Elektronischer 6V/12V-Gleichspannungs-Regler

22.05.2005, letzmalig überarbeitet 17.08.2007

7 Gründe für den Ersatz des elektromechanischen (E/M-) durch einen elektronischen (E-) Eigenbauregler

1. Spaß an der Elektronik

2. Einsparung des Eigenstrombedarfs des E/M-Reglers, bei der 6-V-Anlage ca. 0,7A

3. bessere Einstellbarkeit und Regelcharakteristik (d.h. nahezu konstant bleibende Spannung bei unterschiedlichen Belastungsfällen)

4. keine breitbandigen Funkstörungen (weil keine Kontakt-Funken mehr auftreten)

5. verschleiß- und wartungsfreie Regelfunktion bei Kfz-tauglichen, robustem Aufbau

6. „glatte“ Bordspannung, d.h. ohne jegliche zufällige Schwankungen, die bei E/M-Reglern häufig durch wechselnde

Verschmutzungsgrade bzw. Erosion an den Kontakten bedingt sind

7. der alte elektromechanische Regler ist defekt und muss ohnehin ersetzt werden

Schaltung des 6V - E-Reglers

Problematisch bei der vorgestellten Variante ist lediglich die Absicherung gegen bordseitige Überlastung / Kurzschluss.

Der E/M-Regler reagiert bei übermäßiger Stromentnahme (z.B. Licht + Stopplicht + Blinker + Batterieladung) mit einer Absenkung

der Bordspannung und verringert damit die Strombelastung der LiMa. Bei dem hier beschriebenen E-Regler ist eine solche

stromabhängige Nachgiebigkeit der Spannung nicht vorgesehen, was eine Überlastung der LiMa prinzipiell ermöglicht. Eine

zusätzliche Sicherung verhindert das jedoch. Man muss also damit rechnen, dass auch mal die Sicherung wegen reiner Überlastung

„kommt“. Immerhin schluckt eine „ziemlich“ entladene aber ansonsten intakte Bleibatterie in den ersten Minuten nach dem Start

bei 6,8V Ladespannung an die 3 bis 5A.

Der elektronische Regler befindet sich in dem grün gestrichelten Kasten, die äußeren Elemente gehören zur Bordelektrik.

Der Weg der „dicken“ Ströme ist einmal rot (von D+ über Rückstromdiode nach 51 und Bordsicherung) bzw.

blau (von Generator-Masse über D- nach 31) hervorgehoben. Diese Wege dürfen keinesfalls über „zarte“, dünne

Leiterbahnen auf der Platine geführt werden.

Die grünen Elemente (D4, R4, R7) dienen dem Schutz vor hohen Spannungsimpulsen, die die Elektronik zerstören

könnten. Lässt man sie weg, ist zwar die Funktion weiterhin gewährleistet, ein plötzlicher, unerklärlicher Elektronik-Tod

jedoch denkbar.

Der violette Widerstand R8/Klemme CTRL dient der externen Spannungsregulierung. Bleibt der Anschluss CTRL

offen, stellt sich der von der Dimensionierung vorgegebene Spannungswert ein. Eine Verbindung von CTRL mit D+/61

führt zu einer Erhöhung, die Verbindung mit Masse (D-) zu einer Absenkung der Spannung. Soll diese Einstellmöglichkeit

nicht genutzt werden, kann R8 entfallen.

Wenn der E-Regler nach Inbetriebnahme auf Grund der Toleranzlage der maßgebenden Bauelemente (insbesondere

der Z-Diode) nicht die gewünschte Sollspannung bringt, wird der Widerstand R1 gegen benachbarte Werte der E24-Reihe

ausgetauscht. Vergrößerung bzw. Verkleinerung von R1 führt zu einer Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Spannung.

Gestaltung und Aufbau der Leiterplatte

Layout der Platine (von oben gesehen, Kupferfläche oben)

Bestückungsplan

Das „Insel-Layout“ der Leiterplatte gewährleistet größtmögliche mechanische Robustheit, günstige Wärmeableitung und einfache

Fertigung durch „Ritztechnik“. Mit einem scharfen Gegenstand werden die geradlinigen Trennungen freigeschnitten (Arbeitsschutz

beachten!).

Wer die Möglichkeit hat, kann natürlich genauso gut ätzen oder die Trennungen auf einer NC-Maschine fräsen lassen. Die

Bauelemente müssen nach dem Auflöten völlig starr sein, wenn sie sich auf Grund zu lang gehaltener Anschlüsse noch bewegen

lassen, werden sie durch die unvermeidbaren Schwingungen im Fahrgestell früher oder später abgerüttelt.

D3 und T4 werden auf U-förmigen 1mm-Kupferblechen montiert und auf die Leiterplatte aufgeschraubt. Die Kupferbleche

dienen als Wärmekapazität bzw. der Kühlung und können gleichzeitig die Flachstecker (51, D+, DF) aufnehmen. Auch der

Kupferwinkel für den D+Anschluss wird vor dem Verlöten mit einer Schraube gesichert, damit es durch die Steckkräfte nicht

zum Abreißen der Lötinsel kommt. Der Kollektor von T4 wird ebenso wie die Zwillings-Katodenanschlüsse von D3 direkt an

das U-förmige Kupferblech oben angelötet. Damit werden alle „dicken“ Ströme von der Platine ferngehalten.

Die Widerstände sind (außer R6, 1W) SMD-Bauformen, auch die Transistoren T1, T2.

