Modding von einem PC Netzteil
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:
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.