Verifikation eines Spannnungsreglers

Am Anfang war … die Wechselspannung eines 12 V AC/AC-Steckernetzteils. Die Elektronen schwangen hin und her. Sie folgten dem Sog des anliegenden elektrischen Feldes ….

Aufgabenstellung

Die Versorgung informationstechnischer System und Sensoren mit Gleichspannung stellt hohe Ansprüche. Diese definiert sich durch gute Spannungskonstanz unter Last- wie Freilaufbedingungen. Einen Vorschlag, der dem folgenden Schaltplan entspricht, findet man in diversen Datenblättern von Spannungsreglern des Typs 78xx – wobei xx für die angestrebte Ausgangsspannung steht. Zum Beispiel erzeugt der Spannungsregler 7809 eine Ausgangsspannung von 9 V. Zum Beweis der Eignung als vollwertige Spannungsregelung ist ein Prozessor (hier ATmega328) unmittelbar am Ausgang der Stromversorgung zu betreiben.

Eine mit Blick auf die Welligkeit besonders anspruchsvolle Eingangsspannung für den Spannungsregler ist die Ausgangsspannung eines Brückengleichrichters. Sie pulsiert sehr stark mit 100 Hz.

Als Eingangsspannung für den Brückengleichrichter wird eine 12 V-Wechselspannung mittels AC/AC-Steckernetzteil zur Verfügung gestellt. Dass eine effektive Wechselspannung von 12 V eine Amplitude von deutlich höherer Spannung besitzt, ist geeignet zu berücksichtigen.

Zur Vereinfachung und Sicherheit des Aufbaus trägt eine verhältnismäßig geringe Anforderung an den maximal benötigten Strom im Ausgang in Höhe von 1 A bei.

Steckplatinenansicht des geregelten Spannungsversorgungsaufbaus mit gekennzeichneten Funktionsblöcken.

Der hier gezeigte Aufbau ist unter Verwendung von Digitalmultimeter und Oszilloskop schrittweise zu verifizieren.

Geräte:

Digitalmultimeter (rückgeführt bei 2 V und 12 V an einer werksseitig kalibrierten und rückgeführten Referenzwechselspannungsquelle)

Oszilloskop, Hand-Oszilloskop

Datenblätter:

Datenblatt L7805CV

Datenblatt 1N5401

Material:

  • AC/AC-Steckernetzteil 12 V
  • Steckbrett
  • diverse Steckbrücken
  • 2 x Elektrolytkondensator 330 µF 35 V
  • 2 x Keramikkondensator 100 nF
  • 4 x Gleichrichterdioden > 1A
  • 1 Spannungsregler 7805
  • 2 x Schraubklemmblock mit extralangen Kontaken für Steckbretter
  • 1 x Widerstand 220 Ω bedrahtet
  • 1 x LED rot
  • 1 x LED grün
  • 1 x Arduino NANO

Verifikation der Wechselspannungsquelle (AC/AC-Steckernetzteil 12 V)

Vor der Ermittlung des Oszillogramms ist die elektrische Sicherheit und Eignung des Oszilloskops sicherzustellen. Eine effektive Ausgangsspannung von 12 V in Form einer Wechselspannung bedeutet eine Amplitude von 12 V x 1,414 = 16.97 V. Insbesondere kleine Handgeräte können eine limitierte maximale Eingangsspannung aufweisen. Eine Spannungsfestigkeit von 50 V sollte den Ansprüchen genügen.

Oszillogramm der Ausgangsspannung des AC/AC-Steckernetzteils

Vor dem Einsatz des Oszilloskops empfiehlt sich der Gebrauch eines Digitalmultimeters (DMM), dabei wird dieses in die Betriebsart für Wechselspannungsmessungen versetzt und zunächst ein höherer Messbereich als der erwartete eingestellt. Der Abgriff der Spannung am Stecker des Netzteils erfolgt über eine Schraubbuchse, aus der die Spannung mit ungleich langen Steckbrücken herausgeführt wird. Das DMM wird mittels isolierter Krokodilklemmen so angeschlossen, dass ein versehentlicher Kurzschluss vermieden wird.

DMM im Wechselspanungsmodus

Das Steckernetzteil befindet sich im Leerlauf. Dies erklärt den Messwert in Höhe von 14,22 V Effektivspannung.

Das Handoszilloskop zeigt etwa diese Spannung (15,00 V) als Effektivspannung (Vrms) an.

Diskret aufgebauter Brückengleichrichter

Auf der linken Seite der Diodenschaltung befindet sich ein Klemmblock, in den die 12 V-Wechselspannung eingespeist wird. Die Einspeisung via Klemmblock soll versehentliche Kontakte zu anderen Bauteilen auf der Steckplatine verhindern helfen. Die positive Spannung der Brückengleichrichterschaltung gelangt über die oberen Dioden unmittelbar in die rot gekennzeichnete Stromschiene. Die negative Spannung wird über eine Drahtbrücke in die untere, blau markierte Stromschiene des Steckbretts eingespeist. Diese Schiene bietet das Bezugspotenzial für alle Messungen.

