Das Netzteil ist meine Standard-Spanungsversorgung für alle Aufbauten in meinem Elektroniklabor.
Es beinhaltet zwei galvanisch getrennte Netzteile mit je 0-20V, beide mit einstellbarer Stromlimitierung von 0-2A. Einige übliche Spannungen wie 5V oder 3,3V sind vorprogrammiert. Dazu gibt es eine digitale Anzeige der Ausgangsspannungen und -ströme.

Mein Netzteil

Die Besonderheit an dem Gerät ist, dass jede der beiden Spannungsversorgungen aus einer zweistufigen Kombination aus Schalt- und Linearregler besteht, wodurch es möglich ist, auch hohe Ausgangsströme bei niedrigen Ausgangsspannungen ohne große Verlustleistung bzw. Kühlkörper zu verarbeiten, ohne aber auf die Regeleigenschaften einer linearen Regelung verzichten zu müssen. Für eine besonders störungsfreie Spannungsversorgung habe ich noch mein zweites Labornetzteil.

Der Schaltplan "netzteil_power" zeigt eine der zwei im Netzteil verbauten Powerrails. Die zweite Powerrail ist völlig identisch. Die zentrale Regeleinheit ist im Schaltplan als "Nachregler" bezeichnet.
Linearer Regeltransistor ist dort die Darlington-Reihe aus T2 und T3, die als Emitterfolger betrieben wird. Dadurch wird der Regler quasi dauerstabil, unabhängig von zugeschalteten nicht-ohmschen Lasten. Betrieben wird der Regeltransistor aus drei möglichen Quellen:
1) PID-Spannungsregler um IC9(*), der die rückgeführte Ausgangsspannung gegen die Referenzspannung vergleicht und entsprechend ausregelt
2) I-Stromregler um IC3(*), der den gemessenen Strom gegen die Referenzspannung vergleicht und entsprechend ausregelt
3) Der manuelle Ein/Aus-Schalter SW1 bzw. T6
Von diesen drei Quellen ist nur jeweils eine dominant, dringt also zum Regeltransistor durch. Dies wird durch die Dioden D1/D2/D3 bewerkstelligt. Diejenige Quelle, die die tiefste Regelspannung abgibt, dringt zum Regeltransistor durch. Alle anderen werden geblockt. Im Normalfall ist dies der Spannungsregler IC9. Solange kein Stromlimit erreicht ist, regelt der Stromregler IC3 auf Maximalwert, dringt also nicht zum Regeltransistor durch. Erst im Stromlimit-Fall sinkt die Ausgangsspannung von IC3 unter die von IC9 und übernimmt damit die Regelung. Selbes Prinzip gilt für die Ein/Aus-Schaltung. Ist die aktiv, wird der Regeltransistor mit -5V belegt, sperrt also komplett. IC3 und IC9 regeln nach oben aus und kommen damit nicht zum Regeltransistor durch.
T4 sorgt dafür, dass die Ausgangsspannung schnell absinkt, wenn die Spannung abgeschaltet oder heruntergeregelt wird. In einem solchen Fall (wenn Vout >> als die gewünschte Regelspannung ist) schließt dieser Vout gegen Masse kurz und entlädt damit C3 und eventuell extern angeschlossene weitere Kapazitäten.
T3 liefert ein digitales Signal, abhängig davon ob, ob die Stromlimitierung aktiv (Vout von IC3 unter 20V) oder inaktiv (Vout von IC3 am oberen Anschlag) ist.
IC4 misst den Ausgangsstrom, sowohl für die Anzeige im Bedienelement, als auch als Feedback für den Stromregler.
Versorgt wird der Nachregler von dem "Vorregler", der im Grunde ein TPS5420 Schaltregler in Standardbeschaltung ist. Das "TPS5420 Modul" ist nichts weiter als ein TPS5420 mit entsprechender Freilaufdiode, Eingangs- und Bootstrap-Kondensator. Ich habe diesen Teil als Modul verbaut, um dies eventuell später einfach gegen ein Modul mit einem anderen Schaltregler austauschen zu können. Versorgt wird der Vorregler von einem guten (und billigen) 24V Laptop-Netzteil.
Die Besonderheit in der Vorreglerschaltung ist die T1-Verschaltung im Feedback-Zweig des Schaltreglers. Dies ist ein einfacher Differenzverstärker, der die Vout des Nachreglers mit der um 2 Diodenspannungen reduzierten Vx des Vorreglers vergleicht. Die Differenzspannung, die an FB des Schaltreglers gegeben wird, berechnet sich ungefähr als VFB = (Vx-1,2V)-Vout oder wenn man in Betracht zieht, dass der Schaltregler Vx so einstellt, dass VFB=1,25V ist: Vx = Vout + 1,25V + 1,2V. D.h. der Vorregler stellt seine Ausgangsspannung (= Eingangsspannung des Nachreglers) immer so ein, dass sie ca. 2,4V über der Ausgangsspannung des Nachreglers liegt. D.h. Der Regeltransistor des Nachreglers wird immer so versorgt, dass er nie hohe Dropout-Spannungen verkraften muss.
Der Rest der Schaltung besteht aus einer einfachen 5V und -5V -Generierung für Versorgungen auf der Powerrail aller Art, sowie der Referenzspannung von -2,495V. Die Referenzspannung ist negativ, damit man mit den Linearreglern bis 0V herunterregeln kann.
Als Messeinheit wird ein PIC12F675 mit 2 ADC Kanälen verwendet. Dort werden Ausgangsspannung und -strom gemessen, sowie das Überstromsignal ausgewertet und in einer digitalen Datenübertragung an die Anzeigeeinheit verschickt. Die Daten- und Clock-lines sind mit Optokopplern galvanisch von der Anzeigeeinheit getrennt, um zu verhindern, dass über diesen Weg die beiden separaten Powerrails verbunden werden.

Der Schaltplan der Anzeigeeinheit ("netzteil_display") besteht im Wesentlichen aus einem PIC16F628 mit angeschlossenem 2x16 Zeichen Display. Der PIC holt sich über die Datenlines die Messdaten aus den zwei Powerrails, rechnet diese in Volt und Ampere um und zeigt sie entsprechend auf dem Display an. Im Überstromfall schaltet er eine optische Anzeige über LED1 bzw. LED2 und gibt gleichzeitig auf dem Piezo-Buzzer einen Warnton aus. Ich betreibe die Anzeige über ein eigenes kleines 5V-Netzteil (ehemaliges Händie-Ladegerät). Genauso gut könnte man aber auch die 5V von einer der beiden Powerrails abgreifen, dann müsste der dortige 5V-Regler aber entsprechend robust ausgelegt werden, da dieser ja direkt aus den 24V betrieben wird und die Anzeigeeinheit schon das ein oder andere mA braucht.

Schaltplan einer Powerrail Schaltplan einer Powerrail

PIC-Code des Mess-PICs auf der Powerrail

Schaltplan der Anzeigeeinheit Schaltplan der Anzeigeeinheit

PIC-Code des PICs auf der Anzeigeeinheit

(*) uA741 und TL081 sind zugegebenermaßen nicht mehr die neuesten OpAmps. Aber sie reichen für den Zweck - ich hatte noch einige übrig und war froh, endlich mal diese alten dual-supply OpAmps verbrauchen zu können.