteil fest.
In der rechten Hand hält man den Seitenschneider, knipst die Drähte ab (manchmal gleich bei mehreren Bauteilen) und biegt sie anschließend mit der Seitenfläche des Seitenschneiders um.
Das geht alles sehr schnell, nach einer Weile macht man es ganz automatisch.


Damit sind wir beim letzten kleinen Widerstand angekommen. Der benötigte Nennwert stimmt mit dem des übrig gebliebenen Widerstands überein – schon mal nicht schlecht :)


Nach den Widerständen kommen die Dioden und Zenerdioden an die Reihe.
Es gibt hier vier kleine Dioden, die gängigen 4148, und zwei Zenerdioden mit jeweils 5.1 V. Da kann man kaum etwas verwechseln.
Auch bei ihnen biege ich die Drähte zurecht.


Auf der Platine ist die Kathode mit einem Strich markiert, genau wie bei Dioden und Z-Dioden.


Auch wenn die Platine eine Schutzlackschicht hat, empfehle ich trotzdem, die Anschlussdrähte so umzubiegen, dass sie nicht über benachbarte Leiterbahnen ragen. Auf dem Foto ist der Anschlussdraht der Diode von der Leiterbahn weggebogen.


Die Z-Dioden sind auf der Platine genauso gekennzeichnet wie auf dem Bauteil selbst: 5V1.


Keramikkondensatoren gibt es in der Schaltung nicht besonders viele, aber ihre Beschriftung kann Einsteiger in die Elektronik verwirren. Übrigens folgt sie ebenfalls der E24-Reihe.
Die ersten beiden Ziffern geben den Wert in Pikofarad an.
Die dritte Ziffer gibt an, wie viele Nullen an den Wert angehängt werden müssen.
Zum Beispiel: 331 = 330 pF
101 = 100 pF
104 = 100000 pF oder 100 nF oder 0,1 µF
224 = 220000 pF oder 220 nF oder 0,22 µF


Der Großteil der passiven Bauteile ist nun bestückt.


Danach geht es mit dem Einsetzen der Operationsverstärker weiter.
Ich würde wahrscheinlich empfehlen, dafür Sockel zu kaufen, aber ich habe sie direkt eingelötet.
Auf der Platine ist wie auch am IC selbst Pin 1 markiert.
Die übrigen Pins werden gegen den Uhrzeigersinn gezählt.
Auf dem Foto sieht man den Platz für den Operationsverstärker und, wie er eingesetzt werden muss.


Bei den ICs biege ich nicht alle Pins um, sondern nur ein paar, normalerweise die beiden diagonal gegenüberliegenden äußeren Pins.
Am besten kürzt man sie so, dass sie etwa 1 mm über die Platine hinausragen.


So, jetzt kann gelötet werden.
Ich verwende einen ganz normalen Lötkolben mit Temperaturregelung, aber ein einfacher Lötkolben mit etwa 25–30 W reicht völlig aus.
Lötzinn mit 1 mm Durchmesser und Flussmittel. Die Marke des Lötzinns nenne ich bewusst nicht, denn auf der Spule ist kein Original-Lötzinn (die Originalspulen wiegen 1 kg), und der Name dürfte den meisten ohnehin nichts sagen.


Wie ich oben schon geschrieben habe, ist die Platine hochwertig und lässt sich sehr leicht löten. Zusätzliches Flussmittel habe ich nicht verwendet; das im Lot enthaltene reicht völlig aus. Man sollte nur ab und zu daran denken, überschüssiges Flussmittel von der Lötspitze abzuschütteln.




Hier habe ich ein Beispiel für gute und weniger gute Lötstellen fotografiert.
Eine gute Lötstelle sollte wie ein kleines Tröpfchen aussehen, das den Anschluss umschließt.
Auf dem Foto gibt es aber ein paar Stellen, an denen eindeutig zu wenig Lot ist. Bei einer doppelseitigen Platine mit durchkontaktierten Bohrungen geht das noch (dort fließt das Lot auch in die Bohrung hinein), bei einer einseitigen Platine sollte man das aber nicht machen. Mit der Zeit kann sich eine solche Lötstelle lösen.


