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Die Entwicklung eines 450W-Schaltnetzteils
von Johannes Walk, erstellt 11.2004. DERZEIT IN ARBEIT!!!
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WARNUNG: Da hier mit größeren Leistungen und Frequenzen hantiert wird, sind Kenntnisse mit hohen Strömen und Spannungen sowie der EMV erforderlich. Beim
potentiellen Nachbauen übernehme ich keinerlei Haftung für irgendeiner Art von Fehlfunktion, sowie Funkstörung und möglichen Auswirkungen. Die hier vorgestellten Beispiele wurden
hauptsächlich selber erarbeitet. Bei Verstößen gegen vorhandene Copyright-Bestimmungen übernehme ich keine Haftung, bitte aber um Benachrichtigung.
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Hinweis: Das Nachbauen des hier vorgestellten Projekts erfordert tiefergehende Kenntnisse der (Leistungs-)Elektronik!
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Weiterer Hinweis: Aus Gründen des hier im Internet üblichen wilden Downloadens und Verbreitens unter eigenem Namen wurden ein paar für den Aufbau wichtige Daten
weggelassen. Bei Interesse an einem Nachbau können diese von Privatpersonen bei mir erfragt werden..
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Inhalte dieser Seite:
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Vorwort:
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Es handelt sich hier um ein programmierbares und störarmes Schaltnetzteil, welches dauerhaft von etwa 0V bis hin zu 15V einen einstellbaren Strom bis etwa 32A
(40A) liefern kann und somit als Leistungs-Ladegerät oder als Labornetzteil o.ä. nutzbar ist.
Die Besonderheiten dieses Netzteiles sind:
- Aufbau als Steckkarte,
- Störarme Vollbrückentopologie,
- Leerlauf- und Dauerkurzschlussfest (Schweissfest!!),
- fest programmierbar
oder fernsteuerbar über mein 48/52bit-BUS-System
sowie nach Softwareänderung über andere Protokolle,
- Alle Parameter können während des Betriebes ausgelesen werden
(U, I, Temp, PWM-Verhältnis, P etc.)
- Wirkungsgrad bis zu 90%,
- Kühlung auch unter Volllast unter bestimmten Umständen nicht erforderlich,
- geringe Restwelligkeit im Vergleich zu einfachen Netzteilschaltungen,
- keine PFC vorhanden,
- keine Stromsenke vorhanden.
- Externe Stromversorgung notwendig (+ 15V für OP’s und PIC)
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Dieses Schaltnetzteil wurde im Rahmen des Projektes “Ladestation/Hausenergieversorgung” entwickelt. Nach längerer Entwicklungszeit und etlichen Fehlversuchen (was die
Primärtransistoransteuerung betrifft) habe ich endlich ein brauchbares Schaltnetzteil zustande gebracht. Während dessen Entwicklung war ich mit mehreren Fragen und Problemen konfrontiert, wie zum
Beispiel:
- Schaltnetzteil-Topologie?
- Übertrager- und Drosselberechnung?
- Welche Leistungsbauelemente?
- Ansteuerung (Wie und mit was)?
- EMV und Störungsbeseitigung
All diese Fragen und Probleme, die in der Entwicklung meines Schaltnetzteiles aufgetreten sind, werden im Folgenden angeschnitten und aus deren Lösungen ein funktionierendes Schaltnetzteil gebaut.
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Die History des Schaltnetzteils:
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Die (Vor-) Versionen des Schaltnetzteiles:
- V1.0: Erste Version. Vollbrücken-IGBT-Modul-Ansteuerung per PC-Optokoppler und Energieversorgung der Ansteuerung primärseitig per Widerstände. Ansteuerung auf externer 19”-Platine.
- V1.1: IGBT-Ansteuerung per Spezialkoppler und Energieversorgung der Ansteuerung primärseitig per Widerstände. Ansteuerung auf externer 19”-Platine.
