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Dummy Load für Transformatornetzteile

Selbst gebaute Trafonetzteile will man gerne austesten. Dazu gehören natürlich Last-Tests, bei denen man dem Netzteil verschiedene Mengen Strom zumutet und schaut, ob es die liefert oder in die Knie geht.

Am einfachsten geht es, verschiedene Widerstände anzuschließen und einfach den Strom aus Spannung und Widerstand auszurechnen. Bei großen Netzteilen mit mehreren Watt Leistung ist das aber unpraktisch, weil die gesamte lieferbare Leistung in dem Widerstand verbraten werden muss. Und passende 5- oder 10-Watt-Widerstände hat man nicht allzuviele in der Bastelkiste rumfliegen.

Es muss also was leicht Regelbares her, das auch mal 10 oder 20 Watt abkann. Und das für Langzeit-Lasttests auch mal über Stunden lang. Da schlägt die Stunde der Leistungselektronik.

Schaltbild der Universalversion

Zum Ersten: damit wir den Leistungstransistor mit einem schönen, großen Kühlkörper einfach auf den Basteltisch legen können, muss die GND-Leitung, also das Minus des Netzteils, an den Kollektor des Transistors. Den können wir dann ohne Isolation einfach auf den Kühlkörper schrauben und brauchen das ganze Gewese mit der Glimmerscheibe und der Wärmeleitpaste nicht machen. Also muss es ein PNP-Transistor sein.

Zweitens soll das Teil ab 3 Volt schon feste arbeiten, aber auch 30 Volt vertragen, damit wir nicht für jedes Netzteil eine besondere Dummy Load basteln müssen. Um das nötige Maß an Flexibilität zu kriegen, brauchen wir eine Konstantspannung, die schon ab 3 V geht und auch bei 30 V gut funktioniert. Und das ohne Riesenaufwand. Das macht der FET BF256B in dieser Schaltung: er lässt ziemlich genau 8,5 mA durch die drei Dioden fließen. Die stellen ihre Durchlassspannung entsprechend dieses Stroms ein und liefern 0,65, 1,30 und 1,95 Volt unterhalb der positiven Spannung.

Mit dem 1k-Poti in der Schaltung kann man Spannungen zwischen 0,65 und 1,95 Volt unterhalb der Plusspannung abgreifen und der Basis des PNP-Transistors zuführen. In dessen Emitter liegt ein Widerstand, der über den Strom bestimmt. Damit der Regler die Konstantspannung nicht wesentlich beeinflusst, ist der Transistor ein Darlington mit hoher Gleichstrom-Verstärkung. Damit lassen sich Ströme von 1 mA * 1.000 = 1 A mit nur 1 mA Querstrom zur Konstantspannungsquelle regeln.

Rein theoretoisch gehen beim Darlington zwei Mal 0,65 V = 1,30 V an U_BE flöten. Ist aber nicht so: bei sehr kleinen Basiströmen ist U_BE deutlich kleiner als 1,30 V. Bei einem R_E von 1 Ω stellten sich bei 1,30 V am untersten Ende des Schleifers am Potentiometer bereits 0,35 A an Kollektorstrom ein. Daher die Schaltung des Poti an den beiden Dioden und nicht bloß an einer.

Der Darlington muss die gesamte lieferbare Leistung des Netzteils verbraten können, er wird dann bei größerer Leistung sehr warm bis heiß. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass die Temperatur einen sehr großen Einfluss auf U_BE hat. Daher erhöht sich der Strom mit der Zeit und mit zunehmender Erwärmung des Transistors. Das muss man durch Nachregeln ausgleichen, bis der Transistor seine Betriebstemperatur erreicht hat. Bei großen Kühlkörpern kann das etwas andauern.

Zur Dimensionierung des Kühlkörpers muss man

die Betriebsspannung des Netzteils mit dem Maximalstrom multiplizieren, um die Maximalleistung zu erhalten, z. B. 12 V * 1 A = 12 Watt,
eine Maximaltemperatur des Transistors wählen , z. B. 100 Grad Celsius, bei 25°C Umgebnungstemperatur also 125°C Betriebstemperatur, zulässig wären bis zu 200°C,
diese Maximaltemperatur durch die Maximalleistung teilen und erhält den Wärme-Widerstand des Kühlkörpers in °C/W.

Ohne jeden Kühlkörper hat der Transistor 1,17°C/W, d. h. das Silizium wird pro Watt um das 1,17-fache wärmer als das Gehäuse. Ein Fingerkühlkörper mit 46*46*12,7 mm hat 7 K/W, größere ALU-Profile kommen auf 3,5, ganz große auf 2,5 °/W. Bei 7 °/W kämen wir bei 12 V und 1A auf eine Gehäusetemperatur von T = 25 + 12 * 1 * 7 = 109 °C.

Dummy Load mit kleinem Kühlkörper

Das hier ist der Aufbau mit einem sehr kleinen Kühlkörper für kleine Netzteile. Das Teil hat ca. 25 °C/W und kann daher etwa 4 W.

Die zwei Schaltbilder gibt es im Libre-Office-Draw-Format hier zum Download.

Schaltbild der langzeitstabilen Version

Schaltbild der langzeitstabilen Dummy Load

Wer das dauernde Nachregeln des Stroms leid ist oder was braucht, was über Stunden hinweg einigermaßen stabil bleibt, nimmt diese Version hier. Hier übernimmt ein OpAmp die Regelung der Basisspannung, indem er die Spannung am Emitter mit dem eingestellten Sollwert vergleicht und die Basisspannung des Darlington entsprechend nachregelt.

Nachteil der Schaltung ist, dass sie wegen des OpAmp erst ab ca. 5 V korrekt funktioniert, 3-V-Netzteile lassen sich daher nur unzureichend mit dieser Schaltung bearbeiten. Dafür bleibt diese Schaltung über Stunden lang stabil und man muss, einmal korrekt eingestellt, nicht mehr dauernd, sondern nur noch gelegentlich drauf aufpassen.

Die vielen 47k-Widerstände bringen die beiden zu messenden Spannungen auf ein niedrigeres Niveau, weil der OpAmp bei Eingangsspannungen in der Umgebung der positiven Versorgungsspannung nicht mehr korrekt arbeitet.

In der Praxis beginnt der Regelbereich schon bei 73 mA und nicht schon bei Null. Das liegt daran, dass der 741 nicht bis zur positiven Betriebsspannung treiben kann. Aber damit muss man leben, oder eine Leistungsdiode zwischen den Emitter und den Emitterwiderstand schalten. Die Leitung zum 47k-Widerstand bleibt dabei aber am Emitterwiderstand.

Bei allen Experimenten mit der Dummy-Load auf die Temperatur des Kühlkörpers achten. Mit den 150 Grad, die so ein Kühlkörper haben kann, kann man sich Kunststoffgegenstände ganz schön ruinieren, wenn man den Kühlkörper darauf ablegt.

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