Auch die Anschlüsse der Transistoren sollte man vorher zurechtbiegen. Dabei muss man darauf achten, dass der Anschluss nicht direkt am Gehäusefuß verformt wird (die alten Hasen erinnern sich an die legendären KT315, bei denen die Anschlüsse gern abbrachen).
Leistungskomponenten biege ich etwas anders zurecht. Sie werden so geformt, dass das Bauteil über der Platine steht. So wird weniger Wärme auf die Platine übertragen und sie dadurch nicht beschädigt.


So sehen die zurechtgebogenen Leistungswiderstände auf der Platine aus.
Alle Bauteile wurden nur von der Unterseite gelötet. Das Lot, das ihr auf der Oberseite der Platine seht, ist dank des Kapillareffekts durch die Bohrungen geflossen. Am besten lötet man so, dass etwas Lot auf die Oberseite gelangt. Das macht die Lötstelle zuverlässiger und sorgt bei schweren Bauteilen für besseren Halt.


Bis hierhin habe ich die Anschlüsse der Bauteile mit einer Pinzette zurechtgebogen. Für die Dioden braucht man aber eine kleine Flachzange mit schmalen Backen.
Die Anschlüsse werden ungefähr genauso geformt wie bei den Widerständen.


Beim Einsetzen gibt es allerdings einen Unterschied.
Bei Bauteilen mit dünnen Anschlüssen setzt man sie zuerst ein und kürzt die Anschlüsse danach. Bei Dioden ist es genau umgekehrt: Nach dem Kürzen lässt sich der Anschluss nicht mehr umbiegen. Deshalb biegen wir ihn zuerst um und schneiden dann den Überschuss ab.


Die Leistungsstufe ist mit zwei Transistoren in Darlington-Schaltung aufgebaut.
Einer der Transistoren wird auf einem kleinen Kühlkörper montiert, am besten mit Wärmeleitpaste dazwischen.
Im Lieferumfang waren vier M3-Schrauben enthalten; eine davon kommt hier zum Einsatz.


Ein paar Fotos von der fast fertig bestückten Platine. Wie man die Schraubklemmen und die übrigen Bauteile einsetzt, beschreibe ich nicht extra – das ist selbsterklärend und auf den Fotos zu sehen.
Apropos Schraubklemmen: Auf der Platine sind Klemmen für den Ein- und Ausgang sowie für die Stromversorgung des Lüfters vorgesehen.




Die Platine habe ich noch nicht gereinigt, obwohl ich das in diesem Stadium oft mache.
Der Grund ist, dass noch ein kleiner Abschnitt mit Änderungen folgt.


Nach dem Hauptteil des Aufbaus sind noch folgende Bauteile übrig.
Ein Leistungstransistor
Zwei Potentiometer
Zwei Buchsen zum Einbau auf der Platine
Zwei Buchsen mit Kabeln; die Kabel sind übrigens sehr weich, aber recht dünn.
Drei Schrauben.


Ursprünglich hatte der Hersteller vorgesehen, die Potentiometer direkt auf der Platine zu montieren. Dort sitzen sie aber so ungünstig, dass ich sie gar nicht erst eingelötet und nur als Beispiel gezeigt habe.
Sie sitzen sehr dicht beieinander, und das Einstellen wäre äußerst umständlich, wenn auch machbar.


Gut, dass die Kabel mit Steckern im Lieferumfang dabei sind – so ist es viel praktischer.
So lassen sich die Potentiometer an die Frontplatte des Geräts verlegen und die Platine an einer passenden Stelle montieren.
Nebenbei habe ich den Leistungstransistor eingelötet. Es ist ein gewöhnlicher Bipolartransistor, der aber eine maximale Verlustleistung von bis zu 100 W hat (natürlich nur mit Kühlkörper).
Drei Schrauben sind übrig. Ich habe nicht verstanden, wofür sie gedacht sind: Für die Platine bräuchte man an den Ecken vier, und für den Leistungstransistor sind sie zu kurz. Ein Rätsel also.


