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Einstellbares FET-Netzteil mit 5 Bauelementen

Der Widerstand über Drain-Source (DS) des Mosfets T1 wird durch die Spannung zwischen Gate und Source (VGS) gesteuert, Diese VGS liegt auch am Schleifer von P2 und am Collector von T3 an. Die einstellbare maximale VGS bedeutet einen minimal möglichen Widerstand von T1.

Es wird so mit dem Widerstand über DS von T1 der Strom begrenzt. Der Strom erhöht sich etwas, wenn der Lastwiderstand kleiner wird. Bleibt der Lastwiderstand konstant ist auch der Strom konstant. Ist diese Eigenschaft sehr störend könnte der Mosfet gegen ein IGBT, wie z.B. IXGX120N60B (120A,600V,560W) eingetauscht werden. Ein IGBT verhält sich am Collector wie ein normaler npn-Transistor, also wie eine Stromquelle. Der Strom bleibt unabhängig von der Größe des Lastwiderstandes konstant und hängt nur von VGE, aber auch der Temperatur ab. Wird ein IGBT verwendet sinkt aber die ausnutzbare Leistung, weil der minimale Spannungsabfall für Durchsteuerung um 1 bis 2 Volt ansteigt. Bei Erwärmung und konstanter VGS bzw. VGE von T1 fällt der Widerstand über DS und der Laststrom steigt. Je nach Leistung sollte T1 sollte auf einem entsprechenden Kühlkörper montiert werden. Ein Eingangsspannungsabfall durch einen höheren Strombedarf, reduziert die mögliche VGS automatisch und der Strom durch RL wird dadurch gegengekoppelt. Ist die Strombegrenzung aktiv, reduziert sich die Ausgangsspannung und die Brummunterdrückung. Eine gute Siebung vor einer Netzteilschaltung ist immer sinnvoll. Der Ladeelko nach der Gleichrichtung sollte 1000µF pro A nicht unterschreiten.

Fällt die Ausgangsspannung, weil RL mehr Strom benötigt, dann fällt auch die Spannung und der Strom über die Basis-Emitter-Strecken von T2 und T3. Die Ausgangsspannung wird vom Spannungsteiler P1 bestimmt. Die Spannung VGS an T1 steigt bis maximal zur eingestellten Spannung am Schleifer von P2. T1 steuert durch und versorgt RL mit mehr Strom.

Die hohe Stabilität und Brummunterdrückung dieser Schaltung resultiert aus der Gegengekopplung von sinkener VBE und damit steigenedem Widerstandsverhältnis des Spannungsteiler P1. Das kommt einer höher eingestellten Ausgangsspannung gleich. Wenn zur Stromerhöhung in RL, T2 einen geringeren Strom an T3 liefern muß, dann fällt auch die erforderliche VBE von T2. Die Ausgangsspannung wurde aber vom Widerstandsverhältnis P1 festgelegt. Eine geringere VBE von T2 bedeutet eine höhere Ausgansspannung! Dies geht soweit, daß wirkliche eine Spannungserhöhung bei Stromentnahme möglich ist. Ein negativer Innenwiderstand des Netzteils kann erzeugt werden. Man könnte auf die Idee kommen den Emitter von T2 an den Schleifer eines Potis löten, welche die Sollspanung bereitstellt. Die Stabilität würde stark sinken und die maximale Ausgangsspannung würde ohne hohen Aufwand nicht erreicht werden können.

Die maximale Ausgangsspannung hängt nur von der Verhältnis in P1 und der anliegenden Eingangsspannung ab. Die gleiche Schaltung mit den selben Bauteilen kann somit fast für beliebige Spannungen und Ströme benutzt werden. Nur die Spannungsfestigkeit der Transistoren sind zu beachten. Die Eingangsenergie kann voll ausgenutzt werden, weil T1 bis auf wenige Milliohm druchgesteuert werden kann. Ein- und Ausgang können somit zusammengeschaltet werden. Das ist ein großer Vorteil dieser Schaltung. Die minimale stabilisierte Ausgangsspannung ist VBE von T1 = 0,5V. Mit der Reduzierung des Stromes sind aber auch Ausgangsspannungen bis nahe 0V möglich.

Wird eine Spannung verkehrt an den Ausgang gelegt, dann sperrt T2 und es stellt sich ein Strom ein der durch den Widerstand DS von T1 begrenzt wird. Bei einer Falschpolung eines Akkus wird dieser nicht mit dem eingestellten Strom geladen sondern entladen. Das kann gewünscht sein, führt aber auf Dauer zur Umpolung des Akkus. Wird eine zu hohe Spannung am Ausgang angelegt so wird die eingebaute Schutzdiode im DS von T1 leitend und die Eingangsschaltung bekommt die höhre Spannung ab. Z.B. steigt die Ladeelkospannung auf 23,4V, anstatt der normalen 19V, wenn ein 24V-LKW-Akku angelegt wird. Werden Elko und Dioden reichlich dimensioniert, kann dabei nichts passieren.

Die Einstellkurve der Potis ist nicht optimal, aber es sollte das Minimum des Machbaren sein. Für die Bastelecke sollte das optimierte Netzteil, mit der gleichen Grundschaltung gebaut werden. Durch die Temperaturempfindlichkeit der Basis-Emitter-Strecke eines Transistors wird auch die Ausgangsspannung mit der Temperatur verändert. Das ist besonders bei höheren Ausgangsspannungen zu beobachten. Bei dieser Schaltung mit diesem T2 fällt die Ausgangspannung von 14V mit steigender Temperatur um etwa 0,046V pro Grad ab. Dies mag für manche Anwendungen nicht tragbar sein, aber für den normalen Gebrauch mit angeschlossenem DVM für Spannung und Strom und in einer ständig warmen (oder auch kalten) Umgebung kein Problem darstellen. Es kann aber für andere Anwendungen ein riesen Vorteil. Ich denke hier an ein Ladegerät für Blei-Akkus, bei dem man nun die temperaturabhängige Ladung umsonst hat.

Für eine hohe Sicherheit könnte T1 ein Profet sein.

Ideen, Tipps, Weiterminimierungen und Weiterentwicklungen bitte an Uli Else - DL5BTE - uelse@web.de

c. by Uli Else