Stromversorgung für
Labor-Experimentiersysteme
von Wolfgang Schmidt
Für
den Aufbau von Laborversuchen, aber auch zur Durchführung von
Experimenten zum Lernen und Begreifen, werden gerne die bekannten
Steckbretter verwendet. Auch bei den meisten Lernpaketen
bilden diese
Steckbretter die Grundlage zum Experimentieren. Die Stromversorgung der
Versuchsschaltung erfolgt dabei im allgemeinen aus einer Batterie oder
einem Akku. Ich möchte hier einige Hinweise geben, wie man diese
Stromversorgung etwas komfortabler gestalten kann. Das Steckbrett habe
ich auf eine etwas größere Hartpapier-Platte geklebt. Am
Rand der Platte sind mit einem Winkel aus Aluminium-Profil zwei
isolierte 4-mm-Buchsen angebracht.
Auf
eine Hartpapierplatte (ca. 75 mm x 90 mm, 2 mm dick) werden Halterungen
für Batterien bzw. Akkus (von mir bevorzugt Größe
AA/Mignon), sowie zwei 4-mm-Buchsen geschraubt und entsprechend
verdrahtet. Mit zwei Laborleitungen („Strippen“) erfolgt
die Verbindung zum Steckbrett.
Die Batteriehalterung kann auch in ein
kleines Kunststoffgehäuse (z. B. Reichelt Best.-Nr. SD10SW) eingebaut
werden.
Die
Stromversorgung aus einer Batterie hat den Nachteil, dass mit der
Entladung der Batterie auch die Klemmenspannung sinkt. Manchmal ist es
jedoch erforderlich, eine konstante (stabilisierte) Betriebsspannung
für den Laborversuch zu verwenden. Natürlich kann man
hierfür ein stabilisiertes
Labornetzgerät verwenden, es gibt
aber auch die Möglichkeiten, die Batteriespannung zu
stabilisieren. Eine konstante Spannung von 5,0 V war aus meiner Sicht
wünschenswert. Wenn man die Rohspannung aus vier Zellen erzeugen
will, muss man berücksichtigen, dass bei frischen Batterien die
Spannung 6 V beträgt. Die Batterien sollen aber mindestes bis zu
einer Klemmenspannung von ca. 4 V (1 V pro Zelle) entladen werden. Man
benötigt also einen Spannungswandler, der sowohl aufwärts als
auch abwärts regeln kann. Diese Forderung erfüllt der
SEPIC-Regler
(Single-Ended Primary Inductance Converter). Ein solcher
Spannungswandler ist z. B. der Typ LT1513
von Linear Technology. Dieser
Schaltkreis ist eigentlich für das Laden von Lithium-Akkus
vorgesehen. Er ist aber auch sehr gut zur Erzeugung einer
stabilisierten Batteriespannung geeignet. Die im Datenblatt des LT1513
angegebene Applikationsschaltung kann für unseren Zweck weitgehend
übernommen werden, lediglich die Rückkopplung muss für
5,0 V Ausgangsspannung dimensioniert werden.
Der
Spannungswandler liefert einen Strom von max. 500...600 mA
(abhängig von der Eingangsspannung, d. h. vom Entladezustand der
Batterie). Der Wirkungsgrad beträgt bei 600 mA Laststrom ca. 71%.
Der eigentlichen Stromversorgungsschaltung habe ich noch eine
Batteriespannungsüberwachung hinzugefügt, so dass rechtzeitig
erkannt wird, wenn die Batterie „verbraucht“ ist. Dies ist
besonders bei der Verwendung von Akkumulatoren wichtig, da eine zu
tiefe
Entladung den Akku beschädigen kann. Die an der
Betriebspannungsüberwachung angeschlossene LED leuchtet bei noch
ausreichender Batteriespannung ständig (normale
Betriebsspannungsanzeige). Sinkt die Batteriespannung unter den
festgelegten Grenzwert beginnt die LED zu blinken. Falls die Batterie
im Normalbetrieb nicht durch die LED belastet werden soll, kann ein
Tastenschalter in deren Leitung eingefügt werden. Der aktuelle
Entladezustand der Batterie kann dann durch kurzes Einschalten der LED
kontrolliert werden. Der Grenzwert für die Unterspannungsanzeige
wird mit dem Einstellregler R7 auf ca. 4 V eingestellt. Die gesamte
Schaltung habe ich als SMD-Leiterplatte (35 mm x 36 mm)
ausgeführt. Die Leiterplatte ist einlagig, die Herstellung im
Fotoverfahren dürfte so für den Hobbyelektroniker keine
Probleme bereiten.
Es
wurden nur Bauelemente in SMD-Bauform verwendet. Dadurch werden keine
Bohrungen benötigt, und die Rückseite der Leiterplatte bleibt
glatt. Dies wirkt sich positiv auf die Montage aus: Die Leiterplatte
wird einfach mit doppelseitigem Klebeband auf dem Gehäuseboden
befestigt. Die meisten Widerstände und Kondensatoren haben die
Größe 0805, die Ausnahmen sind im Stromlaufplan
gekennzeichnet.
Die
Leiterplatte wird zusammen mit einer Batteriehalterung für vier
Mignon-Zellen wieder in ein passendes Kunststoffgehäuse eingebaut.
Ein Schalter zum Trennen der Batterie vom Spannungswandler ist
natürlich erforderlich. Im Mustergerät habe ich einen
zweipoligen Umschalter mit drei Schalterstellungen (siehe
Stromlaufplan) eingebaut:
Stellung 1: aus
Stellung 2: Spannungswandler überbrückt,
die Batterie ist direkt mit den Buchsen verbunden.
Stellung 3: Spannungswandler
eingeschaltet, an den Buchsen liegt die stabilisierte Spannung.
Die
Schalterstellung 2 ermöglicht ein Laden der Akkus, ohne diese aus
dem Gehäuse herauszunehmen. Die Fotos zeigen den Aufbau des
Mustergerätes.
Das Leiterplattenlayout kann im Maßstab 1:1 heruntergeladen
und als Belichtungsvorlage verwendet werden: 1209_Stromversorgung_Layout.pdf
Die
Beschaffung der Bauelemente für den vorgestellten Spannungswandler
kann u. U. Schwierigkeiten bereiten. Ich habe deshalb eine
gleichwertige Schaltung in Entwicklung, für die die verwendeten
Bauelemente bei den bekannten Elektronik-Versandhäusern
erhältlich sind. Zu gegebener Zeit werde ich sie hier vorstellen
(natürlich auch wieder mit Layout).