Oszillogramm der Ausgangsspannung des Brückengleichrichters

Vor der Ermittlung des Oszillogramms ist die elektrische Sicherheit und Eignung des Oszilloskops sicherzustellen (s. o.).

Aufbau der Steckplatine sowie eines Spannungsteilers (linke Seite des Steckbrettes auf der Abbildung unten) zur sicheren Messung:

Die durch den Gleichrichter erzeugte Spannung wird nicht unmittelbar am Gleichrichter, sondern unter Verwendung eines Spannungsteilers gemessen, der die zu messende Spannung halbiert (die verwendeten Widerstände des Spannungsteilers sind gleich groß).

Die Messung im AC-Modus (Wechselspannung) führt zu einer Verschiebung der Lage, nicht zu einer Änderung des Verlaufs der Spannung. Die Frequenz des Spannungsverlaufs hat sich gegenüber der der Ausgangsspannung des Netzteils auf 100 Hz verdoppelt. Der Verlauf zeigt einen spitzzipfligen Verlauf im unteren Bereich und einen etwa sinusförmigen Verlauf des oberen Spannungsverlaufswechsels.

Die Anzeige des Effektivwertes des im AC-Modus befindlichen Handoszilloskops ist irreführend. Entscheidend ist der Abstand zwischen Minimal- und Maximalspannung (Vpp) in Höhe von 9.57 V. Die Frequenz zeigt die erwarteten 100 Hz an.

Aufbau des Brückengleichrichters mit Siebkondensatoren

Das DMM misst 18,07 V Gleichspannung.

Oszillogramm der Ausgangsspannung nach der initialen Siebung

Das Oszilloskop befindet sich im AC-Modus, um den Spannungsanteil deutlich zu zeigen. Die Glättung der pulsierenden Gleichspannung gelingt weitgehend. Es verbleibt ein geringer Anteil in Höhe von etwa 150 mV als Brummspannung mit einer Frequenz von 100 Hz (hier mit 99,9680Hz angegeben).

Das Hand-DSO zeigt die Brummspannung ebenfalls und gibt sie mit einer Spitze-Spitze-Spannung (Vpp) von 0,13 V an, was der Messung des obigen gezeigten Oszillogramms entspricht. Die reale Brummspannung ohne Spannungsteiler kann somit mit 250 bis 300 mV angenommen werden.

Aufbau der Gleichrichterschaltung inklusive Spannungsregler 7805

Mit dem DMM wird am Ausgang des Spannungsreglers, in der obigen Darstellung zwischen den beiden unteren, blau(-) und rot(+) markierten Kontaktleisten eine Gleichspannung von 4,91 V gemessen.

Oszillogramm der Ausgangsspannung des Spannungsreglers ohne Verwendung des Spannungsteilers

Die Abbildung zeigt einen gleichförmigen Spannungsverlauf von 5 V gemessen im DC-Modus

Das Handoszilloskop gibt einen hochfrequenten Spannungsanteil mit einer Spitze-Spitze-Spannung (Vpp) von 0,2 V an und bestätigt die Gleichspannungsangabe mit 5,07 V.

Aufbau der Gleichrichterschaltung mit Siebung nach der Spannungsregelung

Oszillogramm der Gleichrichterschaltung unter Einfluss der Siebung nach der Spannungsregelung

Die dem Spannungsregler angeschlossene Siebung beeinflusst den Signalverlauf und die Höhe des Wechselanteils in der Gleichspannung sowie die Höhe des Gleichspannungsanteils nicht. Das Gerät wurde im DC-Modus und wiederum ohne Spannungsteiler betrieben. Da sowohl das Werkstatt- als auch das Hand-DSO diesen Wechselanteil zeigten, erfolgte eine Messung ohne Werkstück. Ihr Ergebnis legt elektromagnetische Störfelder als Ursache für den beobachteten, hochfrequenten Wechselanteil nahe. Die dem Spannungsregler nachfolgende Siebung dient nicht nur zur Glättung der Ausgangsspannung des Spannungsreglers, sie gilt auch der Abschirmung des Reglers von Störungen, die durch wechselnde Belastungen durch angeschlossene Verbraucher entstehen können.

Aufbau der Gleichrichterschaltung unter Einbindung eines Arduino NANO mit Direktspeisung

Sketch zur Überprüfung der Funktion

// Programm zur Verifikation einer
// unterbrechungsfreien Programmausführung
// eine rote LED leuchtet für 5 Sekunden sobald der Arduino
// neu initialisiert wird
// anschließend blinkt eine gruene LED
// Der Sketch wurde Demo-Sketch "Blink" nachempfunden

const int initWait = 5000;
const int roteLED = 11;
const int grueneLED = 12;


void setup() {
  pinMode(roteLED, OUTPUT);
  pinMode(grueneLED, OUTPUT);
  digitalWrite(grueneLED, LOW);
  digitalWrite(roteLED, HIGH);
  delay(initWait);
  digitalWrite(roteLED, LOW);
}

void loop() {
  digitalWrite(grueneLED, HIGH);
  delay(500);
  digitalWrite(grueneLED,LOW);
  delay(500);
}

Video:

Das vernehmliche Knacken zu Beginn des Videos markiert das Einschalten des Steckernetzteils mittels schaltbarer Mehrfachsteckdose. Der Aufbau weicht in kleinen Details von der Vorgabe des Schaltplans ab und gibt die Bedingungen des Sketches wieder.

