Symmetrisches Netzteildesign +-12V DC

[chaos.klaus]

Hallo Elektronik-Ecke.

Ich bin zum ersten Mal hier und habe nacht zweitägiger Recherche einige Fragen, die wahrscheinlich alle ziemlich einfach zu beantworten sind. Ich habe mal zwei Jahre Physik studiert, aber E-Technik nicht im Nebenfach gehabt. Ein paar Sachen weiß ich aber noch.

Ziel meines Projekts ist einen Synthesizer komplett selbst zu bauen. Wie ich feststellen muss ist das ein größeres Unterfangen. Mir geht es vor allem um den Weg. Ich möchte etwas über Elektronik lernen. Das Ergebnis sollte aber schon so stabil und sicher funktionieren, dass man es live benutzen kann.

Da ich mit Operationsverstärkern arbeiten will, brauche ich ein Netzteil das mir einen symmetrischen Ausgang bietet. Mir ist klar, dass man OP-Amps auch asymmetrisch betreiben kann, aber ich will keine DC-Offsets in meinem Signal produzieren. Nach ein bisschen googln und dem studieren mehrerer Datenblätter habe ich folgende Schaltung zusammengesetzt:


(Edit: der L7912CV ist verkehrt herum angeschlossen, sorry )

Da ich nicht zu viel Gewicht möchte, habe ich erstmal einen Trafo mit 106mA Nennstrom gewählt. Ich habe aber keine Vorstellung ob das reicht um das ganze Gerät (VCO, VCA, VCF, LFO, Hüllkurvengenerator, ...) zu versorgen. Die Festspannungsregler vertragen mit 500mA (L7912CV) und 1A (L7812CV) deutlich mehr. Ungekühlt sollen sie wohl jeweils die Hälfte aushalten können.

Ist der Trafo mit 106mA ausreichend dimensioniert um später auch Line-Level auszugeben?


Die Wahl der Kondensatoren fand ich im Datenblatt des L7812CV, wo die Schaltung (hinter den Gleichrichtern) genau so abgedruckt war. Wobei ich eigentlich dachte dass man die Glättungskondensatoren abhängig vom Strom dimensionieren muss. Ich habe mich übrigens bewusst nicht für Elkos entschieden, da ich sicher sein möchte dass mir nichts um die Ohren fliegt. Stattdessen sind es Folien-Kondensatoren. Der 2,2µF ist ein ganz schönes Gerät und nicht billig. Der Sicherheitsaspekt wär mir das aber wert.

Sind die Sieb-/Glättungskondensatoren ausreichend dimensioniert?

Außerdem stellt sich die Frage der Ground-Verbindungen. Mir sind nun die Begriffe Schutzerdung und Funktionserdung untergekommen - und dass beide unter bestimmten Umständen zusammengeführt werden können. Hier möchte ich auf keinen Fall Fehler machen die die Sicherheit meines Geräts beeinträchtigen. Gleichzeitig will ich keine Störungen wie Brummen in meiner restlichen Schaltung haben.

Wo gehört der Schutzleiter meiner Netzbuchse hin, ans Gehäuse? Auf die Platine?
Wohin mit dem GND-Bezugspotential des symmetrischen Spannungsausgangs? Wie bekomm ich das stabil?
Kann ich beides verbinden und so einfach alle Massen zusammenführen?

Und noch zwei Fragen:

Wenn ich 230V Netzspannung auf der Platine habe, welche Schutzmaßnahmen muss ich ergreifen. (Leiterbahnabstand>5mm, Isolierung??)

Kann ich das symmetrische Netzteil auch asymmetrisch belasten?


Ich wäre sehr dankbar wenn mir jemand diesen Fragenkatalog beantworten könnte. Leider findet man bei der Online-Recherche immer nur fetzenweise Information. Wenn ich mit 230V hantiere will ich mich aber nicht allein auf meine Interpretationsgabe verlassen.

Gruß,
chaos.klaus

 

[Diamond Ave]

Dein Entwurf ist etwas...unkonventionell!

