Nach einem Labornetzteil der schaltenden Art habe ich noch Ausschau nach einem linear arbeitenden Gerät gesucht.



Es wurde dieses Philips-Gerät, ein PE 1512, das nach den Stempeln auf den Bauteilen aus der Zeit Anfang der 1970er stammt. Die Schaltung baut noch auf Germaniumtransistoren auf und lässt darauf schließen, dass der Entwurf noch etwas älter ist, Ende 1960er. Die kleineren Transistoren sitzen in Fassungen, das spricht auch für einen Geräteentwurf aus der Frühzeit der Transistortechnik, als die Analogien zu Röhrenschaltungen noch spürbar waren. Ich habe das Netzteil zu einem Preis erhalten, der allein schon durch den verbauten massiven Transformator gerechtfertigt gewesen wäre. Allerdings gab es auch ein wenig zu tun. Im Lieferzustand sprangen sowohl die Spannungswerte als auch die Strombegrenzungswerte wild hin und her, wenn man an den Potis drehte.
Letztendlich waren es nur oxidierte Schleifbahnen und Schalter, die die Probleme verursachten. Einen kleinen Elko (blauer axialer Philips, C49, 6,4 µF) habe ich getauscht, ansonsten gab es keine ausgefallenen Bauteile. Die Potis habe ich zum Reinigen zerlegt und beim Zusammenbau auch gleich neu gefettet. Das geht hier gut, nach Aufbiegen der Blechnasen ist das Innere zugänglich, lässt sich per Glasfaserpinsel und etwas Metallpolitur gut vom Oxid befreien. Gleiches war bei den Schiebeschaltern für die Messbereichsumschaltung notwendig und auch der Netzschalter benötigte eine Kur.



Allerdings habe ich danach noch einmal eingreifen müssen. Direkt am Transformator ist eine primärseitig verbaute Sicherung angebracht, ich vermute mal, dass es sich bei diesem Konstrukt mit der Feder um eine Thermosicherung mit niedrigschmelzendem Lot handelt. Dort waren jedenfalls auch die Kontaktstellen stark korrodiert, was bei Belastung am Ausgang zu einer starken Funkenbildung führte. Daraufhin funktionierte die Spannungsregelung nicht mehr. Zwei Kleinsignaltransistoren hatten aufgegeben, der erste Treibertransistor TS36 und der Emitterfolger TS41 am Differenzverstärker des Spannungsreglerteils. Die Originale, BCY70, besaß ich nicht in meiner Sammlung, aber genügend andere PNP-Kleinsignaltransistoren. BC556B, BC327-25 oder in meinem Fall zwei SC306D sind mit 65 V Ucb0 ausreichend spannungsfest. Verlustleistung und Strombelastung sind an beiden Stellen gering.



Mir gefällt das große Analoginstrument mit Spiegelskala. Oft hat man ja an solchen Analoggeräten nur kleine billige Drehspulmesswerke verbaut. Das hier ist schon etwas ordentlicher mit Genauigkeitsklasse 1,5. Nicht so schön: Das Gerät verteilt Stromspitzen, da direkt an den Ausgangsklemmen ein Elko von 440 µF hängt. Trotz Strombegrenzung auf z. B. 30 mA funkt es ordentlich, wenn der sich von 20 oder gar 35 Volt dann entlädt. Eine LED würde den Stromstoß wohl nicht überstehen. Also gilt auch hier in so einem Fall: erst bei Kurzschluss am Ausgang die gewünschte Strombegrenzung einstellen, dann Last anschalten bei heruntergeregelter Spannung und erst danach die Spannung wieder hochdrehen, bis sie nicht mehr ansteigt.

Alles analog und diskret.



Trotzdem hat mir dieses Bild einige Tage die Nerven geraubt. Es fiel mir schwer, das Schaltbild nachzuvollziehen. Das mag an den an PNP-Transistoren angepassten Darstellungsstil liegen, an der nicht vorhandenen Bezugsmasse und an teilweise ungewöhnlichen Schaltungskonzepten. Ein paar Baugruppen sind abweichend von ihrer üblichen Darstellung gezeichnet und es gibt auch einen Fehler im Bild. Da es auch sonst im Netz wenig Hinweise zu diesem Gerät gibt, möchte ich hier ein paar wesentliche Dinge teilen. Die Schaltung habe ich schon vorab mit Tommy diskutiert, er gab mir noch den Tipp, dass solche rein diskreten PNP-Schaltungen auf NPN umgezeichnet werden können. Dazu muss man:
-alle Transistoren NPN gegen PNP und umgekehrt tauschen
-alle Dioden umpolen
-alle Spannungsquellen umpolen

Dann erhält man das funktionierende Äquivalent, meist leicher verständlich. Untenstehend habe ich das mal für die wichtigsten Schaltungsteile im Simulationsprogramm durchgeführt, die Schaltung funktioniert tatsächlich.




