Labornetzteil mit ATMEGA 8

Es soll ein Labornetzteil entstehen, dass eine schnelle Ausregelzeit hat und eine geringe Restwelligkeit. Desweiteren wird eine PC-Steuerung via USB angestebt und eine Datenübernahme von Strom und Spannung vom PC.

Die Regelung erfolgt analog mit OPVs, um die kurze Ausregelzeit zu erreichen. Die Regelung digital vom ATMEL übernehmen zu lassen, wie in [4] gemacht, würde eine Ausregelzeit von 2ms und mehr bedeuten. Eine analoge Regelung mit OPVs dagegen ist um einiges schneller. Die Sollvorgabe von Strom und Spannung erfolgt vom ATMEL über 12bit-DACs bei Verwendung eines Drehgebers.

Das Netzteil funktioniert zwischenzeitlich perfekt, die Restwelligkeit ist unter 5mV bzw. beträgt ca. 0,05%.

Bild vom fertigen Aufbau:

Oszi-Bilder der Tests des Netzteils:

Dabei ist das linke Bild nach dem Aktivieren nach Standby, das mittlere Bild beim Einsetzen der Strombegrenzung (Sollwerte: 5Volt/1A) und das rechte Bild nach Aufheben der Strombegrenzung. Die kleinen Wackler können entstanden sein da ich den Ausgang nur mit einem Kabel kurz geschlossen habe.

Es sind einige Änderungen bei den Tests der Platinen entstanden, siehe die Hinweise.

21.10.2014 Die Softwareversion 2.83 ist fertig und getestet. Der Abgleich des ADC ist nun automatisch.

08.10.2014 Es ist vollbracht. Der Umbau ist abgeschlossen. Was mich noch ärgert ist die geringe Auflösung des ADC von nur 10bit. Dazu werde ich demnächst ein Oversampling des ADC auf 12bit in die Software einfügen. Desweiteren kommt ein Abgleich mit jeweils 2 Stützpunkten.

22.09.2014 die Zeit rennt dahin aber noch ist der Umbau nicht fertig. Da ich aber einmal alles zerlegt habe wird die Regelungsplatine nochmals geändert. Damit fällt der Abgleich für die Lastkompensation weg.

05.06.2014 ein Gerät ist nie fertig… Die Idee mit der passiven Kühlung ist suboptimal. Bei einem schnellen Anstieg der Verlustleistung ist der große Kühlkörper zu träge. Deshab wird die Kühlung auf aktive Kühlung umgestellt. Damit die Verlustleistung schnell abgeführt werden kann werden 2 CPU-Kühler eingesetzt. Als weiterer Vorteil ist das geringere Gewicht gegenüber dem rießigen Kühlkörper jetzt.

25.04.2011 Neue Softwareversion „version2.7“. Es wurde die Strombegrenzung implementiert.

11.05.2010: es ist fast geschafft, wieder einige Bugs beseitigt, neue Firmware: ver2_3R06. Mit dieser Version läuft das Netzteil bereits fehlerfrei. Der Abgleich der DACs funktioniert auch.

04.05.2010: Netzteil funktioniert, nur die Kalibrierfunktion in der AVR-Firmware ist fehlerhaft. to be continued…

01.04.2010: kein Aprilscherz, Verkabelung fertig gestellt. Nun folgen die Abgleicharbeiten und Funktionstests.

21.12.2009: Kompensationsschaltung für die Offset-Spannung vom Shunt funktioniert. Die Entwicklung der Analog-Hardware ist damit erfolgreich abgeschlossen.

11.12.2009: Leider ist noch ein Fehler in der Reglerschaltung. Da die Strom-Messung gegen Masse erfolgt hat dies Einfluss auf die Spannungsregelung. Dieser Offset vom Mess-Shunt muss noch eliminiert werden.

30.11.2009: Die Kapazität der Siebelkos war zu wenig, diese auf 8000µF erhöht. Mehr Platz ist nicht. Die Ausgangsspannung hat nun einen Ripple von 10mV. Was jetzt noch aussteht ist der Test mit der AVR-Platine.

