Stromversorgung für Labor-Experimentiersysteme           

von Wolfgang Schmidt                      
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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).

Nachtrag: Leiterplatten

Kürzlich kam die Frage ans Elektronik-labor: Gibt es dafür fertige Platinen? Leider nein. Für relativ spezielle Projekte ist das nicht wirtschaftlich machbar. Da muss man sich seine Platine entweder selbst ätzen oder machen lassen.  Leiterplatten Prototypen als Einzelstücke oder für kleine Serien sind oft erstaunlich preiswert, es hängt von der Platinengröße ab. Selbst ätzen ist dagegen relativ aufwendig und schwierig. Wenn ich es mal gemacht habe, hatte ich nachher immer ein Loch in der Hose. Dann mache ich lieber Probeaufbauten auf Lochrasterplatinen, der Steckboard-Platine oder im fliegenden Aufbau. Und wenn es dann ernst wird, nur mit den Profis. Dann hat man gleich die richtige Qualität mit Lötstopplack und Bestückungsaufdruck. 


 


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