Nun zurück zur Originalschaltung:

Wie bei jeder linearen Spannungsregelung wird ein sogenannter Längstransistor benötigt. Dessen Spannungsabfall muss durch die Regelschleife so eingestellt werden, dass die gewünschte Ausgangsspannung zustande kommt. Hier sind das gleich drei Transistoren, die parallel geschaltet sind: TS29, 31 und 32, Germaniumtransistoren im TO03-Gehäuse. Deren Emitterwiderstände sorgen für eine gleichmäßige Stromaufteilung zwischen ihnen. Ihre Basis wird von zwei Transistoren angesteuert, die in Darlingtonschaltung zusammenarbeiten: TS34 - ebenfalls ein Germanium-Leistungstransistor und TS36, ein Si-PNP-Kleinsignaltyp. Und hier befindet sich auch ein wichtiger Fehler in der Schaltungsdarstellung. Der Emitter von TS36 hat mit der Basis von TS34 Kontakt, es fehlt der entsprechende Punkt in der Leitungskreuzung des Schaltbildes.

Weiter rechts sieht man zwei Differenzverstärker. Der um TS42/43 ist zuständig, wenn die Strombegrenzung nicht greift. Der andere um TS38/39 realisiert die Strombegrenzung. Beide nutzen als Referenzelemente eine BZY78. Das ist nicht nur eine simple Zenerdiode, sondern schon ein kleines IC, bestehend aus mehreren Bauelementen. Ergebnis ist ein temperaturstabiles Bauteil mit 5,3 Volt Referenzspannung bei empfohlenem Stromfluss von 11,5 mA.
Die beiden Differenzverstärker werden gegeneinander durch Diode GR48 entkoppelt, so dass immer nur einer auf die Basis des Treiberpaares TS36/34 wirkt.

Die Differenzverstärker besitzen eine eigene Stromversorgung. Dafür sind TS26 und TS27 und die beiden Zenerdioden GR31 (6,2V) und GR32 (6,8V) zuständig. Im Ergebnis werden stabile -20 Volt erzeugt, die über C32 gepuffert werden. Die Verbindung zum Leistungsteil der Schaltung wird über R62 hergestellt, ein Widerstand von 4,7 Ohm, über den so gut wie kein Strom fließt. Da weder der positive noch der negative Zweig eine direkte Verbindung mit der positiven oder negativen Ausgangsklemme haben, sondern über R62, GR34 und R54 irgendwo dazwischen landen, lässt sich die Ausgangsspannung ab Null Volt einstellen.

TS47 und TS48, im Schaltbild in der Nähe der Längstransistoren, sorgen beim Einschalten für eine kleine Verzögerung von ein paar Millisekunden, bevor die Ausgangsspannung freigegeben wird. Solange C48 lädt, klauen sie den Längstransistoren den Basisstrom. Außerdem schalten sie den Ausgang ab, wenn die Hilfsspannungsversorgung ausfallen sollte.

Zu guter Letzt gibt es noch TS28. Er hat nur die Aufgabe, die beiden Glimmlampen zu steuern. Diesen wurde eine eigene Trafowicklung spendiert, die 100 Volt Wechselspannung liefert. Gleichgerichtet und gepuffert durch C28 bekommen sie eine positive Spannung und sind wechselseitig aktiv. Bei Konstantspannungsbetrieb leuchtet La1. Bei Konstantstrombetrieb wird der Videotransistor TS28 aktiv und schaltet La2 gegen den negativen Zweig der Hilfsspannung frei. Gleichzeitig bricht dadurch die Spannung über C28 ein, La1 erlischt.

