12Volt 20Ampere Linearnetzteil KD503 - Seite 3/3
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Und weiter mit dem dritten und letzten Teil.
Juli 2018
Der neue Trafo leistet nicht nur mehr Strom, sondern ist in seiner Bauform auch viel kleiner. Das liegt daran, das es ein Ringkerntransformator ist. Durch seine bauart bedingte Remanenz,
ist beim Einschalten ein sehr hoher Einschaltstrom zu erwarten. Das liegt daran, weil der Kern vom vorherigen Einschalten noch einen gewissen Restmagnettismus inne hat. Auch ist die
Stromaufnahme im Leerlauf deutlich geringer gegenüber Transformatoren mit eckigen Kernen.
Für die Kühlung hatte ich langezeit keine gute Lösung. Kabelbinder oder selber Konstrukte erfinden war nicht zielführend. Daher schaute ich in der Bucht nach passenden Möglichkeiten.
Und ich wurde fündig. Ein Adapterrahmen aus der Serverkühlung mit 3 x 120mm Lüftern für 12 Volt, inkl. den Lüftern von Delta. Da keiner wollte, habe ich hier zuegeschlagen. Zufällig passte
das Blech ohne Nachbearbeitung auf den langen Kühlkörper. Auf beiden Seiten musste nur eine passende Halterung erfunden werden.
Die Halterung besteht aus Resten und Aluwinkeln. Ohne Muttern kann man hier auch recht schnell alles Demontieren.
Wir werden sehen, ob die Kühlleistung ausreicht. Geregelt wird hier wie schon erwähnt mit Thomas seiner Lüftersteuerung.
Jetzt wird es tricky. Mein Problem bestand darin, das der Trafo eine interne Thermosicherung besitzt, die nicht selbst rücksetellend ist. Da ich aber
den maximalen Strom entnehmen möchte und trotzdem einen definierten Abschaltpunkt haben möchte, fallen Schmelzsicherungen fast komplett raus.
Angenommen, ich entnehme einen Strom von 14 Ampere und benötige für einen kurzen Augenblick 20 Ampere...das Netztteil könnte, aber die Sicherung warscheinlich nicht.
Kurzzeitige Lastspitzen sind genau die Spezialität dieses Netzteils. Endstufen oder ähnliches sind hier gut aufgehoben. Wie aber den Strom begrenzen?
Ich schaute mich im Internet um, und fand diese Seite, auf der eine elektronische Sicherung abgebildet war.
Mein Interesse war geweckt, .. also den Link gekürzt und auf die Hauptseite gekommen, dort das Kontaktformular gesucht und eine Email geschrieben.
Nach einer kurzen Wartezeit bekam ich auch eine sehr positive Antwort und den Vorschlag, das der gute Bernhard mir so eine individualisierte elektronische Sicherung anfertigen möchte.
Was soll ich sagen...mega geil! Nach einigen Emails, kam auch recht schnell der erste Prototyp bei mir an, welcher einen Strom bis 50 Ampere zuverlässig innerhalb einer voreinstellbaren Zeit erkennen und die
Ausgänge abschalten kann. Nach ein paar Problemen meinerseits, und etwas geschreibsel funktionierte
die Sicherung ohne nennenswerte Probleme.
Auf diesem Bild ist diese Sicherung zu sehen.
Diese besitzt auch ein kleines Display. Es wird später über den sog. I2C Bus angesprochen. Das Display ist ein 1602 Character HD44780 Display.
Hier sieht man auch schön den aufgelöteten Adapter. Dank China ist das Zeug alles spottbillig.
Von Vorne erkennt man so erstmal garnichts. Es ist ein Display, welches jeweils 16 Zeichen auf zwei Zeilen anzeigen kann.
Das alte Display ist ein herkömmliches LC-Display ohne Hintergrundbeleuchtung und mit einem kleinen Schalter, um zwischen Strom und Spannungsanzeige zu wählen.
Selbstverständlich musste die Front auch angepasst werden. Da dieses zusätzliche Display auch seinen Platz finden möchte, war es erst einmal
sehr schwierig diesen auch zu finden. Dafür mussten Löcher weichen und neue gebohrt werden.
Die neue Aufteilung zeigt die Ausgänge nun links neben dem Display für die Sicherung.
Auf diesem Bild erkennt man die Platine, und mittig den großen Stromsensor. Er beinhaltet einen Hallsensor, welcher durch das anliegende Magnetfeld im
Stromdurchflossenen Leiter den Strom interpretieren kann. Dieser wird dann analog an einen kleinen Baustein geleitet, welcher diese Daten nun digital aufbereitet
und über den schon genannten I2C Bus leitet.
Die Platine habe ich probehalber mal auf eine Montagefront gesetzt, was sich aber aus Gründen des Platzes nicht umstzen ließ.
