Einleitung

In folgendem Projekt werde ich den Aufbau und die Funktionsweise eines geregelten Hochspannungsnetzteiles in Schaltregler-Bauweise erklären. Entsprechende Geräte sind meist recht teuer und voluminös, weswegen ich auf einen Selbstbau gesetzt habe. Die Ausgangsspannung soll bis 600 VDC betragen, um primär Experimente mit Röhren abzudecken (Audioverstärker und Fokusspannungen), möglichst frei von Restwelligkeiten sein und nicht durch ein Poti, sondern präziser über Drehschalter vorgegeben werden. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, ein externes Modulationssignal einzuspeisen, dessen Bandbreite ist aufgrund der Trägheit des Schaltreglers auf etwa 100 Hz begrenzt. Der maximale Ausgangsstrom ist bis 50 mA vorgesehen, somit besteht ein Kurzschlussschutz, sowie eine Temperaturabschaltung. Hier noch mal ein kleiner Überblick der technischen Daten:

 

  • Ausgangsspannung: ~0-600 VDC
  • Ausgangsstrom: bis 50 mA, kurzzeitig bis 100 mA
  • Restwelligkeit max. 1 Vpp (Durch Bandsperr- und Tiefpassfilter)
  • Soll-Vorgabe durch Drehschalter in 100/10V-Schritten; zusätzlich Poti zur Feinkorrektur
  • BNC-Eingang (0-5 V) für externe Modulation der Ausgangsspannung (Bandbreite ~100 Hz)
  • Gleichzeitige Anzeige von U/I durch Messinstrumente
  • Regelbare Strombegrenzung: Konstantstrombetrieb oder Trip-Mode (Abschaltung bei Überschreiten)
  • Temperaturgesteuerter Lüfter, Übertemperaturabschaltung

 


Schaltregler Funktionsweise

Ein linearer Regler, wie sie einfache Schaltungen mit einem Transistor oder dem beliebten LM317 darstellen, wirken als adaptiver Widerstand, um genau die Spannung an sich abfallen zu lassen, die der Differenz zwischen Eingangsspannung und gewünschter Ausgangsspannung entspricht. Die führt zu Ineffizienz bei niedriger Ausgangsspannung und gleichzeitig hohem Ausgangsstrom, Abhilfe schafft hier der Schaltregler. Im einfachsten Fall wird hier ein reines PWM-Signal genutzt, wodurch die Ausgangsspannung zwischen 0V (0% Tastverhältnis) und der Eingangsspannung (100% Tastverhältnis) liegen kann, unterscheidet sich die Ausgangsspannung jedoch deutlich von der Eingangsspannung (bzw. soll höher sein), so müssen zusätzlich noch eine Spule (Aufwärts-/Abwärtswandler) oder ein Trafo verwendet werden.

Die Induktivität wird über einen Schalttransistor (aufgrund geringen Innenwiderstands zumeist MOSFETS) mit fester Frequenz, aber variablem Tastverhältnis angesteuert. Ein Regelkreis vergleicht die Ausgangsspannung mit dem Soll-Wert und stellt das passende Pulsweitenverhältnis ein. Als Regler werden idealerweise Operationsverstärker verwendet, welche aber nur eine Spannung ausgeben können, aber kein PWM-Signal, hier wird ein kleiner Trick angewandt:

PWM-Regler

Am invertierenden Eingang eines Komparators liegt ein Sägezahn- oder Dreiecksignal an, am nichtinvertierenden die Spannung des Reglers. Durch Erhöhen dieser vergrößert sich die Pulsweite und umgekehrt und somit der maximale Strom am Ausgang, da der Ausgang des Komparators immer einen High-Pegel ausgibt, wenn das Dreiecksignal unter die Spannung des Fehlerverstärkers fällt. Die Ausgangsspannung berechnet sich nach U = R*I, wobei R der Innenwiderstand des Verbrauchers ist, I folgt dem Pulsweitenverhältnis, somit besteht eine direkte Proportionalität.

 


Dreieckgenerator

Zuerst hatte ich ein Dreiecksignal ganz klassisch mit einem NE555 generiert, bei etwa 50 kHz Schaltfrequenz war das Signal aber schon sehr verzerrt und instabil. Hier musste also mehr Aufwand betrieben werden, wie erzeugt man überhaupt ein Dreiecksignal? Diese Frage ist einfach zu beantworten, lädt man einen Kondensator mit konstantem Strom, so steigt dessen Spannung linear an.

Durch Zufall hatte ich ein Video zu einem diskreten Dreieckgenerator vom Nutzer “w2aew” gefunden, welcher für solch einfache Zwecke ideal ist, wer sich für die Theorie dahinter genauer interessiert, findet es hier: YouTube

Dreieckgenerator_diskret_50kHz

Der linke Teil besteht aus 2 Konstantstromquellen, die Obere (D1, D2, Q1, R2), lädt den Kondensator C1, die Untere entlädt diesen. Der Komparator U2 schaltet je nach Spannung an C1 über den Diodenringmischer (D5-D8) jeweils eine Konstantstromquelle zu, die Hysterese des Komparators (durch R6) bestimmt somit mit die Amplitude des Dreiecksignals. Über das Poti R1 kann die Grundfrequenz von 50 kHz um etwa +-25 kHz variiert werden, was später beim Ausgangsfilter wichtig sein wird. Der Komparator U1 gibt das PWM-Signal aus, die Pulsweite ist abhängig von der Spannung an V6 (oder dem Regel-OPV). Am Oszilloskop-Bild sieht man schon eine deutliche Verzerrung, was aber noch am störbehafteten Aufbau auf dem Steckbrett und dem langsamen Komparator (LM393) liegt, was jedoch keine Probleme in der Regelung verursacht hat.

