WARNUNG: Im Folgenden werden ich beschreiben, wie man ein Netzteil ändert.
Netzteile können hohe Spannungen führen – auch wenn der Stecker
gezogen wurde weil in Kondensatoren noch Ladung gespeichert sein kann.
In einigen Ländern darf nur eine geprüfte Fachkraft oder eine Person
unter Aufsicht einer geprüften Fachkraft Geräte mit Netzspannung ändern.
Du solltest also wissen was Du tust und dazu authorisiert sein.
PC Netzteile sind günstig und gut verfügbar aber sie geben die
angegebenen Spannungen nur dann aus wenn der gezogene Strom bei jeder
der unterschiedlichen Spannungen innerhalb der Minima und Maxima des
Netzteils sind. Wenn man hohe Ströme (aber innerhalb der Spezifikation
des Netzteils) nur bei einer einzigen Spannung zieht, sinkt die Spannung
unter die in der Spezifikation angegebenen Mindestspannung.
Ein Beispiel ist das Heizbett meines 3D-Druckers: Er verwendete früher
ein PC-Netzteil für das Heizbett. Das Heizbett zieht 12A und verwendet
nur die 12V Stromversorgung. Das Resultat ist eine Spannung von etwa 10V
wenn das Heizbett heizt.
Ein anderer Anwendungsfall ist die Versorgung von ARM-basierten
Single-Board Computern (z.B. Raspberry-Pi or Orange-Pi) aus einer 5V
Leitung. Wenn man dafür ein PC-Netzteil verwendet (ohne Strom aus der
12V Versorgung zu benötigen) kann die nominelle 5V Spannung unter den
Bereich sinken wo der Single-Board Computer noch zuverlässig
funktioniert.
Ein drittes Beispiel ist die Stromversorgunge von Funkgeräten eines
Funkamateurs: Diese Geräte liefern üblicherweise nicht die volle
Sendeleistung wenn sie mit 12V oder weniger versorgt werden, sie
brauchen typischerweise 13.6-13.8V für volle Sendeleistung.
In allen diesen Fällen wäre eine Modifikation des Netzteils so dass die
ausgewählte Spannung stabil bleibt oder wo es sogar möglich ist, die
ausgewählte Spannung leicht zu verändern (von 12V auf 13.8V für
Funkamateure), sehr nett. Wie können wir das erreichen?
Viele PC-Netzteile haben als Spannungsregler die integrierten
Schaltkreise TL494 oder KA7500 (diese sind Pin-Kompatibel) verbaut.
Wenn unser Netzteil einen davon hat kann man es üblicherweise
modifizieren um eines der oben genannten Zwecke zu erreichen.
Ein Schaltungsdetail solcher Netzgeräte ist ein Rückkopplungszweig der
die 5V und 12V Spannungen zum Regler-IC führt. Auf Dan's PC power
supply page findet man viele Schaltungen von PC-Netzteilen. Nehmen wir
das zweite in der Liste von TL494 und KA7500 basierten Geräten. Es
hat einige parallele Widerstände von pin 1 des TL494 nach Masse und
einen 27kΩ-Widerstand von 12V an pin 1 sowie einen 4.7kΩ-Widerstand von 5V zum selben Pin.
Wir können die Spannungsregelung verändern, indem wir die Rückkopplungs
Widerstände ändern. Es sei angemerkt, dass üblicherweise jedes Netzteil
unterschiedliche Widerstände nach Masse und unterschiedliche
Rückkopplungs Widerstände von 5V und 12V hat. Als Beispiel ändern wir
nun die Rückkopplungs-Widerstände so dass das Netzteil stabile 5V
liefert ohne dass wir uns um die 12V Spannung kümmern.
WARNUNG: Wenn man ein Netzteil für stabile 5V oder 12V Versorgung
modifiziert hat, sind die anderen Spannungen nicht mehr stabil und
können zu hoch für die Nutzung in einem PC werden. Man sollte niemals
ein modifiziertes Netzteil in einem PC einsetzen.