Zunächst reicht EIN Brückengleichrichter. Die beiden Sekundärwicklungen in Reihe geschaltet, Masse an den Verbindungspunkt, die beiden 'Enden' an den Brückengleichrichter.
Dann hast Du Masse, Plus und Minus('Ausgänge' des Gleichrichters). Jeweils ein Ladeelko(ja, Elko, z.B. die guten von Panasonic, alles Andere ist finanziell wie technisch unsinnig), dann die Regler, dahinter nochmals zur Sicherheit eine Kapazität und gut. Die Kapazitäten würde ich übrigens auf der Plus- und Minusschiene gleich machen!
Die (Schutz-)Dioden gehören nicht an den Ausgang, sondern werden als Rückwärts-Bypass zwischen Aus- und Eingang der Regler geschaltet - die mögen keine Rückwärtströme!
Ich persönlich würde auch keine 78xx/79xx Regler im Audiobereich verwenden, die sind nicht gerade für ihre Nebengeräuscharmut bekannt, manche sind sogar recht unangenehme Oszillatoren.
Lm317/337 sind sehr preiswert und machen keine Probleme.
Wenn Du einen Synthesizer bauen oder damit Experimente machen willst, würde ich zu einer deutlich kräftigeren Netzteilversion raten, mit ~100mA stößt Du ruckzuck an die Grenzen.

 

[chaos.klaus]

Danke für deinen Input.

Ich habe nun nach Schaltungen mit LM317 gegooglt und da viel mehr gefunden. Danke!

Hier jetzt der neue Schaltplan:


Die Schaltung kommt (minimal vereinfacht) von hier (ziemlich in der Mitte): https://www.elektronik-kompendium.de/public/schaerer/ureg3pin.htm

Die Dioden auf der Ausgangsseite sind irgendwie eine Sicherheitsmaßnahme um zu verhindern dass die beiden Spannungsregler sich gegenseitig rückwärts mit Spannung versorgen.

Thema Masseverbindung hat sich geklärt ... PE und GND nicht verbinden, da sonst Brummgefahr. PE an das Gehäuse des Netzteils.

Trafo ist jetzt mit 2x330mA größer dimensioniert und der Brückengleichrichter ist mit 2A und 600V überdimensioniert worden.

Bleibt noch die Frage nach den Lade-Elkos übrig. Hab jetzt einfach nach der Faustregel 1000µF je 1A gehandelt und 330µF-Elkos gesetzt. Ist das ausreichend?

Gruß!

Edit: Achja. Muss ich irgendwas kühlen? Die Spannungsregler oder den Gleichrichter?

Edit2: Mir ist nun aufgefallen, dass ich bei 330mA Nennspannung des Trafo eh nur etwa 233mA hinter dem Gleichrichter entnehmen kann. Zur Sicherheit rechne ich mit maximal 170mA.

Außerdem sind die Lade-Elkos mit 330µF zu klein. 1000µF wären wohl eher geeignet. Die Restwelligkeit wäre dann mit 1V akzeptabel.
( delta U = I * delta t / C ; C = 1mF, I = 170mA, delta t = 6ms (bei 50Hz Netzspannung) )

Die Verlustleistung wäre bei einer Dropdownspannung von gemittelt 2,5V bei 170mA dann etwa 430mW. Mal sehen ob da ein Kühlblech nötig ist.

 

[jw-lighting]

Hallo chaos.klaus,

schön, dass du dich an so ein Projekt wagst. Endlich mal wieder eine echte Elektronik-Frage in diesem Sub

Für deine Schaltpläne kann ich Eagle empfehlen. Aus dem Schaltplan kannst du dort direkt das Platinenlayout erstellen. Mit Eagle-Dateien können auch die meisten Platinenhersteller arbeiten.
Für den nicht kommerziellen Hobby-Gebrauch kannst du dir Eagle kostenlos herunterladen. Gute Videos zur Einarbeitung findest du auf youtube. http://www.cadsoft.de/download-eagle/?language=de

Die Kondensatoren C3 und C4 (am ADJ der LM317) kannst du kleiner dimensionieren oder weglassen. Dann fallen auch die Dioden dort weg. Diese C sind vor allem bei einer variablen Ausgangsspannung, über ein Poti eingestellt, wichtig.
An den Ausgängen der Regler unbedingt auch 100nF Kerkos (z.B. X7R) platzieren. Die sind noch wichtiger als C5, C6.

