Werner Nitsche DL7MWN

Transkript

1 Zwischenbericht Stromversorgung BAVARIX vom Bild 1a Stromversorgung von oben Bild 1b Stromversorgung von unten 1. Vorwort Eigentlich war die Stromversorgung für den BAVARIX schon längst fertig. Sie bestand aus 2 DC/DC-Convertern, welche eine 12 Volt-Versorgungsspannung in +5 Volt und +10 Volt potenzialfrei umsetzen konnte. Dadurch hätte man den BAVARIX direkt von einer 12 Volt-Autobatterie speisen können. Aber während der Entwicklung des Synthesizers wurde entschieden, dass der Masteroszillator mit einem temperaturstabilen Quarz angesteuert wird. So ein Quarz benötigt eine Heizung, welche besonders während der Einschaltphase viel Strom braucht. Dafür war die alte Stromversorgung nicht ausgelegt. So wurde eine Neuentwicklung fällig. Die neue Stromversorgung ist nun so ausgelegt, dass sie dauerhaft +10 V/1A, +7V/1A und +5 V/1A liefern kann. Mit fertigen DC/DC-Convertern, so wie die alte Stromversorgung konzipiert war, konnte das in dem zur Verfügung stehenden Volumen nicht realisiert werden. So habe ich mich entschlossen, eine eigene Stromversorgung mit 3 Stepdown-Reglern zu entwickeln, welche jeweils einen Wirkungsgrad >90 % haben. Dazu habe ich viele Datenblätter moderner Schaltregler-ICs durchgesucht. Dann entschied ich mich für den TPS54260 der Firma Texas. Er verfügt über einen Eingangsspannungsbereich von 3,5 V bis 60 V bei einem Ausgangsstrom von 2,5 A. Man könnte ihn auch zur Erzeugung einer negativen Spannung verwenden. Wenn man die Baugröße dieses ICs bedenkt, sieht man, dass er über einen guten Wirkungsgrad verfügen muss, weil er sonst abbrennen würde. Aber einen guten Wirkungsgrad wollte ich ja, denn damit kann man die Temperaturentwicklung des Reglers in Grenzen halten. < Zwischenbericht Stromversorgung BAVARIX> Seite 1 von 9

2 2. Versuchsaufbau Nachdem dieser Schaltregler ziemlich neu war und ich ihn noch nicht kannte, wollte ich erst einen Versuchsaufbau machen, bevor ich ihn dann in eine vollständige Schaltung einsetze. Die erste Hürde war dann die Beschaffung. Neue Bauteile bekommt man nicht in den üblichen Bastelgeschäften. Da musste ich schon bei einem Industrie-Distributor nachschauen. Beruflich ist das für mich kein Problem, nur privat kann ich da nicht einkaufen. Den ausgewählten Schaltregler fand ich dann bei einem bekannten Distributor. Dieser Distributor arbeitet mit einem Einzelhändler in Berlin zusammen, und so konnte ich 10 Stück solcher Schaltregler auch als Privatperson kaufen. Nun gingen die Probleme weiter. Der IC war wirklich winzig klein. Den konnte ich ohne Leiterplatte gar nicht anschließen und testen. So layoutete ich ein EVAL-Board mit der Grundschaltung dieses ICs. Nach ein paar Wochen kam dann das EVAL-Board und ich konnte es bestückten. Aber da stellte sich das nächste Problem heraus. Der IC war mir viel zu klein. Ich habe ihn kaum gesehen und konnte ihn nur unter dem Mikroskop einlöten. Aber das EVAL-Board funktionierte und der Wirkungsgrad des Reglers war deutlich > 90%. Er wurde kaum warm und dieser Winzling ließ sich in meinem Aufbau mit 10V / 2A Ausgangsstrom betreiben. Die Schaltfrequenz habe ich auf 500 khz eingestellt. Ein Quarzoszillator syncronisiert den Schaltregler mit 500 khz. Mir war wichtig, zu sehen, ob die Synchronisation problemlos möglich ist. In der endgültigen Schaltung sollten doch alle 3 Schaltregler synchron laufen, dass keine Mischfrequenzen entstehen können. Bild 2 EVAL-Board für Schaltregler TPS54260 < Zwischenbericht Stromversorgung BAVARIX> Seite 2 von 9

