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Lernen Sie die Kunst und Wissenschaft der Entwicklung von Schaltnetzteilen
Mein erstes Entwicklungsprojekt als frischgebackener Elektroingenieur im Jahre 1975 war die I/O-Erweiterung HP 9878A für den Desktop-Computer HP 9825A. Ich war für sämtliche elektronischen Aspekte des Projekts verantwortlich und arbeitete mit dem HP-Ingenieur Jerry Nichols zusammen, der für die mechanische Ausführung des Projekts zuständig war.
Das Konzept der I/O-Erweiterung entsprach ziemlich genau einem heutigen USB-Hub. Ein I/O-Port eines Computers wird auf mehrere Ports „erweitert“. Die Aufgabe der I/O-Erweiterung HP 9878A bestand darin, einen I/O-Steckplatz auf sieben Steckplätze zu erweitern. Da die Codenamen der I/O-Karten alle von Gewürzen abgeleitet waren – Parsley (Petersilie), Sage (Salbei) und Rosemary (Rosmarin) – wurde als Codename für das I/O-Erweiterungsprojekt spontan „Spice Rack“ (Gewürzbord) gewählt. „Spice Rack“ kam im Jahre 1976 heraus (Abbildung 1).
Abbildung 1: Bei der I/O-Erweiterung HP 9878A (ca. 1976) wurde für die Versorgung mit 5, 12 und -12 V ein Linearregler eingesetzt, da die Entwicklung von Schaltreglern damals noch eine Art Kunst war. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Steve Leibson)
Ein Teil dieser Entwicklungsarbeit war die Stromversorgung für die in die sieben Steckplätze eingesteckten I/O-Karten. Jede Karte konnte aus der geregelten 5V-Stromschiene des I/O-Steckplatzes maximal 500 mA und aus den geregelten 12V- und -12V-Schienen maximal 100 mA ziehen. Die Stromversorgung der I/O-Erweiterung musste also 3,5 A bei 5 Volt (zusätzlich zu dem von der internen Elektronik der I/O-Erweiterung benötigten Strom) und maximal 700 mA für die geregelten 12V- und -12V-Zugänge liefern.
Die 12V-Versorgung des HP 9878A wurde problemlos von den (damals) neuen Reglern µA7812 und µA7912 mit drei Anschlüssen gewährleistet, aber die Wahl einer geregelten 5V-Stromversorgung war nicht einfach, da diese fast 4 A liefern musste. Meine Wahl fiel dann schnell auf den einstellbaren Regler-IC µA723 im TO-5-Gehäuse mit 10 Pins, für den mehrere zusätzliche Komponenten erforderlich waren, darunter ein externer NPN-Leistungstransistor 2N3055 in einem großen und massiven TO-3-Gehäuse.
Anmerkung: Der legendäre Bob Widlar hat den einstellbaren Regler-IC µA723 bereits im Jahre 1967 entwickelt. Dieser hat sich dann als erstaunlich langlebig erwiesen. Wie viele der analogen IC-Entwicklungen von Widlar ist der Regler µA723 weit verbreitet und sogar noch heute erhältlich. Gar nicht schlecht für einen IC, der bereits ein halbes Jahrhundert auf dem Buckel hat.
Der Regler mit drei Anschlüssen und der Leistungstransistor 2N3055 waren auf eine Aluminiumplatte geschraubt, die zur Wärmeableitung fest mit dem Aluminiumgussgehäuse des HP 9878A verbunden war. Der einstellbare Regler erhielt dagegen einen kleinen aufgesteckten Kühler. Abwärme war bei diesem Bauteil nie ein Problem.
Die Regler µA7812 und µA7912 mit drei Anschlüssen könnten sogar noch heute nach fast 45 Jahren die richtige Wahl sein, aber für den einstellbaren Regler µA723 und den NPN-Pass-Transistor 2N3055 würde ich mich nicht mehr entscheiden. Zur Vermeidung von zu hoher Wärmeentwicklung benötigte die HP 9878A einen Transformator mit speziellen Wicklungen, damit die ungeregelte Gleichstromschiene nur etwas über der geregelten 5V-Schiene lag. Da HP damals eine eigene Transformatorabteilung hatte, war ein speziell gewickelter Transformator keine große Sache. Jetzt liegen die Dinge anders: Heute würde ich für diese Aufgabe keine lineare Stromversorgung mehr wählen.
Damals im Jahre 1975 steckte die Entwicklung von Schaltnetzteilen noch in den Kinderschuhen. Es war tatsächlich mehr Kunst als Wissenschaft, und es standen nur wenige ICs für die Entwicklung von Schaltnetzteilen zur Verfügung. Genau genommen überhaupt keine. Heutzutage steckt erheblich mehr Wissenschaft dahinter, und es gibt eine große Anzahl von Schaltreglern in Form von ICs. Trotzdem glaube ich, dass die Konstruktion eines guten, zuverlässigen Schaltnetzteils eine Art Kunst bleibt. Wie bei jeder Kunst muss ein Künstler zuerst die Regeln lernen. Nur dann kann er die Regeln brechen, und nur dann kann sich dies positiv auswirken.
Zum Erlernen der Kunst der Entwicklung von Schaltnetzteilen gibt es viele Ressourcen. Zu den besten Ressourcen gehören die Entwicklungskits und die zugehörigen Kurse von Texas Instruments (TI) für die PMLK-Serie (Power Management Lab Kit). Zu der Serie gehören die folgenden Module:
- PMLK Buck EVM, das die Abwärts-Schaltregler-ICs LM3475 und TPS54160 abdeckt
- PMLK Boost EVM, das die Aufwärts-Schaltregler-ICs LM5122 und TPS55340 abdeckt
- PMLK LDO (low drop out) EVM, das die positiven einstellbaren LDO-Regler TPS7A4901 und TPS7A8300 abdeckt
Jedes dieser Produkte umfasst eine Evaluierungsplatine und ein Textbuch, das die Entwicklung von Abwärts- und Aufwärts-Schaltnetzteilen bzw. von LDO-Reglern (Low Dropout) behandelt. Sie könnten LDO-Regler sogar für die Entwicklung eines Schaltnetzteils benötigen, um aus dem geregelten Schaltnetzteil mehrere geregelte Versorgungsspannungen mit niedrigen Stromstärkungen abzuzweigen.
Die TI-Textbücher umfassen jeweils Experimente mit den betreffenden Evaluierungsplatinen. Wenn Sie sich durch alle Experimente der PMLK-Arbeitsbücher gearbeitet haben, haben Sie viel über die Wissenschaft der Stromversorgung gelernt. Ich wünschte, mir hätten diese Ressourcen von 45 Jahren zur Verfügung gestanden.