Die Platine kann von jedem Transformator mit einer Ausgangsspannung bis 22 V versorgt werden (in den technischen Daten sind 24 V angegeben, aber ich habe oben erklärt, warum man diese Spannung nicht verwenden sollte).
Ich habe mich für einen Transformator entschieden, der schon lange bei mir herumliegt und für den Verstärker Romantika gedacht war. Warum „für“ und nicht „aus“? Weil er noch in keinem Gerät verbaut war :)
Dieser Transformator hat zwei Leistungswicklungen mit je 21 V, zwei Hilfswicklungen mit je 16 V und eine Abschirmwicklung.
Die Spannungsangaben gelten für eine Eingangsspannung von 220 V. Da bei uns inzwischen 230 V Standard sind, liegen auch die Ausgangsspannungen etwas höher.
Die berechnete Leistung des Transformators beträgt etwa 100 W.
Ich habe die Leistungswicklungen parallelgeschaltet, um mehr Strom zu bekommen. Man könnte natürlich eine Gleichrichterschaltung mit zwei Dioden verwenden, aber besser wird es dadurch nicht, also habe ich es so gelassen.


Der erste Probelauf. Ich habe einen kleinen Kühlkörper auf dem Transistor montiert, aber selbst damit wurde er ziemlich heiß, da es sich um ein lineares Netzteil handelt.
Strom und Spannung lassen sich problemlos einstellen, alles funktionierte auf Anhieb. Deshalb kann ich diesen Bausatz schon jetzt uneingeschränkt empfehlen.
Das erste Foto zeigt die Spannungsregelung, das zweite die Stromregelung.


Zuerst habe ich geprüft, welche Spannung der Transformator nach der Gleichrichtung liefert, denn davon hängt die maximale Ausgangsspannung ab.
Bei mir waren es etwa 25 V, nicht gerade üppig. Der Filterkondensator hat 3300 µF; ich würde empfehlen, seine Kapazität zu erhöhen, aber auch so funktioniert das Gerät durchaus.


Für die weiteren Tests brauchte ich einen ordentlichen Kühlkörper. Deshalb machte ich mich an den Aufbau der gesamten Konstruktion, denn die Montage des Kühlkörpers hing vom geplanten Aufbau ab.
Ich entschied mich für einen bei mir herumliegenden Igloo7200-Kühlkörper. Laut Hersteller kann dieser Kühlkörper bis zu 90 W Wärme abführen.


Für das Gerät kommt ein Gehäuse vom Typ Z2A zum Einsatz, vermutlich polnischer Herkunft. Es kostet etwa 3 US-Dollar.


Ursprünglich wollte ich mal ein anderes Gehäuse verwenden als das, das meine Leser schon von meinen diversen Elektronikbasteleien kennen.
Dafür wählte ich ein etwas kleineres Gehäuse und kaufte einen Lüfter mit Schutzgitter dazu. Allerdings bekam ich nicht die ganze Elektronik hinein, also kaufte ich ein zweites Gehäuse und entsprechend auch einen zweiten Lüfter.
In beiden Fällen kaufte ich Lüfter von Sunon. Die Produkte dieser Firma gefallen mir sehr gut. Außerdem waren es beide Male 24-V-Lüfter.


So sollten Kühlkörper, Platine und Transformator nach meinem Plan eingebaut werden. Für eine spätere Erweiterung bleibt sogar noch etwas Platz.
Den Lüfter bekam ich partout nicht ins Gehäuse, deshalb beschloss ich, ihn außen anzubringen.


Befestigungslöcher anzeichnen, Gewinde schneiden und zur Probe anschrauben.


Da das gewählte Gehäuse innen 80 mm hoch ist und die Platine ebenfalls diese Abmessung hat, befestigte ich den Kühlkörper so, dass die Platine symmetrisch zum Kühlkörper sitzt.


Auch die Anschlüsse des Leistungstransistors müssen etwas zurechtgebogen werden, damit sie sich nicht verformen, wenn der Transistor an den Kühlkörper gedrückt wird.


Eine kleine Abschweifung.
Warum auch immer hat der Hersteller einen Platz für einen ziemlich kleinen Kühlkörper vorgesehen. Deshalb kommen sich bei einem vernünftigen Kühlkörper der Lüfterspannungsregler und sein Anschlussstecker in die Quere.
Ich musste sie auslöten und die Stelle, an der sie saßen, mit Klebeband abdecken, damit keine Verbindung zum Kühlkörper entsteht, denn an ihm liegt Spannung an.


