Vielseitige Spannungsversorgung für Breadboards

Von Fons Janssen (Niederlande)
 

Ein Breadboard ist nicht nur ein praktisches Werkzeug für erfahrene Elektroniker, die schnell etwas testen möchten, sondern auch für Anfänger, Bastler oder Studenten, die ihre ersten Schritte in die Welt der Elektronik machen. Für den Aufbau einer Schaltung ist kein Löten erforderlich und das Austauschen von Bauteilen oder Verdrahtungen ist sehr einfach. Da jede Schaltung auf die eine oder andere Weise mit Strom versorgt werden muss, haben wir eine veliseitige Stromversorgung entwickelt, die einfach auf einem Breadboard verwendet werden kann.

Obwohl ein Labornetzteil die bevorzugte Stromquelle beim Experimentieren mit Elektronik oder beim Prototyping ist, ist ein solches Gerät nicht immer verfügbar. Andererseits gibt es überall 5-V-Netzteile mit Micro-USB-Steckern. Wir alle haben wahrscheinlich mehr davon herumliegen, als wir für die Stromversorgung oder das Aufladen unserer Mobiltelefone und anderer elektronischer Geräte und Gadgets benötigen. Die meisten dieser Adapter sind kurzschlussfest, und in Kombination mit dem hier vorgestellten Projekt haben Sie die perfekte, kostengünstige Lösung für die Stromversorgung von Schaltungen auf Breadboards. Die Leistung ist begrenzt, aber wie wir alle wissen sollten: Breadboards sind nicht für High-Power-Schaltungen ausgelegt und auch definitiv nicht dafür geeignet.

Es gibt viele Breadboard-Stromversorgungsplatinen auf dem Markt, aber im Gegensatz zu dieser sind die meisten auf Ausgangsspannungen beschränkt, die niedriger als die Eingangsspannung sind. Negative oder symmetrische Ausgänge sind noch seltener bis nicht vorhanden. Die hier vorgestellte Schaltung ist in dieser Hinsicht eine Neuheit. Sie ist so konzipiert, dass Sie aus einem Standard-5-V-Netzteil schnell eine negative oder symmetrische Spannungsversorgung zum Beispiel für eine Opamp-Verstärkerschaltung mit +9 V/-9 V oder so ähnlich erzeugen können. Die positive Ausgangsspannung darf sogar bis zu 20 V betragen! Sie können aber auch niedrige 3,3 V für Ihren Mikrocontroller herstellen. Es ist alles einstellbar! Die Breadboard-Stromversorgungsplatine enthält nur zwei ICs und ist so ausgelegt, dass sie vier Ausgangsspannungen liefert: eine negative und drei positive.

Das Schaltbild

Bild 1 zeigt das Schaltbild der Breadboard-Stromversorgung.

Das Herz der Schaltung ist der Maxim MAX8614B. Er ist mit einem Aufwärtswandler ausgestattet, der eine Spannung (V_BST) erzeugen kann, die höher als die Eingangsspannung ist, und einem invertierenden Abwärtswandler, der eine negative Spannung (V_INV) erzeugen kann.

Das Poti P1 befindet sich in der Rückkopplung des positiven Aufwärtswandlers und erlaubt die Einstellung der Ausgangsspannung zwischen:

Der invertierende Abwärts/Aufwärtswandler hat ebenfalls ein Poti (P2) in seiner Rückkoppplung, mit dem die Ausgangsspannung eingestellt werden kann zwischen:

Die maximale Ausgangsleistung, die die Wandler liefern können, beträgt etwa 2 W für den Aufwärtswandler und 1 W für den Abwärtswandler. Das bedeutet, dass bei höheren Ausgangsspannungen der maximale Ausgangsstrom niedriger ist. Man sollte nicht vergessen, dass auch die Restwelligkeit bei höheren Lasten zunimmt. Daher empfiehlt es sich, einen Elektrolytkondensator von einigen hundert Mikro-Farad auf die Stromschienen des Breadboards zu stecken. Achten Sie auf die Polarität dieses Kondensators und kontrollieren Sie, ob er auch für die zu erwartende Spannung geeignet ist Spannungsangabe!