Die Schaltung habe ich mit LTspice simuliert, die Projektdatei gibt es hier als Download:

  Dreieck-Generator_diskret_50kHz.asc (3.7 KiB, 409 hits)

Es muss natürlich nicht explizit ein Dreiecksignal verwendet werden, Sägezahn ginge genauso.

 


Regler

Der Regelkreis besteht aus einem LM358 Operationsverstärker, welcher als Fehlerverstärker (Integrator) fungiert.

Regelkreis

Erklärung von rechts nach links:

Die gemessene Ausgangsspannung geht über einen Impedanzwandler (IC2B) an den invertierenden Eingang vom Regel-OPV (IC2A). R11 führt ungewollte Spannungen gegen Masse ab: löst sich die Verbindung zum Poti/Drehschalter, ist der Eingang hochohmig und lädt sich auf, wodurch die Spannung am Ausgang maximal werden kann. Der Trimmer R7 setzt die Amplitude vom Regel-OPV herunter, denn diese darf nicht höher als das Dreiecksignal werden, der MOSFET würde dauerhaft durchsteuern und die Ausgangsspannung fiele auf 0.

Um die Flankensteilheit zu erhöhen und somit Verluste zu verringern, ist zwischen dem Ausgang des Komparators IC1B und dem Gate des MOSFETs eine Gegentaktstufe verbaut. Zenerdiode D1 schützt das Gate vor Überspannungen, die Schottkydiode D6 parallel zur Body-Diode den MOSFET vor Spannungsspitzen durch die Induktivität.

 


Ausgang und Strombegrenzung

Der MOSFET steuert einen Schaltnetzteil-Trafo, an dessen Primärseite ist ein Spannungsvervielfacher angeschlossen, der aus der Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugt, die größer ist, als die Amplitude des Eingangssignals. Zum Einsatz kommt eine 2-stufige Villardschaltung (linker Teil):

Ausgang_1

Über einen 10Ω-Shuntwiderstand (R18) wird der Strom gemessen, 10 mA erzeugen einen Spannungsabfall von 100 mV. Es macht jedoch wenig Sinn, diesen Widerstand direkt mit dem Eingang eines OPVs zu verbinden: überlastet man den Ausgang des Netzteiles auf 200 mA, steigt die Spannung am Shunt auf 2 V an, was noch kein Problem ist. Kommt es jedoch zu einem Kurzschluss und es fließen angenommen kurzzeitig 20A, treten am Widerstand schon 200V auf, Folge ist, dass der Operationsverstärker zerstört wird. Die Schutzbeschaltung besteht aus einer Zenerdiode (D18), welche Spannungen über 5,6 V am Shunt gegen Masse ableitet. Damit auch diese nicht von dem hohen Spitzenstrom Schaden nimmt, ist zwingend ein Serienwiderstand (R20) vor dieser notwendig! Ein kleiner Kondensator (C12) entfernt Störsignale und verringert die Bandbreite der Strombegrenzung und -messung, er bildet mit dem Widerstand R20 einen RC-Tiefpass.

Um einen Überlastschutz einerseits für die Endstufe und andererseits für die am Ausgang angeschlossenen Baugruppen zu erreichen, wird die Schaltung noch um eine einstellbare Strombegrenzung ergänzt. Diese ist sehr rudimentär ausgeführt und somit nicht mit der Stabilität eines linearen Labornetzteiles vergleichbar. Das hat primär den Grund, dass bei den meisten Anwendungen in der Hochspannung eine grobe Begrenzung des Stromes ausreicht, es muss kein genauer Wert fließen, außerdem ist bei Schaltnetzteilen aufgrund der Trägheit der Regelung ein Konstantstrombetrieb komplizierter abzustimmen.

Strombegrenzung

Ein LM358 wird als langsamer Komparator “missbraucht”, die Schaltschwelle und somit der Konstantstrom wird mit dem Poti R17 eingestellt. Steigt der gemessene Strom, also der Spannungsabfall am Shunt, über die Spannung am invertierenden Eingang, wird ein High-Pegel ausgegeben, der FET Q3 wird niederohmig und verringert die Spannung am Netz “VSET”. Folge: die Ausgangsspannung sinkt, egal welche Spannung durch das Poti festgelegt ist.
Über einen Schalter lässt sich die Strombegrenzung für Testzwecke deaktivieren, ob man das braucht und die Gefahr einer Überlastung des MOSFETs eingeht, sei jedem selbst überlassen.

 


Erster Aufbau

HV-Netzteil_Aufbau

Ein zugegebenermaßen chaotischer, aber funktionierender Aufbau auf Breadboards. Auf dem Oberen befindet sich (von links nach rechts) ein Spannungsregler, der OPV für Konstantstrom sowie die Schutzschaltung für die Strommessung. Auf dem Unteren der Dreieckgenerator, Komparator, Regelstufe und Gegentakttreiber, sowie Spannungsteiler.
Der MOSFET wird aktiv gekühlt, am Ausgang hängt eine 230V~/35W Halogenlampe bei etwa 120 V.

Der Aufbau eignet sich bereits für einfache Experimente, hat aber noch eine hohe Restwelligkeit von 10 Vpp am Ausgang:

Restwelligkeit_1

Spannung: 110 V, Strom: 99 mA

Hier noch mal der komplette Schaltplan, unten auch als Download für EAGLE:

HV-Netzteil_Aufbau1_Schaltung

Download EAGLE-Schematic:

  Hochspannungs-Netzteil_Aufbau1.sch (1.1 MiB, 839 hits)

 

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