Ablauf:

  1. Steckplatine ist stromlos
  2. Schalterknacken durch Einschalten der Mehrfachdose (des AC/AC-Steckernetzteils)
  3. Nach kurzer Verzögerung leuchtet die Status-LED (unten) bleibend auf
  4. Kurzes Aufblinken einer LED auf dem Arduino NANO-Nachbau
  5. Nach kurzer Verzögerung für den automatischen Start des Programms auf dem NANO leuchtet die rote LED für 5 Sekunden
  6. Erlöschen der roten LED
  7. Regelmäßiges Blinken der grünen LED

Auch wenn es nicht im Video gezeigt wird, die grüne LED blinkt störungsfrei während eines einstündigen Testlaufs. Eine kurzzeitige Unterbrechung der Wechselspannungsversorgung durch Aus- und sofortiges Wiedereinschalten führt zu einem erneuten Start des NANO und erneutem Ablauf der Sequenz von Punkt 2 bis Punkt 7.

Hintergrund:

„Nebenwirkungen“ einer nicht optimalen Spannungsversorgung informationstechnischer Systeme und Sensoren können von Störung der Kommunikation und des Betriebs bis zur Zerstörung reichen. Fluktuationen in der Betriebsspannung können im ungünstigsten Fall zu Änderungen von Referenzspannungen führen und so Ursache für falsche Messdaten sein. In der Mikrokontrollertechnik finden zum Teil komplette Mikrocontrollerboards mit eigener Konditionierung der Spannungsversorgung des verwendeten Prozessors Eingang, leider benötigt die boardinterne Spannungskonditionierung eine im Vergleich zum Prozessor höhere Eingangsspannung. Es müssen demnach für Sensoren, Aktoren und Prozessorboard gegebenenfalls unterschiedliche Spannungen in den Aufbau eingespeist werden.

Die Qualität einer Spannungsversorgung umfasst neben der bereitgestellten Leistung ebenfalls Fluktuationen der zur Verfügung gestellten Spannung. Fluktuationen können beispielsweise aus der 50-Hz-Netzfrequenz unmittelbar oder mittelbar entstehen. Dabei kann es sich sowohl um elektromagnetische Einstreuungen handeln als auch um Brummspannung, die durch unzureichende Siebung nach der Gleichrichtung auftreten kann. Letzteres gäbe sich durch die verdoppelte Frequenz der Speisespannung des Brückengleichrichters zu erkennen. Sehr unangenehm können sich singuläre, kurzzeitige Spannungsimpulse auswirken, die nadelförmig zum Beispiel durch Lastwechsel in Induktivitäten erzeugt werden können. Aber auch sehr kurzzeitige Spannungseinbruche stören den Betrieb informationstechnischer Schaltungen. Eine Siebung der Spannungen mittels zweier Kondensatoren sehr unterschiedlicher Kapazität kann angezeigt sein. Keramische Kondensatoren mit kleinen Kapazitäten zeigen durch ihre geringe Zeitkonstante ein schnelleres Ausgleichsvermögen als ein „großer“ Elektrolytkondensator.

Weitere Vervollständigung der Verifikation:

Bei der gezeigten Schaltung handelt es sich um eine einfache Stromversorgung, deren Begrenzung zu demonstrieren ist. Grenzen der Versorgung ergeben sich möglicherweise durch:

  1. sehr kurzfristige Einbrüche der Versorgungsspannung. Hier sind Unterbrechungen im Bereich von etlichen Mikrosekunden bis Millisekunden von Interesse (Ausbleiben einer Halbwelle der Versorgungsspannung etc.).
  2. Einfluss der Last und Änderungen der Belastung des Spannungsreglers durch den Verbraucher. Pulsierende Verbräuche durch von dem Mikrocontroller gesteuerte Schrittmotoren, die von der gleichen Spannungsquelle versorgt werden. (Störung durch Induktionsspannungen etc.)
  3. den Spannungsregler. Der gewählte Spannungsregler ist ein „Klassiker“ im besten Sinn. In welcher Weise ergeben sich durch ihn Verlustleistungen?

Dies sind nur einige Punkte, die im Zuge einer Verifikation der Spannungsreglerschaltung zu vervollständigen sind. Die Messgeräte der Werkstatt wurden an einer rückgeführten Wechselspannungsquelle vor und nach ihrem Einsatz funktionsbestätigt. Die Übereinstimmung zwischen dem Hand-DSO und den Messgeräten der Werkstatt erscheint erfreulich hoch.