Der erste Schritt ist mal, die beiden Rückkopplungs Widerstände im
Netzteil zu finden. Einmal gefunden verifizieren wir dass die Seite die
nicht am Pin 1 des Reglers liegt mit 0Ω mit dem 5V bzw. 12V
Ausgang verbunden ist. Dann löten wir beide Widerstände aus. Bevor wir
jetzt den neuen Widerstand zwischen Pin 1 und 5V berechnen, messen wir
den Widerstand von Pin 1 nach Masse: Weil wir ja nun die beiden
Widerstände nach 12V und 5V ausgelötet haben, kann der Widerstand nach
Masse störungsfrei gemessen werden. Es ist an dieser Stelle sinnvoll,
sicher zu sein, dass der gemessene Widerstandswert und der berechnete
aus den drei parallel geschalteten Widerständen übereinstimmen: Im
Beispiel-Schaltplan haben wir 100kΩ, 390kΩ und 10kΩ parallelgeschaltet, die gemessen den Wert haben:
\begin{equation*}
\frac{1}{\frac{1}{100000}+\frac{1}{390000}+\frac{1}{10000}} = 8883.83
\end{equation*}
Als ich neulich ein Netzteil umgebaut habe, waren die drei Widerständen
nach Masse 470kΩ, 100kΩ und was ich dachte dass 8.9kΩ wären. Ich hatte die Farben des letzten Widerstands als
Grau-Weiss-Schwarz-Braun-Braun interpretiert. Als ich die drei
parallelen Widerstände gemessen habe war das Ergebnis 4.61kΩ statt der erwarteten 8033Ω. Es stellte sich heraus (nach genauem
Ansehen des Widerstands im Sonnenlicht) dass das was ich als Grau
eingestuft hatte eher gelblich war. Der Widerstand hatte also in
Wirklichkeit 4.9kΩ und der berechnete Gesamtwiderstand war
4625Ω.
Um ein Netzteil nur die 5V regeln zu lassen verbinden wir einen neuen
Widerstand von Pin 1 des Regler-ICs mit 5V und lassen die 12V
Rückkopplung unbeschaltet. Aber wie wählen wir den neuen Widerstand?
Um den zu berechnen müssen wir ein Gleichungssystem lösen. Wir wissen
vom Ohmschen Gesetz die Verhältnisse von Strömen, Spannungen und
Widerständen. Von Kirchhoff wissen wir, dass die Summe des Stroms durch
den 5V Widerstand und durch den 12V Widerstand gleich dem Strom durch
die Massewiderstände sein muss. Diese Verhältnisse sind in einem Maxima
Spreadsheet zusammengefasst.
Wir berechnen die Referenzspannung an Pin 1 wenn sowohl der Widerstand
von 5V als auch der von 12V angeschlossen sind. Dann wählen wir einen
neuen Widerstand der nur an 5V angeschlossen ist so, dass sich die
selbe Referenzspannung ergibt.
Zum Beispiel in obigem Schaltplan bekommen wir ziemlich genau 1800Ω für R_new, den neuen Widerstand. Für das Netzteil, das ich vor kurzem
modifiziert habe, habe ich schon die Widerstände nach Masse angegeben.
Der Widerstand nach 12V war 39kΩ und der Widerstand nach 5V war
9.1kΩ. Der resultierende neue Widerstand R_new für dieses Netzteil
war 4865Ω was durch Serienschaltung von einem 4.7kΩ und
einem 150Ω Widerstand erreicht wurde, damit ist die 5V
Ausgangsspannung genau genug erreicht. Diese Berechnung findet sich als
zweites Beispiel im Spreadsheet.
Noch ein Wort zur Vorsicht: Wenn man ein Netzteil für stabile 5V
Versorgung modifiziert oder für eine höhere Spannung am 12V Ausgang
sollte man sich bewusst sein, dass die meisten PC-Netzteile im 12V-Zweig
Kondensatoren haben die für 16V spezifiziert sind. Wenn man dann hohe
Ströme bei 5V zieht, kann die Spannung am 12V Ausgang zu hoch für diese
Kondensatoren werden. Um auf der sicheren Seite zu sein, sollte man
diese Kondensatoren durch 25V-Typen ersetzen.
Um die 12V Stromversorgung zu fixieren wird im Prinzip die selbe
Prozedur wie für 5V verwendet, nur dass wir den 12V
Rückkopplungs-Widerstand anschließen und den 5V Widerstand unbeschaltet
lassen. Wie man den Widerstand für 12V berechnet ist Hausaufgabe.