Das überstehende Klebeband auf der Rückseite habe ich abgeschnitten, sonst sah das ziemlich unsauber aus. Wir wollen es schließlich nach Feng Shui machen :)


So sieht die Platine mit endgültig montiertem Kühlkörper aus. Der Transistor wird mit Wärmeleitpaste montiert; am besten verwendet man eine gute, denn er muss eine Verlustleistung ähnlich der eines leistungsstarken Prozessors abführen, also etwa 90 W.
Bei der Gelegenheit habe ich gleich ein Loch für die Platine zur Lüfterdrehzahlregelung gebohrt, das ich am Ende sowieso noch einmal nachbohren musste :)


Einigen ist wahrscheinlich gleich der Trimmer auf der Platine aufgefallen, und sie haben sich gefragt, wozu er da ist.
Dieser Widerstand ist Teil der durchdachten Schaltung des Netzteils.
Da die Operationsverstärker mit einer symmetrischen Versorgungsspannung betrieben werden, muss der Ausgang des Netzteils bei ganz nach links gedrehtem Spannungsregler auf null abgeglichen werden.
In den Endstellungen stellt der Widerstand am Ausgang eine Spannung zwischen -0,138 und 0,15 V ein.
Die negative Spannung „schleicht sich“ parasitär ein und der Strom ist gering.


Zum Nullabgleich habe ich beide Regler ganz nach links gedreht, die Last abgeklemmt und den Ausgang auf null eingestellt. Jetzt lässt sich die Ausgangsspannung ab null regeln.


Als Nächstes ein paar Tests.
Ich habe geprüft, wie genau die Ausgangsspannung gehalten wird.
Leerlauf, Spannung 10,00 V
1. Laststrom 1 A, Spannung 10,00 V
2. Laststrom 2 A, Spannung 9,99 V
3. Laststrom 3 A, Spannung 9,98 V.
4. Laststrom 3,97 A, Spannung 9,97 V.
Die Werte sind ziemlich gut. Bei Bedarf lassen sie sich noch etwas verbessern, indem man den Anschlusspunkt der Widerstände für die Spannungsrückkopplung ändert. Aber meiner Meinung nach reicht es so völlig aus.


Außerdem habe ich den Ripple-Pegel geprüft. Die Messung erfolgte bei einem Strom von 3 A und einer Ausgangsspannung von 10 V


Der Ripple-Pegel lag bei etwa 15 mV, was sehr gut ist. Allerdings dachte ich, dass die auf dem Screenshot sichtbaren Störungen eher von der elektronischen Last kamen als vom Netzteil selbst.


Danach machte ich mich an den Zusammenbau des Geräts.
Zuerst montierte ich den Kühlkörper mit der Netzteilplatine.
Dazu markierte ich die Positionen für den Lüfter und die Netzbuchse.
Die Öffnung wurde nicht ganz rund angezeichnet, sondern bekam oben und unten kleine „Abflachungen“. Sie sollen die Rückwand stabiler machen, nachdem die Öffnung ausgeschnitten ist.
Am schwierigsten sind normalerweise Öffnungen mit komplizierter Form, zum Beispiel für eine Netzbuchse.


Ein großes Loch entsteht aus einem Haufen kleiner Löcher :)
Bohrmaschine und 1-mm-Bohrer wirken manchmal wahre Wunder.
Wir bohren Löcher, viele Löcher. Das mag langwierig und mühsam aussehen. Ist es aber nicht – im Gegenteil, es geht sehr schnell. Das komplette Durchbohren der Platte dauert etwa 3 Minuten.


Danach nehme ich normalerweise einen etwas größeren Bohrer, zum Beispiel 1,2–1,3 mm, und fahre damit wie mit einem Fräser entlang. So entsteht dieser Schlitz:


Danach nehmen wir ein kleines Messer und entgraten die entstandenen Öffnungen. Wenn ein Loch etwas zu klein geraten ist, können wir damit gleich noch etwas Kunststoff wegschneiden. Der Kunststoff ist recht weich, deshalb lässt sich gut damit arbeiten.


