Das Projekt „programmierbares Labornetzteil“ war ein Versuch, ein zuverlässiges, modulares, offenes und programmierbares Labornetzteil zu entwickeln, welches für die unterschiedlichsten Aufgaben verwendet werden kann.

Diese sind z.B. das Versorgen von Schaltungen/eines Breadboards (Steckbrett), Laden (zu einem gewissen Grad auch Entladung) von Batterien verschiedener Größen und Typen oder einfach als Hilfsmittel in der Schule/Ausbildung und wissenschaftlichen Experimenten. Es kann sogar als Baustein in einer Automatic Test Equipment (ATE) Umgebung verwendet werden.

Der Einfachheit halber wird für den Begriff „programmierbares Labornetzteil“ in den unterschiedlichen Artikeln und Dokumentationen das Kürzel „PSU“ (Power Supply Unit) verwendet.

Lasst uns zu Beginn kurz beschreiben welche wichtigen Funktionen als Leitfaden während des gesamten Entwicklungsprozesses verwendet wurden:

Zuverlässigkeit

Eine PSU ist ein "Energie lieferndes Gerät", welches für die Versorgung verschiedener Verbraucher/Geräte verwendet werden kann. Einige davon sind, auch für längere Zeit, sehr tolerant was die angelegte Spannung und Strom angeht (z.B. Leistungswiderstände, Batterien im Allgemeinen mit Ausnahme von Li-Ion, etc.). Aber viele Verbraucher, wie z.B. aktive Komponenten (Halbleiter), sind in der Regel empfindlich auf die angelegte max. Spannung oder Strom. Deshalb muss die PSU so entwickelt werden, dass keine gefährliche Schwankung oder Schwingung in Spannung oder Strom über die gesamte Einsatzdauer vorhanden ist. Dazu gehören Grenzfälle wie das Ein- und Ausschalten der PSU, Anlegen oder Abwerfen der Last usw. In vielen Fällen ist der Verbraucher wertvoller als die PSU an der er hängt. Neben der Langzeitstabilität des PSU-Ausgangs müssen verschiedene Schutzmechanismen implementiert werden, damit angeschlossene sensible Verbraucher nicht zerstört werden (z.B. beim Testen einer neuen Charge von bestückten Platinen, bei der beispielsweise eine oder mehrere Komponenten falsch bestückt oder beschädigt sind). Somit müssen die üblichen Formen von Schutzmechanismen wie Überspannungs- (OVP) und Überstrom- (OCP) Schutz in irgendeiner Form implementiert werden. Ein weiterer Aspekt der Zuverlässigkeit betrifft die PSU an sich. Diese muss zwar in der Lage sein die Stromversorgung der angeschlossen Last zuverlässig sicherzustellen ohne jedoch dabei die eigene "Gesundheit" zu gefährden (z.B. die SOA zu verletzen). In erster Linie ist damit eine Überhitzung gemeint, die zu nicht behebbaren Schäden von aktiven Komponenten führen kann (z.B. dem Leistung-MOSFET). Für einen effektiven Schutz wird somit ein Übertemperaturschutz (OTP), welcher mit einem Überlastschutz (OPP) kombiniert wird, benötigt. Außerdem ist es ratsam, dass die PSU an ihrem Eingang (230V-Netzspannung) und ihrem Ausgang mit irgendeiner Form von Spannungsspitzen- und Verpolschutz ausgestattet ist.

Modularität

Modularer Aufbau bedeutet, dass die PSU durch die Kombination einzelner Bausteine ​​an die eigenen Anforderungen in Sachen Leistung und Funktionalität angepasst werden kann. Ein oder gar mehrere Bausteine könnten somit mit der Zeit durch bessere bzw. funktionalere Bausteine ersetzt werden ohne dabei die anderen Bausteine zu beeinflussen (z.B. Transformator, Touchdisplay, Gehäuse, etc.). Wir glauben, dass der wirkliche Nutzen des modularen Ansatzes darin besteht, dass der Aufbau der PSU durch ihren Schritt-für-Schritt Charakter für die Do-It-Yourself (DIY) Anhänger, die sich entscheiden dieses Projekt zu realisieren, sehr attraktiv sein könnte.

In der Praxis kann das so aussehen: man bestückt und testet zunächst die Vorregler-Platine, fährt dann mit der Endstufen-PCB fort, nimmt diese dann einfach zwei Mal wenn eine Dual-Ausgang PSU benötigt wird und entscheidet sich bei der Bedienung für die "von Hand"-Lösung, welche mit Mehrgangpotentiometer und Schalter gesteuert werden kann. Nachdem die analoge Stufe ausgebaut und getestet ist, kann man mit der digitalen Steuerkarte und der AUX Platine, welche für die isolierte Spannungsversorgung der PSU benötigt wird, fortfahren. Ein weiteres mögliches Szenario wäre, dass man die digitale Steuerkarte dieses Projekts zum Steuern von einer anderen/eigenen analogen Ausgansstufe verwenden kann. Ein möglicher Nachteil des modularen Ansatzes könnte jedoch eine später gewünschte Massenproduktion des Projektes sein. Die Bestückung der gesamten PSU könnte bestehend aus z.B. sechs einzelnen PCBs teurer ausfallen, als wenn diese nur aus einer oder zwei PCBs bestehen würde. Falls dieser Fall jemals eintreten würde, sollte es jedoch kein Problem sein, bewährte Module in eine größere PCB zu integrieren.