Das zweite IC in diesem Schaltplan ist der MAX38903 (ebenfalls von Maxim, siehe [2]) ist ein linearer Spannungsregler (LDO), dessen Ausgangsspannung mit P3 auf eingestellt werden kann zwischen:

Bei einem LDO kann die Ausgangsspannung nicht höher sein als die Eingangsspannung. Die maximale Ausgangsspannung ist deshalb abhängig von der Spannung des Netzteils (hier 5 V), den Verlusten in den Kabeln/Steckern und der Drop-Out-Spannung des MAX38903. In der Praxis liegt dieses Maximum bei etwa 4,5 V. Der maximale Strom, den dieser LDO verarbeiten kann, beträgt 1 A. Die meisten Adapter können dies liefern, aber bei niedrigeren Ausgangsspannungen steigt die Verlustleistung im Chip deutlich an:

Diese Verlustleistung sollte 2 W nicht überschreiten, so dass 1 A nur bei Ausgangsspannungen höher als 3 V geliefert werden kann. Glücklicherweise ist der MAX38903 mit verschiedenen Schutzschaltungen ausgestattet, so dass wir uns keine Sorgen machen müssen, dass unser Netzteil in Rauch aufgeht, weil die Leistungsgrenzen überschritten werden. Die Schaltung auf dem Breadboard selbst erfolgt natürlich auf eigene Gefahr.

Montage

Die Gerberdateien für die Bestellung der Leiterplatte sind in Bild 2 dargestellt.

Die DesignSpark-Designdateien stehen unter [3] zum Download bereit.

Die Platine wurde so kompakt wie möglich gehalten. Am besten werden zunächst die SMDs verlötet, beginnend mit den ICs. Das Löten dieser winzigen Bauteile in ihren TDFN-Gehäusen ist eine ziemliche Herausforderung und der Bau ist unerfahrenen Bastlern sicher nicht zu empfehlen. Es gibt sicher Lötgenies, die die Pads an den Seiten der Gehäuse mit einem kleinen Lötkolben löten können, aber das Löten der freiliegenden Pads darunter erfordert eine Heißluftstation oder einen Reflow-Ofen. Lötpaste wird bevorzugt, auch wenn es dem Entwickler gelungen ist, seine Prototypen so zu bauen, dass er die Pads mit normalem Lötdraht verzinnte, zusätzliches Flussmittel auftrug und eine Heißluftstation zum Reflowing verwendete. Eine Lupe, ein Digitalmikroskop oder sogar ein Stereomikroskop sind eine große Hilfe, um die Lötstellen zu prüfen, bevor Sie mit den anderen Bauteilen fortfahren. Das anschließende Löten des Micro-USB-Verbinders scheint da weniger anspruchsvoll zu sein.

Als nächstes können die umgebenden Spulen, Dioden, Widerstände und Kondensatoren montiert werden und schließlich die Durchsteck-Bauteile wie der Schalter, die LEDs und die Stiftleisten, die mit einem normalen Lötkolben leicht zu befestigen sind. Für JP1 werden die beiden äußeren Pins einer der beiden Reihen einer 3 x 2-poligen Stiftleiste abgeschnitten, so dass eine dreieckige, 4-polige Jumper-Konfiguration entsteht.

Verwendung

Die Stromversorgung kann wie in Bild 3 auf das Breadboard gesteckt werden, die Steckverbinder J1 und J2 in die horizontalen Stromschienen des Breadboards.

Die obere Schiene wird dann mit V+, die untere mit V- und die beiden inneren Stromschienen mit GND verbunden (alle Stromversorgungen dieses Boards haben eine gemeinsame Masse).

Die Platine kann auf der linken Seite mit zwei 12-mm-M3-Abstandshaltern oder Schrauben auf dem Labortisch abgestützt werden; dazu sind zwei Befestigungslöcher vorhanden. Dies verbessert die mechanische Stabilität der Verbindung zwischen Netzteil und Breadboard und verhindert ein Kippen der Platine beim Einstellen der Ausgangsspannungen.