Als letzten Vorbereitungsschritt bohren wir die Befestigungslöcher. Damit ist die Arbeit an der Rückwand im Wesentlichen abgeschlossen.


Wir montieren den Kühlkörper mit der Platine und den Lüfter, probieren das Ganze aus und „feilen bei Bedarf nach“.


Fast ganz am Anfang habe ich die Modifikation erwähnt.
Ich werde nur ein paar Kleinigkeiten ändern.
Zuerst wollte ich die originalen Dioden im Eingangs-Gleichrichter durch Schottky-Dioden ersetzen. Dafür habe ich vier 31DQ06 gekauft. Dabei habe ich denselben Fehler wie die Entwickler der Platine gemacht: Aus Gewohnheit habe ich Dioden für denselben Strom gekauft, obwohl es welche für einen höheren Strom hätten sein müssen. Trotzdem werden die Dioden weniger warm, weil der Spannungsabfall an Schottky-Dioden geringer ist als an normalen Dioden.
Als Nächstes wollte ich den Shunt ersetzen. Mich störte nicht nur, dass er heiß wird wie ein Bügeleisen, sondern auch, dass an ihm etwa 1.5 V abfallen, die man sinnvoll nutzen könnte – nämlich für die Last. Dafür habe ich zwei einheimische Widerstände mit 0.27 Ω und 1 % genommen. Das verbessert außerdem die Stabilität. Warum die Entwickler das nicht gleich so gemacht haben, ist mir schleierhaft: Die Lösung kostet genau dasselbe wie die Variante mit dem originalen 0.47-Ω-Widerstand.
Und schließlich wollte ich, eher als Ergänzung, den originalen Filterkondensator mit 3300 µF durch einen hochwertigeren und größeren Capxon mit 10000 µF ersetzen …


So sieht der fertige Aufbau mit den ausgetauschten Bauteilen und der eingebauten Lüfter-Temperatursteuerung aus.
Das Ganze ist etwas improvisiert geworden, und außerdem habe ich beim Einbau der Leistungswiderstände versehentlich ein Lötpad von der Platine abgerissen. Dabei hätte ich problemlos weniger leistungsstarke Widerstände verwenden können, zum Beispiel einen einzelnen 2-W-Widerstand. So einen hatte ich nur gerade nicht da.


Auch auf der Unterseite sind ein paar Bauteile dazugekommen.
Ein 3.9-kΩ-Widerstand liegt parallel zu den äußeren Kontakten des Anschlusses für den Stromregelwiderstand. Er wird benötigt, um die Regelspannung zu verringern, da die Spannung am Shunt jetzt eine andere ist.
Zwei 0.22-µF-Kondensatoren: Einer liegt parallel zum Ausgang des Stromregelwiderstands, um Störungen zu verringern. Der zweite liegt einfach am Ausgang des Netzteils. Er ist nicht unbedingt nötig; ich hatte nur versehentlich gleich zwei herausgesucht und beschlossen, beide einzubauen.


Der gesamte Leistungsteil ist angeschlossen. Auf dem Transformator sitzt außerdem eine Platine mit Gleichrichter und Kondensator für die Versorgung der Spannungsanzeige.
Im Grunde ist diese Platine in der aktuellen Version nicht nötig. Aber die Anzeige mit den für sie maximal zulässigen 30 V zu versorgen, brachte ich nicht übers Herz. Deshalb habe ich mich für eine zusätzliche 16-V-Wicklung entschieden.


Für die Frontplatte habe ich folgende Bauteile verwendet:
Anschlussklemmen für die Last
Zwei Metallknöpfe
Netzschalter
Roter Lichtfilter, laut Angabe für KM35-Gehäuse
Für die Strom- und Spannungsanzeige wollte ich eine Platine verwenden, die nach einem meiner Testberichte übrig geblieben war. Die kleinen Anzeigen gefielen mir aber nicht, deshalb habe ich größere mit 14 mm Ziffernhöhe gekauft und dafür eine Platine anfertigen lassen.

Diese Lösung ist eigentlich nur vorübergehend, aber ich wollte es auch für die Übergangszeit ordentlich machen.