Die größten Verständnisprobleme hatte ich mit der Ansteuerung des Thyristors GR44. Über diesen Schalter wird der Pufferkondensator des Leistungsteils C36 (7500 µF) geladen. Allerdings nur so weit, dass dessen Spannung nur ca. 10 Volt über der abgeforderten Ausgangsspannung liegt. Damit wird auch klar, dass das Gerät trotz guter Ausgangswerte von 35 Volt bei drei Ampere mit einer eher kleinen Kühlfläche daherkommt. Die drei Längstransistoren sind zwar unten direkt ans Gehäuse geschraubt, aber für die Abfuhr von ca. 150 Watt Leistung würde das nicht reichen. Diese Verlustleistung würde anfallen, wenn die vollen drei Ampere bei einem Kurzschluss an den Ausgangsklemmen abgefordert werden. Die Hauptwicklung des Trafos bringt ja ca. 50 Volt Wechselspannung. Der Thyristor sorgt dafür, dass daraus nur ca. 30 Watt werden, indem in einem solchen Fall die Ladespannung von C36 auf nur ca. 10 Volt begrenzt wird. Ansonsten läge sie bei ca. 50-60 V bei Verzicht auf eine Vorregelung.
Um es zuzugeben, komplett habe ich die Funktion des Schaltungsteils rund um TS44,46 und TS33 noch immer nicht verstanden. Klar ist aber, dass die Schaltung von TS44 und TS46 ähnlich wie ein Diac einen Zündimpuls liefert. Lässt man den Part um TS33 vorerst weg, geschieht das pro Halbwelle schon nach wenigen ms, noch vor dem Spannungsmaximum der jeweiligen Halbwelle. Zunächst sind beide Transistoren gesperrt. Kondensator C47 wird über R108 geladen, die Speisespannung wird kurz nach Start der Halbwelle von GR56 auf 9,1 Volt begrenzt. Sobald die Basis-Emitter-Spannung an TS46 ausreicht, dass ein geringer Stromfluss zustande kommt, fließt auch ein Kollektorstrom durch TS46, der dann TS44 aufsteuert. Dadurch wird R102 nahezu kurzgeschlossen, die Spannung an der Basis-Emitter-Strecke von TS46 steigt sprunghaft an, es kommt zu einer Mitkopplung. C47 entlädt sich und liefert dabei den gewünschten Stromimpuls an den Thyristor. Fällt die Spannung von C47 auf unter 0,7V sperren beide Transistoren wieder. Danach beginnt der Zyklus von vorn.
TS33 ist nach dem Einschalten gesperrt. Gemeinsamer Bezugspunkt der Leistungsschaltung und der Thyristorsteuerung ist die Plusklemme des Ausgangs, gleichzeitig der Pluspol des Ladekondensators C36 (im Schaltbild der untere Pol!) TS33 wird erst aufgesteuert, wenn C38 geladen wird. Das geschieht, sobald die Spannung des Ladekondensators C36 ein ganzes Stück über der Ausgangsspannung liegt. Wird der Transistor geöffnet, zweigt er einen Teil des Ladestroms für C47, der über R108 kommt, ab. Die Zündspannung wird später erreicht. In der Folge triggert dann auch die Zündschaltung später in der Halbwelle, die Nachlademenge pro Halbwelle für C36 verringert sich.

Eine thyristorgesteuerte Nachladung des Pufferkondensators ist mir bisher nur in einer von ELEKTOR veröffentlichten Schaltung für ein Labornetzteil begegnet. Beim Testen vor vielen Jahren bemerkte ich aber, dass die Schaltpulse stark auf den Ausgang durchschlugen und habe mich dann für einen anderen Entwurf zwecks Eigenbau entschieden. Hier herrscht Ruhe am Ausgang. Der Grund liegt in einer aufwändigen Entstörung. L26 liegt in der Wechselstromzuleitung vor dem Gleichrichter und ist eine große graue Drossel, die über dem Netztrafo angebracht ist. Außerdem gibt es ein Snubberglied, bestehend aus C34 und R70.



So weit bin ich bei der Analyse des Schaltbildes, unter Zuhilfenahme der Schaltungssimulation, gekommen. Falls ihr weitere Hinweise habt, freue ich mich über Kommentare.

Ich habe noch ein paar Bilder vom Innenleben angehängt. Die Schaltung ist auf zwei Leiterplatten verteilt, außerdem gibt es etliche ausgelagerte Komponenten, u. a. die Gleichrichterbrücke, die Längstransistoren, den Thyristor und ein paar Widerstände an den Potis und Schaltern. Bis auf R73 gibt es übrigens keine Justierpotis im Gerät. Maximalspannung, Maximalstrom und Justage der Hilfsspannung auf 20V erfolgen über die Widerstände R59, R51 und R39, die im Schaltbild mit variablen Werten angegeben wurden. Bei der Herstellung sind dort wohl die passenden Widerstände eingebaut worden.

Die Leistungstransistoren sind alle noch original und funktionieren. TO03-Typen waren wohl nicht von der Whiskerbildung betroffen. Der einzige aufgeführte Ge-Kleinsignaltyp, ASY27, war schon durch einen Si-Transistor ersetzt, als ich das Gerät das erste Mal von innen begutachtete. Ob werksseitig oder nach Reparatur, kann ich nicht sicher sagen. Wohl eher ersteres, da der Si-Ersatztyp nicht wirklich häufig anzutreffen ist. Es steckt ein BCY39 drin.
In der Regel interessiert bei den Parametern von stabilisierten Netzteilen ja die Restwelligkeit unter Last am meisten. Den Vergleich werde ich mal machen, sobald mein Schaltnetzteil von ELV wieder alle seine angestammten Teile hat. Dritter im Bunde wird dann ein Eigenbau auf Basis eines LM723 sein.