3 Bild 3 Der kleine IC mit den 10 Beinchen ist der TPS Konzept Stromversorgung für BAVARIX Nachdem der Versuchsaufbau gezeigt hat, dass der IC für die Stromversorgung des BAVARIX bestens geeignet ist, habe ich mir Gedanken gemacht, wie das Gesamtkonzept der BAVARIX-Stromversorgung aussehen soll. Wichtig war dabei, dass keine Schaltstörungen in den BAVARIX gelangen können und damit die gute Performance des BAVARIX nicht zerstört wird. 2.1 Blockschaltbild Stromversorgung für BAVARIX Bild 4 Blockschaltbild Stromversorgung BAVARIX < Zwischenbericht Stromversorgung BAVARIX> Seite 3 von 9

4 Der BAVARIX kann nun mit 14 V bis 24 Volt versorgt werden. Eine Typische Spannung für Laptops ist 16 V oder 18 Volt. Derartige Netzteile für 100 bis 250 Volt oder 12 Volt sind nun also für den BAVARIX geeignet. Gleichzeitig sind sie galvanisch von der Eingangsspannung getrennt. Ein Eingangsfilter sorgt dafür, dass keine Schaltstörungen nach außen abgegeben werden. Drei unabhängige Schaltwandler erzeugen die Spannungen +10V, +7V und +5V. Zusammen mit dem Eingangsfilter sind diese Schaltregler in einem hermetisch geschlossenen Gehäuse untergebracht, das aus 2 Kammern besteht. Die Ausgänge dieser Regler werden durch eine Gehäueswand in die zweite Kammer geführt. Dort befindet sich ein mehrstufiges L/C-Filter. Der Ausgang dieser Filter wird dann durch einen SUB-D-Stecker geführt, welche auch noch zusätzlich über ein eingebautes EMV-Filter verfügt. Über diesen Stecker gelangt die Versorgungsspannung dann direkt auf das Motherboard. 3. Schaltplan Schaltregler Bild 5 Schaltbild Stromversorgung BAVARIX Über einen Klinkenstecker gelangt die Versorgungsspannung (typisch 18 Volt) in das Innere der Stromversorgung. Ein L/C-Filter verhindert, dass dort Störungen passieren können. Jeweils eine Sicherung schützt die 3 Schaltregler vor Überstrom im Fehlerfall. Diese SMD-Sicherungen sind eingelötet und nicht zum einfachen Wechseln gedacht. Sie sollten ja eigentlich nie aktiv werden. Hinter den Sicherungen ist jeweils eine Diode < Zwischenbericht Stromversorgung BAVARIX> Seite 4 von 9

5 angebracht, welche leitend wird, wenn eine falsche Polarität anliegt. Alle 3 Schaltregler sind gleich beschaltet. Nur die Ausgangsspannung ist unterschiedlich eingestellt. Ein paar Kondensatoren verschiedener Technologien sorgen dafür, dass der Schaltregler immer genügend Strom für seinen Schaltvorgang bekommt, ohne dass die Spannung dabei einbricht. Danach folgt schon der eigentliche Schaltregler mit dem TPS Ein Spannungsteiler am Ausgang bestimmt die Ausgangsspannung. Die Schaltregler verfügen über einen Enable-Eingang, über welchen man den Schaltregler ausschalten kann. Diesen Eingang aller 3 Schaltregler habe ich zusammengefasst und mit 2 Transistoren verschaltet. So kann man die Stromversorgung mit einem externen Schalter abschalten. Das gemeinsame Schaltsignal wird rausgeführt und gelangt durch die zweite Kammer des Gehäuses an den Stecker, welcher auf das Motherboard führt. Von da aus kann er mit der Frontplatte des BAVARIX verdrahtet werden, wo der Netzschalter sitzt. 3.1 Leiterplatte Schaltregler Bild 6 Layout Schaltregler BAVARIX Layer 1 Die Leiterplatte ist 4-lagig aufgebaut und passt von ihren Abmessungen genau in das Schirmgehäuse. Auf Layer 1 sind die Bauteile bestückt. Layer 2 dient als Masselayer. Auf Layer 3 sind die elektrischen Verbindungen zwischen den Bauteilen realisiert. Diese Verbindungen sind dort durch Layer 2 und 4 gut geschirmt und können dadurch keine Störstrahlung abgeben. Layer 4 ist vollständig mit Masse ausgefüllt und dient ebenfalls zur Reduzierung der Störstrahlung. < Zwischenbericht Stromversorgung BAVARIX> Seite 5 von 9

