LM723-Linearnetzteil

Linear geregelte Netzteile bestehen, neben dem Transformator, aus einer Regelschaltung, einem Gleichrichter und einem Kondensator. Zusammen liefern sie eine konstante Gleichspannung von 13,8 V an den Ausgangsklemmen und stellen sicher, dass an der angeschlossenen Last keine Störgeräusche oder Brummen auftreten.

Dies ist eine Zusammenstellung von Informationen und Tests, die beim Bau mehrerer Linearnetzteile gesammelt wurden, von der Wahl des Transformators bis zu den Schutzschaltungen.

Trotz ihres Gewichts und ihrer Größe haben sie gegenüber einem Schaltnetzteil weiterhin Vorteile, vor allem in Bezug auf EMI (elektromagnetische Störungen). Beim Schaltungsentwurf und beim Überspannungsschutz ist jedoch Vorsicht geboten: Sollte einer der Leistungstransistoren einen Kurzschluss haben (sie liegen in Reihe mit der Last und der Gleichrichterschaltung), liegt die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung direkt an den Ausgangsklemmen an.

Entwurf eines Netzteils mit 13,8 V x 35 A

Wichtige Punkte, die beim Entwurf eines Linearnetzteils berücksichtigt werden müssen.

Wahl des Transformators

Das Herzstück eines Linearnetzteils ist sein Transformator, der bei den allermeisten Projekten eine Wechselspannung zwischen 16-18 V liefern muss. Nach der Gleichrichterschaltung beträgt diese Spannung etwa 22-25 V Gleichspannung. Diese Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang des Netzteils ist notwendig, damit die geschlossene Regelschleife arbeiten kann und unabhängig vom Laststrom eine konstante Spannung von 13,8 V gewährleistet.

Manche Entwürfe, wie der im Folgenden beschriebene, besitzen am Netztransformator eine zweite Ausgangswicklung von etwa 22 V, um ausschließlich die Regelschaltung zu versorgen und so eine höhere Stabilität der Ausgangsspannung zu gewährleisten.

Mit dieser Gleichung lässt sich Vp berechnen, die Gleichspannung an den Anschlüssen des Kondensators der Gleichrichterschaltung, ausgehend von Vef, der Wechselspannung am Transformatorausgang (gemessen mit einem Multimeter im Wechselspannungsbereich).

Gleichrichterschaltung

Es sollte immer eine Vollweg-Brückengleichrichtung verwendet werden, um einen geringeren Ripple zu erzielen und die Größe des Elektrolytkondensators zu verringern. Es gibt die Option der Vollbrücke mit 4 Dioden (oder eines handelsüblichen Brückengleichrichters) sowie die Variante mit zwei Dioden für einen Ausgang mit Mittelanzapfung (bei dieser Topologie führt jede Transformatoranzapfung die Hälfte des Gesamtstroms bei gleicher Ausgangsspannung).

Der Kondensator kann über Gleichungen und das gewünschte Ripple-Verhältnis am Ausgang berechnet werden, für ein 35-A-Netzteil genügt jedoch eine Kapazität von 40.000-60.000 µF. Ein derart großer Kondensator ist nicht immer leicht zu finden, und eine praktische — und sogar günstigere — Alternative ist die Parallelschaltung mehrerer Elektrolytkondensatoren (6 x 10.000 µF x 35 V).

VCC ist die Spannung Vp, die sich aus der zuvor beschriebenen Gleichung ergibt.

Regelschaltung

Für die Regelschaltung gibt es unzählige Topologien, von Entwürfen mit diskreten Bauteilen wie Transistoren und Zenerdioden bis hin zu Varianten mit dem klassischen LM723, der intern Schaltungen zur Spannungs- und Stromregelung im geschlossenen Regelkreis bereitstellt.

Leistungsschaltung

Diese Leistungsschaltung ist ein Klassiker bei Linearnetzteilen, mit kleinen Abweichungen bei den Symmetrierwiderständen und den Transistoreigenschaften.

Es muss stets die gesamte Verlustleistung des Netzteils berücksichtigt werden. Für ein Netzteil mit 35 A x 13,8 V ergibt sich eine Gesamtleistung von 483 W, aufgeteilt auf die 4 Transistoren (je 120 W). Jeder Transistor 2N3771 kann 150 W abführen und arbeitet in diesem Entwurf mit Reserve. Außerdem wird ein beachtlicher Kühlkörper benötigt, um diese Gesamtleistung abzuführen.

Überspannungsschutzschaltung

Diese Schaltung dient dazu, das am Ausgang des Netzteils angeschlossene Gerät vor einer Spannung über 16 V zu schützen. Grund dafür ist die Konfiguration der Leistungsstufe mit in Reihe geschalteten Transistoren: Sollte einer von ihnen einen Kurzschluss haben, läge am Ausgang dieselbe Spannung wie am Brückengleichrichter + Kondensator an, was Werte über 20 V erreichen kann.

Der verwendete Thyristor (SCR) ist nicht kritisch; es muss lediglich darauf geachtet werden, dass sein Stromwert mindestens über dem Strom des Transformators liegt.

Eine günstige Alternative ist die Verwendung eines Hochleistungs-TRIACs aus einem ausgeschlachteten elektrischen Durchlauferhitzer, der in der Regel Ströme über 30 A verträgt.

Aufbau

Diese Schaltung ist die Summe mehrerer Projekte, Tests und vieler durchgebrannter Bauteile (Tests über Tests). Die ursprüngliche Idee war, einen einzigen Transformator für beide Ausgangsspannungen zu verwenden (17 V für die Leistungsstufe und 22 V für die Regelschaltung), da ich aber bereits einen Transformator mit 35 A x 17 V zur Hand hatte, entschied ich mich, einen 24-V-x-3-A-Transformator aus einer alten Stereoanlage weiterzuverwenden, wobei einige Windungen der Sekundärwicklung entfernt werden mussten, um die benötigte Spannung zu erreichen.