Ein paar Schritte zur Vorbereitung der Frontplatte.
1. Wir zeichnen das Layout der Frontplatte in Originalgröße (ich verwende das ganz normale Sprint Layout). Der Vorteil identischer Gehäuse ist, dass sich eine neue Frontplatte sehr einfach vorbereiten lässt, weil die benötigten Maße bereits bekannt sind.
Wir legen den Ausdruck auf die Frontplatte und bohren an den Ecken der quadratischen/rechteckigen Ausschnitte Markierungslöcher mit 1 mm Durchmesser. Mit demselben Bohrer bohren wir auch die Mittelpunkte der übrigen Löcher vor.
2. Anhand der entstandenen Löcher markieren wir die Schnittlinien. Dann wechseln wir auf einen dünnen Trennfräser.
3. Wir schneiden die geraden Linien aus: vorne genau auf Maß, hinten etwas weiter, damit der Schnitt möglichst vollständig ist.
4. Wir brechen die ausgeschnittenen Kunststoffstücke heraus. Normalerweise werfe ich sie nicht weg, denn sie können noch nützlich sein.


Wie bei der Rückwand bearbeiten wir die entstandenen Öffnungen mit einem Messer.
Löcher mit großem Durchmesser bohre ich am besten mit einem Kegelbohrer, damit wird der Kunststoff nicht „gepackt“.


Wir probieren aus, was dabei herausgekommen ist, und arbeiten bei Bedarf mit einer Nadelfeile nach.
Ich musste die Öffnung für den Schalter etwas verbreitern.


Wie ich oben schon geschrieben habe, wollte ich für die Anzeige eine Platine verwenden, die von einem meiner früheren Tests übrig geblieben ist. Eigentlich ist das eine sehr schlechte Lösung, als Übergangslösung aber mehr als geeignet. Warum, erkläre ich später.
Wir löten die Anzeigen und Steckverbinder von der Platine aus und prüfen die alten und die neuen Anzeigen mit dem Durchgangsprüfer.
Ich habe mir die Pinbelegung beider Anzeigen notiert, damit ich nicht durcheinanderkomme.
Im Original waren vierstellige Anzeigen verbaut, ich habe dreistellige verwendet, weil mehr nicht ins Fenster passte. Da die vierte Stelle aber nur zur Anzeige des Buchstabens A oder U benötigt wird, ist ihr Wegfall nicht kritisch.
Die LED für die Anzeige des Strombegrenzungsmodus habe ich zwischen den Anzeigen platziert.


Ich lege alles Nötige bereit und löte von der alten Platine den 50-mΩ-Widerstand aus, der wie zuvor als Strommess-Shunt verwendet wird.
Mit diesem Shunt hängt auch das Problem zusammen. In dieser Ausführung fällt am Ausgang für jedes 1 A Laststrom eine Spannung von 50 mV ab.
Dieses Problem lässt sich auf zwei Arten umgehen: Man verwendet zwei separate Messgeräte für Strom und Spannung und versorgt dabei das Voltmeter aus einer separaten Stromquelle.
Die zweite Möglichkeit ist, den Shunt in den Pluspol des Netzteils zu setzen. Für eine Übergangslösung kamen beide Varianten für mich nicht infrage. Deshalb musste ich meinen Perfektionismus zurückstellen und eine vereinfachte, wenn auch keineswegs optimale Lösung bauen.


Für den Aufbau habe ich Montageabstandshalter verwendet, die von der DC-DC-Wandlerplatine übrig geblieben waren.
Damit ist eine sehr praktische Konstruktion entstanden: Die Anzeigeplatine wird an der Amperemeter-Voltmeter-Platine befestigt, die wiederum an der Platine mit den Leistungsklemmen sitzt.
Das ist sogar besser geworden, als ich erwartet hatte :)
Den Strommess-Shunt habe ich ebenfalls auf der Platine mit den Leistungsklemmen platziert.


So sieht die fertige Frontplatte aus.


Dann fiel mir ein, dass ich vergessen hatte, eine leistungsstärkere Schutzdiode einzubauen. Die musste ich nachträglich noch einlöten. Ich habe eine Diode verwendet, die nach dem Austausch der Dioden im Eingangs-Brückengleichrichter der Platine übrig geblieben war.
Eigentlich sollte man natürlich noch eine Sicherung einbauen, aber das kommt dann in einer späteren Version.