Programmierbarkeit

Der Begriff programmierbares Labornetzteil kann viele Gesichter und Seiten haben. Im DIY und nicht-kommerziellen Bereich ist damit meist die Nutzung von populären Mikrocontrollern (MCU) wie die PIC- oder AVR-Familie gemeint, welche mit irgendeiner Art von LCD-Display (2 x 16 Zeichen-Display, 128 x 64 Grafik-Display, etc.) und ein paar Tastern ausgestattet sind.

Die in die MCU integrierten ADCs und PWMs (als DAC) werden dann zur Programmierung und Überwachung der PSU Spannungs- und Stromregelkreise genutzt. Die Software / Firmware ist wegen des Mangels an Hardware bzw. Programmierer-Ressourcen ziemlich einfach gehalten und geht in vielen Fällen nicht über eine Art "Hallo Welt!" der PSU-Anwendung hinaus.

Wichtige Funktionen wie Kalibrierung sowie verschiedene Selbstschutzarten oder weniger wichtige wie ein Arbiträrsignalgenerator oder Fernsteuerung durch 3rd-Party-Controller-Software sind nicht implementiert. Die Grenzen solcher Ansätze könnten schon bald in der alltäglichen Bedienung erreicht werden, sodass die vorhandenen Hardware und/oder Software-Teile überarbeitet werden müssten. Wenn das nicht möglich ist, sind eine komplette Neuentwicklung der Hardware sowie das Umschreiben der Software von Nöten. Unser Ziel ist es eine Software zur Verfügung zu stellen, welche so funktionsreich und flexibel ist, dass mit zukünftigen Updates nicht nur die PSU an sich verbessert werden kann (Vorregler, Leistungsendstufe, Schutzschaltungen, etc.), sondern auch der Einsatz mit vielfältigen anderen Geräten, unabhängig von ihrer Komplexität, ermöglicht werden kann.

Eine digital gesteuerte PSU bietet neben des primären Ziels der Bereitstellung einer konstanten Ausgangsspannung einige neue Möglichkeiten. So können beispielsweise Batterieladealgorithmen zur schnellen Ladung, MPPT, etc. implementiert werden.

Offenheit (Open Source)

Die Offenheit (Open Source) von sowohl Hardware als auch der Software ist ein wichtiger Punkt in diesem funktionsreichen Design. Kommerzielle Geräte können mit guten Hardware- und Softwarefunktionen ausgestattet sein, bieten dem Nutzer aber keine Möglichkeit auf Software / Firmware Seite einzugreifen, unabhängig davon ob der Grund für den gewünschten Eingriff ein offensichtlicher Fehler ist, welchen der Hersteller nicht bestätigen / akzeptieren will (mit der Ausrede "It's not a bug, it's a feature) oder es einfach noch nicht geplant ist. Mit einem offenen Hardware-Design (das schließt Schaltpläne und PCB-Layout ein) kann man den Grund für ein mögliches unerwünschtes Verhalten der PSU verstehen, welchen man beseitigen kann. Das ermöglicht zudem eine einfachere Wartung/Reparatur, wenn das Netzteil aus irgendeinem Grund beschädigt ist.

Mach es selbst (Do it yourself)

Heutzutage gibt es viele Wege ein elektronisches Gerät zu entwickeln und aufzubauen. Die Halbleiterindustrie sowie verwandten Zweige bieten hierfür jeden Tag attraktivere Produkte und Ansätze. Aufgrund der Komplexität und der Fortschreitung der Miniaturisierung ergeben sich auch viele neue Hindernisse, welche im häuslichen Labor nicht so leicht zu überwinden sind. Damit das Endprodukt mit seinen Funktionen nicht nur attraktiv sondern zu Hause auch fertigbar ist, ist eine gute Balance zwischen Leistung, Formfaktor und der Verfügbarkeit von ausgewählten Komponenten und Technologien erforderlich. Z.B. kann als Grundvoraussetzung SMT vor THT präferiert werden, was jedoch auch nicht bedeuten soll, dass man für die ausgewählten Bauteile einen Reflow-Ofen anstelle eines Lötkolbens (mit ein wenig Hilfe einer Lupe :) benötigen sollte.

 

 

 

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