Die Regler solltest du auf jeden Fall kühlen. Auch bei den Gleichrichtern kann das nötig sein, geht aber bei dem Strom wahrscheinlich noch ohne. Was mich noch etwas wundert, ist deine Wahl von +-12V. In den meisten Audiogeräten findet man eher +-15V.

Interessantes rund ums Leiterplattendesign (Abstände, Dicken) findet man auf mikrocontroller.net - und eine Menge mehr! Nicht alles davon ist von Anfang an wichtig.

http://www.mikrocontroller.net/articles/Leiterbahnbreite
http://www.mikrocontroller.net/articles/Leiterbahnabstände
http://www.mikrocontroller.net/articles/Richtiges_Designen_von_Platinenlayouts
http://www.mikrocontroller.net/arti...hlungen_f.C3.BCr_Leiterbahnen_im_Hobbybereich

LG

 

[chaos.klaus]

Yey, danke für die Tipps.

Eagle habe ich schon ausprobiert und muss sagen, dass ich es etwas umständlich in der Bedienung fand. Habe jetzt Target 3001 benutzt und das funktioniert für mich sehr gut. Auch hier kann man direkt Platinen Layouten, sich das ganze sogar 3-dimensional angucken. Simulieren kann man seine Schaltung auch irgendwie ... das hab ich aber noch nicht ausgecheckt.

Warum benötige ich die 100nF Kondensatoren? Um irgendwas hochfrequentes zu filtern?

Gibt es einen Grund warum gerade 15V für Audio-Schaltungen benutzt werden? Ich hatte einfach keine Ahnung und habe eine Schaltung eines VCOs gefunden der mit +-12V betrieben wurde. Da dachte ich ich mach's auch mit 12V.

Kühlkörper werde ich wohl nicht brauchen. Meine Rechnung zur Verlustleistung hat wohl nicht gestimmt. Ich bin von 15VDC ausgegangen, es sind aber natürlich 15VAC, die aus dem Trafo kommen. Das sind abzüglich der doppelten Diodenflussspannung etwa 19VDC (peak) und bei etwa 2V Rippelspannung im Durchschnitt etwa 18VDC. Damit ist die Verlustleistung (18V-12V)*0,2A = 1,2W. Aus dem Datenblatt des LM317 liest sich der Wert für den Wärmewiderstand zwischen Junction und Ambient mit 19°C/W. Also ist die Temperatur des Chips gerade mal 23° hoher als die Umgebungstemperatur. Im Datenblatt steht auch die maximale Chiptemperatur mit 150°C angegeben. Selbst wenn ich hier 100°C annehme könnte ich also 77°C in meinem Netzteilgehäuse haben.

 

[Diamond Ave]

Bei den meisten Audio-schaltungen, oft aus dem Studiobereich, arbeitet man mit +-15V, weil das die OPamps noch mitmachen und man etwas mehr headroom hat.
Die 100n(da reicht in der Praxis auch weniger) überbrücken bei höheren Frequenzen die Elkos, die mit steigender Frequenz einen steigenden Widerstand aufweisen.
Das war aber eher bei den zickigen 78xx Pflicht, ich würde sie aber in jedem Fall vorsehen. C3 und C4 würde ich wie im Datenblatt belassen, die sorgen bei stark schwankender Stromentnahme(ADSR/VCA...) für stabile Verhältnisse und verbessern die Rippleunterdrückung.
Und aus altem Aberglauben würde ich den Reglern wenigsten Engelflügelchen verpassen.

 

[chaos.klaus]

Ich kann mir bei näherer Überlegung irgendwie nicht vorstellen, dass die Wärmewiderstände aus dem Datenblatt stimmen ... lieber mehr gekühlt als zuwenig.

 

[chris_kah]

Ein TO220 Gehäuse kann ohne Kühlkörper knapp 1W abführen. Ich würde trotzdem bei mehr als 1/2W einen Kühlkörper verwenden. Vorzugsweise Kühlkörper mit Feder zum Andruck, das ist langfristig besser als Verschraubung (ich spreche da aus über 20 Jahren Erfahrung im Schaltungsdesign) z.B. http://www.conrad.de/ce/de/product/188565/ der reicht für ca. 1.5W aus. Du musst aufpassen, denn die Spannungsregler haben teilweise Potential auf der Kühlfahne. Daher dürfen die Kühlkörper nichts anderes berühren.
Es gibt auch noch die einlötbare Variante: http://www.conrad.de/ce/de/product/188042/ oder die liegende Variante: http://www.conrad.de/ce/de/product/188573/

Die 100nF würde ich unbedingt vorsehen, bei den 78xx und 79xx sind die wirklich Pflicht, aber auch bei LM317/337 sind sie hilfreich.