Maßplan für Kontaktfahnen/Kühlbleche 1mm Cu

Inbetriebnahme der Schaltung

Der Einbau der Leiterplatte sollte n i c h t ohne vorherige Prüfung außerhalb des Fahrzeuges erfolgen. Erforderlich dazu sind

- eine von 0 -15V kontinuierlich regelbare Gleichspannungsquelle (1A, besser 2A)

- ein digitales Spannungs- bzw. Strommessgerät (15V bzw. 10A).

Die Spannung am Netzgerät wird feinfühlig (Zehntelvolt für Zehntelvolt) von Null aufwärts geregelt. Dabei wird der fließende

Strom beobachtet. Springt der Strom gleich am Anfang bei einigen Zehntelvolt auf Ampere-Größenordnung oder rührt sich

überhaupt nichts, liegt ein Kurzschluss auf der Platine bzw. ein anderer Fehler vor. Ab etwa 0,8V sollte der Strom auf etwa

0,1A springen. Bei 4...6V V bewegen wir uns gegen 1A und die Glühlampe beginnt zu leuchten.

Wir erhöhen weiter, etwa zwischen 7,0 und 8,2V erlischt die Glühlampe, bei Verkleinerung der Spannung beginnt sie wieder

zu leuchten. Obwohl dieser Übergang relativ steil ist, versuchen wir die Spannung so einzuregeln, dass gerade 0,5A Lampenstrom

fließen. In diesem Zustand sollten 7,6V an D+ gemessen werden [12-V-Version: 13,8V]. Weicht dieser Wert stark ab,

wäre R1 zu korrigieren.

Der Abgleich von R1 wird jedoch besser im Fahrzeug unter realen Bedingungen vorgenommen, zumal damit gleichzeitig die

Leitungsspannungsabfälle in der Größenordnung von wenigen Zehntelvolt kompensiert werden können. Als Richtwert gelten

6,7...6,9V direkt an den Batterieklemmen gemessen, bei voller Beleuchtung und Fahrdrehzahl [12-V-Version: 13,4V...13,8V].

Der Abgleich erfolgt wie oben beschrieben durch Veränderung von R1. Wem die Sprünge der E24-Reihe zu grob sind, kann R1

auch als Parallelkombination ausführen.

Einbau der Leiterplatte

Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und Verbesserung der Wärmeverteilung kann man sich eine Metallplatte (Alu, Messing,

Kupfer, verzinktes Stahlbech o.ä.) mit den äußeren Konturen der Leiterplatte schneiden und dahinter legen oder kleben.

Selbstverständlich müssen in dieser Platte Löcher für die Schraubenköpfe vorgesehen werden, so dass k e i n e Kontaktgabe

erfolgen kann. Beim Aufschrauben der Platine ist ebenfalls darauf zu achten, dass die Befestigungsschrauben (D3, T3, T4,

D+Winkel) völlig isoliert bleiben (ggf. Distanzstücke beilegen).

Und jetzt geht´s los:

- alten E/M-Regler ausbauen (gut einlagern, falls noch i.O., ist ja immerhin ein wertvolles Oldie-Teil)

- Reglerwiderstand aus der Lichtmaschine ausbauen (ebenfalls einlagern)

- E-Regler-Platine montieren,

- Kabel aufstecken (dreimal kontrollieren...) und

- starten!

Wurden Prüfung und Feinabgleich mit Erfolg durchgeführt, sollte die Kupferseite der Platine einschließlich der Bauelemente

(natürlich nicht die Steckkontakte!) mit einem geeigneten Elektro-Isolierlack eingepinselt werden. Das schützt vor Korrosion.

Immerhin schwabbert ein halber Liter Schwefelsäure im Akku unmittelbar darunter...

12-V-Regler auf gleicher Layout-Basis

Durch Veränderung einiger Bauelementewerte lässt sich die Schaltung auch als 12-V-Regler mit der Drehstrom-LiMa in der

ETZ-Baureihe betreiben (s. Tab. weiter unten). Beim 12-V-Regler entfallen Rückstromdiode D3 und zugehörige Kühlfanhne

ersatzlos. Am Anschluss D+/61 wird die Leitung 61 aufgesteckt.

	6 Volt	12 V
R1	470	1,8k
R2	470	1,8k
R3	470	1,8k
R4	47	47
R5	1k	1k
R6	47 / 1W	47 / 1W
R7	47	47
R8	1k	1,8k
D1	ZPD4,7	ZPD4,7
D2	1N5400	1N5400
D3	40CTQ045	entfällt
D4	ZPY12	ZPY20
T1	BFN25	BFN25
T2	BFN25	BFN25
T3	BD137	BD137
T4	TIP2955	TIP2955
C4	100nF	100nF

Beim 12V-Regler geschieht die Entfernung des Feldspulen-Reglerwiderstandes bereits automatisch mit dem Ausbau des

elektromechanischen Reglers. Wer Masse (=D-), 61 und DF aufgesteckt hat, wird jetzt sicher ratlos 2 übrige Leitungen in der

Hand halten. Keine Bange, ein Blick in den Schaltplan zeigt, dass die beiden Leitungen D+ und 51 einfach nur miteinander

zu verbinden sind. Aber Vorsicht! Auf gute Isolierung der Verbindungsstelle achten, eine Masseberührung der Kontaktstelle

kann viel Unheil anrichten.

(Eine Garantie für die Fehlerfreiheit dieses Beitrages kann nicht übenommen werden, eine Haftung für Schäden ist

ebenso ausgeschlossen)