Für die Strom- und Spannungseinstellung wollte ich allerdings bessere Potis verwenden als die vom Hersteller vorgeschlagenen.
Die Originale sind durchaus ordentlich und laufen gleichmäßig, aber es sind gewöhnliche Potis. Meiner Meinung nach sollte ein Labornetzteil eine feinere Einstellung von Ausgangsspannung und -strom ermöglichen.
Als ich damals überlegte, die Netzteilplatine zu bestellen, entdeckte ich im Shop Mehrgangpotis und bestellte sie gleich mit zur Begutachtung – zumal sie denselben Widerstandswert hatten.


Normalerweise verwende ich für solche Zwecke andere Potis. In ihnen stecken gleich zwei Widerstände für die Grob- und Feineinstellung. In letzter Zeit kann ich sie aber nirgends mehr finden.
Kennt jemand vielleicht passende Importtypen?


Die Potis sind ordentlich verarbeitet und haben einen Drehwinkel von 3600 Grad, also ganz einfach gesagt 10 volle Umdrehungen. Damit ändert sich die Einstellung pro Umdrehung um 3 V beziehungsweise 0,3 A.
Mit diesen Potis lässt sich etwa 11-mal genauer einstellen als mit gewöhnlichen.


Die neuen Potis im Vergleich zu den Originalen – die Abmessungen sind schon beeindruckend.
Nebenbei habe ich die Leitungen zu den Potis etwas gekürzt. Das sollte die Störfestigkeit verbessern.


Alles ins Gehäuse eingebaut. Im Prinzip ist sogar noch etwas Platz übrig – da ist also noch Luft nach oben :)


Die Abschirmwicklung habe ich mit dem Schutzleiter des Anschlusses verbunden. Die Zusatzversorgungsplatine sitzt direkt auf den Transformatoranschlüssen. Das ist natürlich nicht besonders ordentlich, aber eine andere Lösung ist mir bisher nicht eingefallen.


Prüfung nach dem Zusammenbau. Fast alles lief auf Anhieb. Ich hatte versehentlich zwei Stellen auf der Anzeige vertauscht und lange nicht verstanden, was mit der Einstellung nicht stimmte. Nach dem Umschalten war alles wie gewünscht.


Der letzte Schritt: den Lichtfilter einkleben, die Knöpfe montieren und das Gehäuse zusammenbauen.
Der Lichtfilter ist am Rand dünner. Der Hauptteil sitzt versenkt im Gehäuseausschnitt, der dünnere Rand wird mit doppelseitigem Klebeband befestigt.
Die Knöpfe waren ursprünglich für eine Wellenstärke von 6.3mm ausgelegt (wenn ich mich nicht irre). Die Wellen der neuen Potentiometer sind dünner, deshalb musste ich ein paar Lagen Schrumpfschlauch auf die Welle ziehen.
Die Frontplatte lasse ich vorerst unbeschriftet. Dafür gibt es zwei Gründe:
1. Die Bedienung ist so intuitiv, dass Beschriftungen vorerst nicht wirklich nötig sind.
2. Ich plane, dieses Netzteil weiterzuentwickeln, daher kann sich das Design der Frontplatte noch ändern.


Ein paar Fotos vom fertigen Aufbau.
Ansicht von vorn:


Ansicht von hinten.
Aufmerksamen Lesern ist sicher aufgefallen, dass der Lüfter so eingebaut ist, dass er die warme Luft aus dem Gehäuse bläst, statt kalte Luft zwischen die Kühlrippen zu drücken.
Ich habe mich dafür entschieden, weil der Kühlkörper etwas niedriger als das Gehäuse ist. Damit die warme Luft nicht ins Innere gelangt, habe ich den Lüfter umgedreht eingebaut. Das verringert natürlich die Kühlleistung deutlich, sorgt aber dafür, dass auch der Innenraum des Netzteils etwas belüftet wird.
Zusätzlich würde ich empfehlen, ein paar Löcher in die Unterseite der unteren Gehäusehälfte zu bohren, aber das ist eher eine Ergänzung.


Nach allen Umbauten lag der Strom etwas unter dem ursprünglichen Wert und betrug etwa 3.35 A.