Gruß
Christoph

Falls du die Kühlkörper in Target brauchst: PN an mich, die habe ich schon aufgesetzt, denn die setze ich beruflich regelmäßig ein.

 

[elkulk]

Hi,

... die liegende Variante: http://www.conrad.de/ce/de/product/...ich nicht mit Draht zu behelfen. Gruß Ulrich

 

[chaos.klaus]

So.

Schaltungsdesign auf +-15V angepasst. Varistor eingebaut um Probleme durch Überspannungen zu vermeiden.

Platine ist im Tonertransfer-Verfahren nach etlichen Versuchen erfolgreich geätzt. Da Natriumpersulfat nicht mehr an Otto-Normal-Verbraucher abgegeben wird, habe ich Eisen-(III)-Chlorid benutzt. Ich hatte Probleme mit der Deckung des Toners. Das resultierte in angetäzten, teils löchrigen Leiterbahnen und Masseflächen. Nun habe ich habe ich aber alle kritischen Stellen des Layouts nochmal mit Permanentmarker nachgezeichnet und das hat dann beim Ätzenvorgang gut funktioniert.

Bohren ging mit meiner Feinbohrmaschine sehr einfach.



Bestücken hat auch gut funktioniert. Mit einer Lötspitze in Meißelform und dünnen (0,5mm) Lötzinn ging das gut von der Hand. Meine Löststellen sehen jetzt nicht super geil aus, aber ich übe noch.



Gehäuse zugemacht, angeschaltet, nicht's explodiert oder verbrannt. Soweit so gut.

Nun habe ich den Output gemessen und musste verwirrt feststellen, dass ich statt +-15V nun knapp +-30V anliegen habe ... das sollte nach meiner Überlegung eigentlich gar nicht gehen. (Ja ich habe an den richtigen Pins gemessen, es liegen zwischen + und - insgesamt knapp 60V an.

Das Oszilloskop zeigt zwischen -15V und Masse noch etwa 60mV Rippelspannung bei 50Hz.



Ich finde meinen Fehler gerade nicht.
Habe ich beim Löten vielleicht was zu heiß werden lassen?

Hier nochmal Schaltplan und Layout:


Nicht verwirren lassen ... es steht noch +-12V dran, aber das sind nur die Symbole. Die Schaltung ist auf 15V ausgelegt.

Bitte gebt mir einen Tipp!

Gruß!

EDIT:

Naja ... und da habe ich meinen Fehler doch schon gefunden. Ich habe beim Bestücken die Spannungsregler vertauscht. Kurz umgelötet und schon gibt das Netzteil wie erwartet +-15,3V ohne Rippelanteil, aber mit leichtem hochfrequentem Rauschen (<1mVpp)

Seht den Post einfach als Ergebnissmeldung.

 

[Rockopa]

Naja ... und da habe ich meinen Fehler doch schon gefunden. Ich habe beim Bestücken die Spannungsregler vertauscht. Kurz umgelötet und schon gibt das Netzteil wie erwartet +-15,3V ohne Rippelanteil, aber mit leichtem hochfrequentem Rauschen (<1mVpp)

Musste ich ebend gerade schmunzeln.
Immer wenn ich etwas fliegend aufgebaut habe,dann hat es in den meisten Fällen funktioniert,so wie ich das ordentlich auf eine Leiterplatte gebracht habe war ein Fehler drin.

Da Natriumpersulfat nicht mehr an Otto-Normal-Verbraucher abgegeben wird, habe ich Eisen-(III)-Chlorid benutzt.

Ich kann mich noch erinnern das ,daß genau umgedreht gewesen ist.
Eisen III wurde verboten und dafür kam dann Natriumpersulfat zum Einsatz was die Ätzzeiten deutlich erhöht hat.