Mit dem Schalter S1 kann die gesamte Spannungsversorgung ein- und ausgeschaltet werden. Beim Einschalten des Netzteils leuchtet die LED1 als Power-On-Anzeige grün.

Da es drei positive Versorgungsspannungen auf der Platine gibt, muss der Anwender auswählen, welche an Jumper JP1 mit der oberen Versorgungsschiene des Breadboards (V+) verbunden ist. Stecken Sie den Jumper in Position 1-2 für die niedrige einstellbare Spannung (V_LDO), in Position 1-3 für die hohe einstellbare Spannung (V_BST) und in Position 1-4 für die feste +5 V. Die Jumperpositionen sind auch im Bestückungsaufdruck der Platine markiert. Die beiden verbleibenden Spannungen können noch mit Hilfe von Steckbrücken an die Schaltung auf dem Breadboard angeschlossen werden, wie in Bild 4 gezeigt.

Auf diesem Bild ist V_BST mit der positiven Schiene gebrückt, während die orangefarbenen und blauen Brückendrähte die +5 V und V_LDO mit dem Breadboard verbinden. Die negative Ausgangsspannung V_INV ist direkt mit der unteren Versorgungsschiene (V-) verbunden.

Die Spannungen werden mit den Mehrgang-Potis P1 bis P3 eingestellt. Der Bestückungsaufdruck der Platine zeigt, welcher Trimmer welchem Ausgang zugeordnet ist. Zum Messen von V+ (TP3) und V- (TP1) während des Abgleichs sind Messpunkte für ein Multimeter vorhanden. TP2 und TP4 sind mit GND verbunden. 

Es gibt zwei rote LEDs, die eine Überlast oder einen Kurzschluss einer der Stromversorgungen anzeigen: LED2 (auf der Platine mit FLT1 gekennzeichnet) für V_BST und/oder V_INV und LED3 (FLT2) für V_LDO. Der Aufwärtswandler und der LDO begrenzen den Ausgangsstrom bei Überlast und die Ausgänge werden abgeschaltet, wenn thermische Grenzwerte der Chips überschritten werden. In beiden Fällen leuchten die LEDs. Wenn der Abwärtswandler überlastet ist, werden beide Ausgänge von IC1 abgeschaltet und LED2 leuchtet. Ein Einschalten der Versorgung mit S1 setzt diesen Fehlerzustand zurück, die Ausgangsspannungen werden wiederhergestellt und die rote LED erlischt wieder, vorausgesetzt natürlich, es liegt kein Kurzschluss vor. Es gibt jedoch keine Überlastanzeige für die festen +5 V. In diesem Fall vertrauen wir darauf, dass das Netzteil kurzschlusssicher ist.

Obwohl dieses Projekt für den Einsatz auf Breadboards konzipiert und gedacht ist, kann es natürlich auch als einfache, stromsparende Stromversorgung für andere Anwendungen genutzt werden, indem man Drähte zwischen den Ausgangspins und anderen elektronischen (Prototyping-) Schaltungen anschließt. So können Sie das überflüssige 5-V-Micro-USB-Steckernetzteil auf dem Labortisch sinnvoll einsetzen!
 
Dieses Projekt kann auch auf der Elektor-Labs-Website eingsehen und verfolgt werden: www.elektormagazine.com/labs/breadboard-power-supply

Weblinks

Passende Produkte

• Breadboard (830 Anschlusspunkte): www.elektor.de/breadboard-830-tie-points
• Andonstar AD407 HDMI-Digitalmikroskop mit 7"-LCD-Bildschirm: www.elektor.de/andonstar-ad407-hdmi-digital-microscope-with-7-lcd-screen

Ein Beitrag von

Design und Text: Fons Janssen
Redaktion: Luc Lemmens
Illustrationen: Patrick Wielders, Fons Janssen, Luc Lemmens
Layout: Harmen Heida
Übersetzung: Textmaster

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