Also, ich versuche einmal, die Vor- und Nachteile dieser Platine aufzuzählen.
Vorteile
Hervorragende Verarbeitungsqualität.
Die Schaltung des Geräts ist fast richtig ausgelegt.
Vollständiger Bauteilesatz für den Aufbau der Netzteil-Reglerplatine
Gut für Einsteiger in die Elektronik geeignet.
In der einfachsten Ausführung braucht man zusätzlich nur einen Transformator und einen Kühlkörper, in der erweiterten Ausführung außerdem noch ein Amperemeter/Voltmeter.
Nach dem Zusammenbau voll funktionsfähig, wenn auch mit einigen Einschränkungen.
Keine großen Kondensatoren am Netzteilausgang, daher sicher beim Prüfen von LEDs und Ähnlichem.

Nachteile
Der falsche Typ Operationsverstärker wurde gewählt. Deshalb muss der Eingangsspannungsbereich auf 22 V begrenzt werden.
Der Nennwert des Strommesswiderstands ist nicht besonders passend. Er arbeitet zwar in einem normalen thermischen Bereich, aber ich würde ihn trotzdem ersetzen, da er sich stark erwärmt und dadurch benachbarte Bauteile beschädigen kann.
Die Eingangsdiodenbrücke arbeitet an ihrer Belastungsgrenze. Besser die Dioden durch leistungsstärkere ersetzen.

Meine Meinung: Beim Zusammenbau hatte ich den Eindruck, dass die Schaltung von zwei verschiedenen Leuten entwickelt wurde. Der eine hat das richtige Regelprinzip, eine Referenzspannungsquelle, eine negative Spannungsquelle und Schutzschaltungen vorgesehen. Der andere hat dafür den Shunt, die Operationsverstärker und die Diodenbrücke falsch ausgewählt.
Die Schaltung des Geräts hat mir sehr gut gefallen. Im Abschnitt zu den Modifikationen wollte ich zunächst die Operationsverstärker austauschen und habe sogar ICs mit einer maximalen Betriebsspannung von 40 V gekauft, mich dann aber doch gegen den Umbau entschieden. Ansonsten ist die Lösung ziemlich gut durchdacht, die Regelung ist stufenlos und linear. Wärme entsteht natürlich, das lässt sich nicht vermeiden. Insgesamt finde ich, dass dies ein sehr guter und nützlicher Bausatz für Elektronik-Einsteiger ist.
Sicher gibt es Leute, die schreiben werden, dass es einfacher ist, ein fertiges Gerät zu kaufen. Ich finde aber, dass der Selbstbau interessanter (und das ist wohl das Wichtigste) und lehrreicher ist. Außerdem hat man zu Hause oft noch einen Transformator, einen Kühlkörper von einem alten Prozessor und irgendein Gehäuse herumliegen.

Während ich den Testbericht schrieb, wurde mein Eindruck immer stärker, dass dieser Beitrag der Auftakt zu einer Reihe von Artikeln über lineare Netzteile sein könnte. Ich habe schon ein paar Ideen für Verbesserungen:
1. Die Anzeige- und Steuerungsschaltung auf eine digitale Lösung umstellen, eventuell mit Anschluss an einen Computer.
2. Die Operationsverstärker durch Hochspannungs-OPVs ersetzen (ich weiß noch nicht, welche).
3. Nach dem Austausch der OPVs möchte ich zwei automatisch umschaltbare Bereiche einrichten und den Ausgangsspannungsbereich erweitern.
4. Das Strommessverfahren in der Anzeigeeinheit ändern, damit die Spannung unter Last nicht einbricht.
5. Eine Taste zum Abschalten der Ausgangsspannung hinzufügen.

Das war es wohl erst einmal. Vielleicht fällt mir noch etwas ein, das ich ergänzen kann. Vor allem freue ich mich aber auf Kommentare und Fragen.
Außerdem habe ich vor, noch einige weitere Bausätze für Elektronik-Einsteiger vorzustellen. Vielleicht hat jemand Vorschläge für bestimmte Bausätze.


Das Produkt wurde vom Shop für diesen Testbericht zur Verfügung gestellt.