- V1.2: IGBT-Ansteuerung per Spezialkoppler und Energieversorgung der Ansteuerung primärseitig über Hilfsspannung. Ansteuerung auf externer 19”-Platine.
- V1.3: Gesamtschaltung auf einer Steckkarte mit steckbaren Funktionsmodulen, 4 x FREDFET Fullbridged, Ansteuerung per Zündübertrager und TL494(CN)-PWM-Karte, sowie mit
Com-Card-Steckplatz.
- V1.3 (korr.) Die hier vorgestellte korrigierte Version 1.3, welche elektrisch der Version 1.4 entspricht.
- V1.4: Verbesserte und entstörte Version 1.3, 4 x IGBT Fullbridged, Ansteuerung per Übertrager und TL494(CN)-Modul, mit Com-Card-Steckplatz.
- V1.4b: nochmals verbesserte V1.4: Reglerspannungen besser entstört/gefiltert, durch Einsatz anderer Schalttransistoren Wirkungsgrad weiter optimiert und PIC-ADW-Signale per RC
gefiltert.
- Geplant: V1.5: Eine um eine PFC erweiterte V1.4.
Hier auf dieser Seite wird die korrigierte Version V1.3 bzw. Version 1.4 vorgestellt.
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Eckdaten des hier vorgestellten Aufbaus:
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Das Schaltnetzteil V1.3 (korr) weist folgende Daten auf:
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- Ua = 0V ... 15V
(ohne Begr. max. 20V)
- Ia = 0A ... 32A
(mit größerem Lüfter 40A)
- Ungefähre Restwelligkeit:
- Ua bei 14V/32A: 0,3V
- Ia bei 10V/32A: 0,5A
- Taktfrequenz: 50kHz +15%
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- Primär und Sekundärkreis galvanisch getrennt.
- Übertragertransformator mit Schutzleiterwicklung
- Selbst gewickelte und mehrfach schichtlackierte Leistungsinduktivitäten
- Wirkungsgrad (ausgenommen Lüfter und Steuerstromversorgung): bis zu 90%
- Abmaße: 233 x 165 x 75 (L x B x H) für 19”-Rahmen mit 6HE
- Aufgebaut auf doppelseitiger 35µm kupferkaschierter Epoxydharzplatine mit Leiterbahn- verstärkung im Ausgangskreis.
- Störabstrahlungswerte sowie Oberwellenerzeugung auf Netzspannung noch nicht erfasst, wird aber demnächst gemessen. Mit einfachen Mitteln wurde so gut wie keine Funkstörung registriert.
Aufbau kann zu Versuchszwecken sogar ohne abschirmendes Gehäuse betrieben werden.
- + 15V Stromversorgung mit etwa 200mA benötigt (6W)
- bei Volllastbetrieb Lüfter empfohlen (1-2W)
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Doch zunächst möchte ich auf ein paar Grundlagen eingehen.
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Arten von Schaltnetzteilen:
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kommt noch...
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Gewählte Schaltungstopologie:
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kommt noch...
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Kleine Vorberechnungen:
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kommt noch...
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Die Schaltung:
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Die Hauptplatine:
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Das Platinenlayout für die Platinenunterseite.
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Die Leiterbahnen der 2-Layer-Platine.
Man erkennt sehr gut den Lastkreis (fett rot).
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Das Platinenlayout für die Platinenoberseite.
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Die Bestückung auf der Platinenunterseite.
Die Bauteile T1-4, die Diode und die Messshunts sind auf dem Kühlkörper montiert.
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Die Bestückung auf der Platinenoberseite.
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Die frisch geätzte doppelseitige Netzteil-Platine.
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Die Montage des Kühlkörpers auf der Platinenunterseite.
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Die Montage des Kühlkörpers auf der Platinenunterseite.
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Die PWM-Platine:
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Die Optokoppler-Kommunikations-Schaltung Version 1.0 (klein und primitiv)
KLICK FÜR GROßBILD
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