Viele Grüße,
Christian

Ja, der Leistungsteil ist großzügig dimensioniert. Auch bei längerem Kurzschlussbetrieb spürt man kaum eine Erwärmung, anders als mein Eigenbau, bei dem ich dem Kühlkörper einen Lüfter spendieren musste, damit der bei Volllast und niedriger Ausgangsspannung unter 100°C bleibt. Die Längstransistoren langweilen sich, selbst bei maximaler Ausgangsleistung. Die Vorregelung habe ich bislang nur mittels Multimeter überprüft. Da tut sie einwandfrei ihren Zweck, die Elkospannung liegt stets 10 Volt über der Ausgangsspannung. Das funktioniert auch im Falle der Stromregelung. Bricht die Ausgangsspannung zusammen, folgt auch die Elkospannung.

Spezifikationen aus dem Serviceheft, die ich mit vertretbarem Aufwand prüfen kann
Innenwiderstand bei langsamer Laständerung von Null auf 3 Ampere: < 6 mOhm
Stabilität bei Netzschwankungen von +- 10% vom Nennwert: < 0,03% des eingestellten Wertes oder < 1 mV
Störspannung: < 0,5 mVeff --> kann ich nur per Oszibild schätzen
Störstrom: < 1 mA eff --> dito

Da mache ich mich morgen mal drüber.

Viele Grüße,
Christian

Abschätzung Innenwiderstand als Spannungsquelle:
Spannung ohne Last: 8,03 Volt
Spannung bei 3 Ampere: 8,02 Volt
Innenwiderstand: Delta_U / Delta_I = 10 mV/ 3 A = 3,3 mOhm. Test bestanden

Zum Vergleich - beim eben reparierten Schaltnetzteil LSP-1165 ergibt sich ein dreifach höherer Wert: 30 mV / 3 A = 10 mOhm

Störspannung:



Ganz links befindet sich das Oszillogramm, wenn noch gar nichts eingeschaltet ist. Ich fing mir bei der Messung ein paar Störungen ein, ca. 2 mV Amplitude, 200 kHz. Keine Ahnung, was das ist. Die überlagert die folgenden Messungen und ist daher nicht den Netzgeräten zuzuschreiben.

In der Mitte bei identischer Zeitbasis das Ergebnis oben im Leerlauf, unten unter moderater Last von 8 Volt und 3 Ampere: Man sieht einen Impuls von ca. 12 mV Amplitude und 40 µS Dauer. Im Leerlauf sind es nur 2-3 mV Amplitude.

Rechts daneben noch einmal die gleiche Messung, aber mit längerer Zeitbasis, damit Netzfrequenzeinflüsse sichtbar werden. Sowohl im Leerlauf als auch unter Last sieht man die Störnadeln pro Halbwelle. Ganz unbemerkt bleibt die Thyristorladung also nicht. Aber ich finde, es ist recht moderat mit 10-12 mV Amplitude. Die Netzfrequenz hinterlässt eine Amplitude von weniger als 2 mV. Der für das Philipsgerät angegebene Effektiv-Störwert von 0,5 mV scheint halbwegs realistisch zu sein.




Hier mal der Vergleich zwischen ELV LSP1165 (links) und Philips PE 1215. Ich finde, es schlagen sich beide nicht schlecht. Bei einer RMS-Messung würde das Schaltnetzteil etwas schlechter abschneiden, aber es liegen keine Welten dazwischen. Bei einem rein linearen Gerät sind noch geringere Werte erreichbar, man denke sich einfach die Störspitzen weg.

Thyristor, Phasenanschnittsteuerung:



links: Die Ripplespannung am Ladeelko unter Last.
Rechts die Spannung über Anode - Kathode des Thyristors. Die Klammer symbolisiert die Zeit, die vom Nulldurchgang bis zum Einschalten des Thyristors verstreicht. Strom fließt dann in der Zeit, wo die Linie flach ist. Man sieht schön, dass selbst im Leerlauf für knapp 2 Millisekunden einer Halbwelle der Thyristor öffnet. Aber die längste Zeit der Periode sperrt der Thyristor. Reichlich 8 ms dauert es, bis die Phase "angeschnitten" wird. Der Eigenbedarf des Gerätes wird so gedeckt.
Unter Last verlängert sich die Einschaltdauer, hier auf die knappe Hälfte der Halbwellenzeit. Die Wartezeit bis zum Zuschalten des Thyristors ist wieder mit der Klammer markiert, sie beträgt nur noch etwas über 5 Millisekunden.



Bisher noch nicht gezeigt: Die Ladeelkos des Philipsgerätes. Sie wurden aus Platzgründen ausgelagert und befinden sich hinter der Abdeckung auf der Rückwand


Beide Geräte auf meinem Arbeitstisch:



Ca. 40 Jahre Zeitunterschied liegen zwischen den beiden Geräten.