Hier die Sicherungsplatine im verdrahteten Zustand. Die Stromführenden Litzen, wurden mit Ringösen befestigt. Hierbei ist darauf zu achten, das
bei den auftretenden Strömen von 14 Ampere eine Erwärmung stattfinden wird, wenn die Befestigung nicht mit Federringen und Unterlegscheiben geschieht.
Eine feste und sichere Verbindung ist hier Pflicht!!!
Und wie es manchmal so ist, habe ich in einem unachtsamen Augenblick den Mosfet gekillt, welcher den Stromkreis später öffnen soll. Wie mir das
passiert ist, weis ich nicht..aber vermutlich ist ein Stromimpuls am Gate dafür Schuld.
Man sieht auch sehr schön, das der Mosfet extrem heiß geworden ist. Dies geschah durch den erhöhten Innenwiderstand und der nun an ihm abfallenden
Spannung, welche ja auch Wärme erzeugt. Man kann sehr gut meinen Fingerabdruck erkennen.
Also einen neuen bestellt, eingelötet...und tadaaaa...alles ging wieder. Glück gehabt !
Erste längere Testreihen im Teillastbetrieb liefen auch was die Kühlung angeht absolut zufriedenstellend. Hier betreibe ich aktuell ein
kleines Peltierelement als Last.
Noch ist auch das Deck und Bodenblech in weiter ferne. Da muss ich mal was odern. In der Bucht habe ich einen sehr guten Händler gefunden,
welcher auf 0,5mm genau zuschneidet ohne zusätzliche Kosten und den Verschnitt dem ganzen belegt. Zudem findet immer eine sehr freundliche Kommunikation statt.
Der Handel ist zu erreichen über folgenden Link: Ebay-HLS-Tactical.
Doch nun wollte ich es wissen und klemmte zwei größere Lastwiderstände zusammen um auf einen Strom zu kommen, welcher dem Volllastbetrieb entspricht. Auch eine aktive Kühlung
dieser Widerstände musste sein, da die Keramikkörper sonst brechen.
Die Spannung von 12 Volt kann demnach bei einem Strom von 15 Ampere noch locker hegalten werden. Damit überseteigen wir nicht die den maximalen Strom am Trafo, trotz
Lüfter. Ich habe leider kein Bild davon, aber der Trafo wird in diesem Bild vor dem Gleichrichter nur mit einem Strom von 16 Ampere belastet. Wenn ich das Netzteil also
auf 14 Ampere Gleichstrom begrenze im Dauerbetrieb, sollte auch thermisch alles hinhauen. Eine aktive Belüftung des Innenraums ist ebenfalls realisiert worden, um die vom
Trafo abgegebene Wärmeenergie zumindest teilweise nach aussen zu leiten.
Einstellung hier: Stromabschaltung bei 16,3 Ampere innerhalb von 1023 Millisekunden.
Heir sieht man die Platine der Sicherung. Gut zu erkennen ist der rote Nagellack, welchen ich hier als Schutz für das versehendliche Abdrehen der Muttern nutze.
So gesehen, liegt rechts der 7805 Spannungsregler für die Logik und links daneben der Leistungsmosfet für die Stromkreistrennung.
Die Unterseite zeigt eine übersichtliche Anordnung der Baugruppen.
Von oben, würde man meinen ein Chaos zu entdecken. Leider ergibt sich das, wenn so eine recht komplexe Schaltung wächst. Es tut der Funktion aber
keinen Abbruch. Alle Leitungen sind übersichtlich nachzuverfolgen und ggf. auch den Baugruppen zuzuordnen. Die Baugruppen lassen sich mit relativ wenig
Aufwand aus dem Gehäuse entfernen...größtenteils sogar ohne Löten.
Selbstverständlich darf eine vernünftige Beschriftung nicht fehlen. Ich habe wie immer alles mit dem Dymo beschriftet. Die Oberfläche muss vorher nur entfettet werden, dann
hält das alles auch wunderbar.
Beim befestigen der Haltegriffe, hatte ich tatkräftige Ünterstützung.
So sieht alles nun fertig aus. Jedoch passierte, was passieren musste. Bei den Versuchen mit dem Royer Oszillator,
brachten diese Schwingungen auch die grösste Schwachstelle der Elektronischen Sicherung zum vorscheinen. Der ATMEL Prozessor wurde ganz offensichtlich zerstört. Nichts ging mehr, der Mosfet wurde nicht
mehr angesteuert und alles blieb dunkel. Tja...und jetzt? WIEDER anfangen alles aufzuschrauben und dann auch noch nen SMD Bauteil abzulöten? Absolut nicht. Das war schlicht und ergreifend Lehrgeld was
ich zahlen musste, das die Sicherung der falschen Anwendung zugeführt wurde.