6 4. Schaltplan Filterboard Bild 7 Leiterplatte Schaltregler BAVARIX Bild 8 Schaltplan Ausgangsfilter BAVARIX < Zwischenbericht Stromversorgung BAVARIX> Seite 6 von 9

7 Das Filterboard ist in der zweiten Kammer der Stromversorgung untergebracht und hermetisch geschirmt. Dadurch kann es keine Störungen aufnehmen, aber auch nicht abgeben. Zunächst gelangen alle drei Spannungen vom Schaltregler-Board jeweils über ein L/C-Filter. Dieser Filter reduziert den Rippel der Schaltregler. Danach ist noch ein zweiter Filter angeordnet, welcher die selbe Aufgabe wie der erste L/C-Filter hat. Nur verfügt es zusätzlich auch noch über eine Drossel in der GND-Leitung. Dadurch sollen HF-mäßige Masseschleifen vermieden werden. Nach den Filtern sind die Ausgangsspannungen noch mit jeweils einer SMD-Sicherung abgesichert. Diese Sicherungen sind eingelötet, um Platz zu sparen. Sie sind nicht zum Auswechseln gedacht. Sie sollen nur das Netzteil und den BAVARIX vor einer völligen Zerstörung schützen, wenn irgendwo ein Kurzschluss entsteht. In so einem Fall liegt sowieso ein ernsthafter Defekt vor. Dann hilft das alleinige Auswechseln der Sicherungen sowieso nicht und der BAVARIX muss repariert werden. Wollen wir hoffen, dass das nie notwendig wird. Über einen SUB-D-Stecker mit zusätzlichem EMV-Filter wird die Versorgungsspannung auf das Motherboard geleitet. 4.1 Leiterplatte Filterboard Bild 9 Layout Ausgangsfilter BAVARIX Layer 1 < Zwischenbericht Stromversorgung BAVARIX> Seite 7 von 9

8 Diese Leiterplatte ist 2-lagig aufgebaut und konnte preisgünstig hergestellt werden. Die untere Seite besteht aus einer durchgehenden Massefläche. In Bild 8 kann man den SUB-D-Stecker sehen, mit dem die Stromversorgung direkt auf das Motherboard aufgesteckt wird. 5. Temperaturverhalten Bild 8 Leiterplatte Ausgangsfilter BAVARIX Die Temperaturentwicklung im Dauerbetrieb verhält sich sehr günstig. Nach > 5 Stunden Dauerbetrieb bei Voll-Last (jeweils 1A an 5V, 7V und 10 V) stellte sich eine Gehäusetemperatur von maximal 30 Grad ein. Im inneren des Gehäuses konnte ich maximal 40 Grad messen. Die höchsten Temperaturen hatten die Spulen der Schaltregler, weil in ihnen die Energie umgesetzt wird. Alle anderen Spulen zur Funkentstörung blieben deutlich kühler. Gemessen habe ich das bei einer Zimmertemperatur von 25 Grad. 6. Schlusswort Es war ein weiter Weg bis hier her. Große Teile des BAVARIX sind nun fertig, aber die endgültige Fertigstellung ist noch nicht abgeschlossen. Die neue Stromversorgung war ein kleines Puzzle unter den noch fehlenden Teilen. Aber es geht voran und die Richtung stimmt. Diese Stromversorgung ist großzügig ausgelegt und sie sollte alle Erfordernisse abdecken können, welche jetzt noch kommen können. < Zwischenbericht Stromversorgung BAVARIX> Seite 8 von 9

9 Für mich ist nun der nächste Schritt die Erstellung eines Mother-Boards. Damit habe ich schon begonnen und die mechanischen Abmessungen und die Vermassung der vielen Bohrungen sind weitgehend abgeschlossen. Nun müssen die vielen Verbindungen zwischen den Platinen festgelegt und layoutet werden. Bestimmt lässt sich das nicht mit dem ersten Schuss fehlerfrei realisieren. Zum Ende kommen ja immer noch Sonderwünsche dazu. Dieses Board wird sehr groß und soll 2-lagig ausgeführt werden. Ich werde das Motherboard beim Platinenbelichter herstellen lassen. Das ist nicht so teuer und man kann sich das auch noch einmal leisten, wenn man weiß, was man alles vergessen hat. Meine -Adresse lautet: Euer Werner, < Zwischenbericht Stromversorgung BAVARIX> Seite 9 von 9