21.11.2009: die eigentlichen Fehler gefunden, der BD139 ist defekt und der Ausgangskondensator war zu klein dimensioniert (jetzt 220µF).

13.11.2009: Die neue Platine funktioniert im Testaufbau perfekt ohne Schwingungen oder Störungen.

02.11.2009: Neue Platine für die Regelung geätzt, AVR-Software fertig gestellt

25.09.2009: die Strommessung wird geändert in ein differenzielles Messverfahren (siehe [11] ) um eine bessere Linearität zu erreichen.

15.07.2009: nach Einbau und Inbetriebnahme musste ich feststellen, das die Stromregelung schwingt ohne Ende. Hier ist wohl noch einiges an Arbeit nötig.

Juni 2009: Gehäuse modifiziert und mechanischer Einbau des Kühlkörpers und der Platinen.

Mai 2009: Platinen erstellt und geätzt.

Februar 2009: AVR-Software angefangen

• kurze Ausregelzeit
• Anzeige von Soll- und Istwerte über LCD
• Standby-Taste
• Einstellung vom Strom- und Spannung einzeln
• Temperaturüberwachung des Leistungsteils
• Schutz gegen Überlast
• USB-Schnittstelle
• max. Leistung 30V/3A mit Trafo 24V~/160VA (mein Netzteil schafft nur 1,5A mit dem 100VA-Trafo)
• zusätzlich noch 5V/1A(fest), +/- 12V/100mA(fest)

• EL-Trafo bzw. Ringkern-Trafo mit 24V~/160VA
• Mikrocontroller: ATMEGA8
• LC-Display: 2×20 HD44780 kompatibel
• Einstellung Strom und Spannung digital mit einem Drehgeber
• Leistungs-Transistor: 2 Bipolar-Leistungstransistoren (BD245) parallel

Auf den nachfolgenden Seiten ist das Projekt näher erläutert:

1. Funktionsprinzip des Netzteiles und der Schutzschaltungen
2. Schaltpläne und Platinen
3. AVR-Software
4. Aufbau und Inbetriebnahme des Netzteiles
5. PC-Software zur Steuerung des Netzteiles

[1] Lötstation mit Labornetzteil der TU Harburg

[2] Labornetzteil an der TU Harburg

[3] Labornetzteil 1 von Linuxfocus.org

[4] Labornetzteil 2 von Linuxfocus.org

[5] Forumsbeitrag auf mikrocontroller.net

[6] http://hobbyelektronik.org/wiki/index.php/Labornetzteil

[7] Netzteil von ELKO und Netzteiltester (weiter unten im Artikel)

[8] USB-FT232 Platine

[9] PapDesigner

[10]Vom Overload-Stromsensor zur elektronischen Sicherung

[11] Forumsbeitrag zur Strommessung auf mikrocontroller.net

Verbesserungen für eine Neuauflage:

1. weniger einzelne Platinen, da dann der Verdrahtungsaufwand sich verringert
2. Ringkerntrafo, da dieser einen besseren Wirkungsgrad hat
3. Größerer Trafo (180VA und 2x 15V) da 100VA nicht ausreichen um 30V und 3A zu erreichen.
4. Vorregelung des Leistungsteils mit einem aktiven Gleichrichter mit Phasenabschnitt-Steuerung, damit weniger Verlustleistung und Wärme am Leistungstransistor.
5. Stromversorgung der OPVs mit geregelter Spannung mit Linearreglern, damit die Netz-Störungen noch geringer werden.
6. anderes Display damit noch Platz ist für andere Informationen
7. kleinere Abmessungen des Gehäuses
8. kleinere Shunt-Widerstände, da die jetzigen zu groß dimensioniert sind. 2x 5Watt reichen dicke. Oder 10x 4.7Ohm-Widerstände verwenden, da damit 0,125Watt-Widerstände möglich wären.

Hardy aus Niederlande hat dieses Netzteil nachgebaut aber auch etwas für seine Belange modifiziert.