Von Infineon gibt es ein kleines Bauteil. Es ist ein kleiner Leistungsschalter, aus dem Automobilbereich. Diese ersetzen Sekundär gesehen den Sicherungs und Überlastschutz
der Boardelektronik. Dennoch, muss dieses Bauteil extern nur mit wenigen Bauteilen beschaltet werden, kostet um die 6 Euro und bietet wirklich geniale Ergebnisse. Das
Abschaltverhalten geschieht auf Basis der internen Überhitzung. Sicher mag man da zusammenzucken,...aber das ist alles halb so wild. Ein Kurzschluss soll ja grundsätzlich
vermieden werden. Eine Überlasung ebendso. Daher verhält sich der Profet-leistungsschalter eher wie eine träge Sicherung.
Das Schaltbild des BTS422 zeigt die einfache Beschaltung. Plus rein, Plus raus. Minus als gemeinsames Potential und eine 5V Steuerspannung mit
gleichem Bezugspotential und eine LED. Fertig! Wohl bemerkt ist das ein sog. High Side Switch. Das bedeutet, das der Verbraucher dauerhaft mit der
Bezugsmasse verbunden ist und über den Profet Leistungsschalter den Plus zugebracht bekommt. Der Innenwiderstand liegt logischer weise nicht bei
0 Ohm. An dieser Stelle ist es wirklich SEHR wenig, aber ausreichend um bei 15Ampere genug Verluste zu erzeugen, die ihn in den Thermoschutz bringen und den
Ausgang freischalten.
Das Loch mit dem ehemaligem Display, füllte ich mit solchen 7-Segment Anzeigen aus. Das ist aber auch eher als kleiner Scherz gedacht, weniger als ernsthafte
Info, die man nicht über die LEDs erkennen kann. Das AN steht für die Spannung an den Ausgangsklemmen. Das AUS bedeutet einfach nur das entweder keine Last angeschlossen ist,
eine Grundlast von ca.700mA nicht vorhanden ist, oder ein Kurzschluss ggf. eine Überlast vorherscht.
Hier sieht man wunderbar, wie der Profet arbeitet. Er schaltet die Last mit seinem internen Mosfet von der Speisespannung weg. Man sieht wie die Halogenleuchtmittel anfangen zu leuchten, der Profet eine Überlast feststellt indem er sich übermßig erwärmt und dadurch abschaltet. Nun kühlt er ab und schaltet die Last wieder zu. Die LED für die Anzeige der Speisespannung direkt hinter dem Siebkondensator leuchtet quasi immer.
Ergo...der Kurzschluss belastet das netzteil maximal impulsmässig.
In diesem Filmchen sieht man auf sehr direkte Weise, wie der Profet den Ausgang freischaltet. Die Spannung hingegen, hinter dem großen Siebelko und VOR der eigentlichen 12 Volt Regelung weiterhin stabil bleibt. Vermutlich ist das netzteil damit dauerhaft Kurzschlussfest, ...naja, aber diese thermische belastung für den Profet wird nicht das wahre sein. Für den Fall der Fälle, allemale eine Lösung.
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Auch hier hatte ich wieder viel Spaß am basteln. Ich kann nur hoffen, das es euch gefallen hat.
Abschließend möchte ich hier noch ein paar Quellen angeben, mit denen ihr dieses Projekt leichter nachbauen köntet.
Zu dem Thema Profet BTS 442 möchte ich abschließend noch ein paar Worte loswerden.
Es ist ein toller Baustein, der auch garnicht mal soooo neu auf dem Markt ist. Er schütz wunderbar Leitungen, Verbraucher und Energiespender...durch einen Abschaltvorgang, dem eine enorme Erwärmung des Profet vorausgeht. Gerade dieser Punkt sagt im umkehrschluss auch aus, das eine zu eifriege Kühlung des Bausteins dazu führen kann, das er im Kurzschlussfall zu stark verzögert auslöst. Eine Schmelzsicherung ersetzt dieser Baustein nicht, aber er ist eine echt tolle Sache, wenn es darum geht Leitungen und Kontakte bei einem Kurzschluss nicht unnötig zu belasten. Oft kosten die Klemmstellen am ende mehr, als der Baustein selbst.
Zum Thema kühlen sagt das Datenblatt beim BTS442 folgendes aus:
Device on 50mm*50mm*1.5mm epoxy PCB FR4 with 6cm2 (one layer, 70µm thick) copper area for Vbb connection. PCB is vertical without blown air
Hilfestellung und Anleitung zum Programmieren eines Atmels mit der .hex Datei und ohne Programmierkenntnissen --> HIER
Die hier für die Sicherung verwendeten Daten wie Layout und .hex Datei --> folgt bald
Mein bevorzugter Händler, wenn es um Alublechzuschnitte geht --> HLS-Tactical
Strombelastbarkeit-Leiterbahnen.pdf aufbereitet von Fa.Dischereit --> HIER die PDF ansehen
Die IPC 2221a aus den späten 1950er jahren diente als Vorlage --> HIER die PDF ansehen
Das Datenblatt zum BTS422 Leistungsschalter von Infineon --> HIER die PDF ansehen
Euer Verfasser
Di / 08.03.2022
