28.08.2021

Reparaturversuch an meinem 16V/40A-Netzteil

Ich besitze und benutze seit einigen Jahren ein einstellbares Schaltnetzteil, das 40 A bei max. 16 V liefern kann. Haubteinsatzzweck dieses Netzteils ist, mein Funkgerät, einen IC-7100 von ICOM, zu versorgen. Leider hat es diese Woche den Geist aufgegeben. Da die Garantie sowieso abgelaufen ist, habe ich es mal aufgeschraubt und versucht, den Fehler zu identifizieren.

Bei dem Netzteil handelt es sich um ein HCS-3400 von Maas. Diese Netzteile stammen eigentlich vom Hersteller Manson, wie man auf der Hauptplatine lesen kann, werden jedoch unter allen möglichen Markennamen verkauft. Das Netzteil bietet eine einstellbare Ausgangsspannung und eine einstellbare Strombegrenzung, wodurch es sich auch wunderbar zum Laden von Blei- und LiFePO4-Akkus (nur mit BMS!) verwenden lässt.

Die Symptome des Defekts

Das Netzteil versagte nicht von einem Moment auf den anderen, daher möchte ich hier den Verlauf dokumentieren.

Das erste Symptom war, dass beim Funken plötzlich das Funkgerät immer neu startete, wenn es auf Sendung gehen sollte. Dazu musste nicht mal ein Signal ausgegeben werden, es reichte bereits, wenn im SSB-Modus die PTT-Taste gedrückt wurde, ohne etwas zu sagen (das erhöht den Strom von 0,6 A auf ca. 3 A). Zuerst fürchtete ich, dass ich das Funkgerät irgendwie beschädigt hätte, allerdings stellte ich mit Hilfe eines Spannungsmessgeräts fest, dass beim Sendeversuch die Spannung auf <11 V einbricht, was den Unterspannungsschutz des Funkgeräts auslöst. Ein Test des Funkgeräts an einem Akku bestätigte diesen Verdacht: hier funktionierte es nämlich einwandfrei.

Das Netzteil musste also genauer untersucht werden. Scheinbar kam es nicht mehr mit hohen Strömen oder schnellen Stromänderungen zurecht. Ich machte also einiges Versuche. Als erste Testlast schloss ich ein Peltierelement (4 A bei 13,8 V) an, was problemlos funktionierte (allerdings war das Netzteil zu dieser Zeit noch nicht aufgewärmt). Als nächste Stufe probierte ich eine 100 W-KFZ-Halogenlampe, die (wie alle Glühlampen) einen sehr hohen Einschaltstrom (>20 A) zieht und sich dann bei 13,8 V/6,5 A einpendelt. Auch diese funktionierte zunächst einwandfrei. Nach einigen Schaltzyklen gab es jedoch einen interessanten Effekt: statt den erwarteten 6,5 A flossen nur ca. 3 A. Die Spannung blieb bei 4 bis 5 V hängen, obwohl 13,8 V eingestellt waren und das Netzteil anzeigte, dass es nicht in der Strombegrenzung war. Sowohl der Strom als auch die Spannung waren also niedriger als eingestellt bzw. zugelassen. Sobald die Last abgeklemmt wurde, ging die Spannung wieder auf 13,8 V hoch, das Netzteil lies sich aber nicht mehr dazu bewegen, mehr als 3 A auszugeben. Ich habe auch versucht, die Lampe mit Hilfe der Strombegrenzung langsam aufzuwärmen (um den starken Einschaltpuls zu vermeiden), aber auch so konnte ich nicht mehr die volle Leistung erreichen. Hier war also definitiv etwas kaputt. Zu guter Letzt beschloss ich, einen Extremtest zu machen, den das Netzteil früher schonmal überstanden hat: einen Kurzschluss bei 40 A Strombegrenzung. Diesmal hat das Gerät diesen Test mit einem leisen „Plopp“ und 0 V Ausgangsspannung quittiert.

Aufbau des Netzteils und übliche Defekte

Wie gesagt sind Netzteile dieser Art sehr verbreitet, da die Geräte unter verschiedenen Markennamen verkauft werden und viele Varianten existieren (z.B. 60 V/10 A und 30 V/20 A, mit und ohne USB-Anschluss). Bei einer kurzen Internetrecherche fand ich heraus, dass alle Varianten quasi gleich aufgebaut sind und es sogar einige Videodokumentation dazu gibt, wie Leute diese Netzteile reparieren (ich möchte hier die Reparaturvideos von TecKonstantin und besonders ElektronikLabor auf Youtube erwähnen, die mir sehr beim Verständnis des Aufbaus geholfen haben).

Grob gesagt besteht das Netzteil aus folgenden Stufen (in dieser Reihenfolge vom Netzanschluss aus gesehen):

• Netzfilter
• Netzschalter
• Zweites Netzfilter
• Brückengleichrichter
• Hilfswandler für die Steuerungselektronik
• Aktive Leistungsfaktorkorrektur
• Puffer-/Glättungskondensator
• Leistungsschalter (MOSFET-Halbbrücke)
• Transformator
• Gleichrichter (Schottky-Dioden)
• Ausgangsfilter

Üblicherweise scheinen bei einem defekten Netzteil die Ausgangsgleichrichter und/oder die Leistungsschalter kaputt zu sein. In beiden Fällen bilden die defekten Dioden bzw. MOSFETs einen Kurzschluss, was wiederum vorhergehende Stufen durch Überlastung zerstören kann.

Das folgende Bild zeigt das geöffnete Netzteil. Die Primärseite ist hinten links (an den Kühlkörpern mit den Warn-Aufklebern zu erkennen), die Sekundärseite in der vorderen Hälfte.

Identifizierung des Fehlers

Es gilt also herauszufinden, was bei meinem Netzteil alles kaputt ist.

Ausgangsgleichrichter

Sehr einfach zu überprüfen ist der Ausgangsgleichrichter. Ist dieser defekt, bilden die Schottky-Dioden einen Kurzschluss, der sich am Ausgang messen lässt (das Gerät muss also nicht einmal geöffnet werden). Dazu kann ein einfaches Multimeter im Durchgangsprüfungs- oder Widerstandsmodus verwendet werden, das am Ausgang des Netzteils angeschlossen wird. Ist alles in Ordnung, zeigt das Multimeter ansteigende Widerstandswerte, da es die Filterkondensatoren im Netzteil langsam auflädt. Wird der Durchgangsprüfermodus verwendet, kann es daher auch einen Durchgang melden, der aber nach kurzer Zeit selbstständig verschwinden muss. Im Fehlerfall wird dauerhaft ein sehr kleiner Widerstand angezeigt (<10 Ω). Bei meinem Netzteil ist hier kein Fehler feststellbar; der gemessene Widerstand pendelt sich bei ca. 310 Ω ein.

Sicherungen

Das Gerät enthält mehrere Sicherungen, die überprüft werden sollten.

1. Direkt am Kaltgeräteanschluss. Diese kann ich als Fehlerquelle ausschließen, da das Netzteil ja noch an geht und „nur“ keine Spannung mehr ausgibt.
2. Vor der Leistungsstufe. Hier ist eine 250 V/5 A-Feinsicherung (flink) verbaut. Das Gerät muss zum Überprüfen dieser Sicherung geöffnet werden. Die Sicherung ist sehr schwer zugänglich und ist bei mir eindeutig durchgebrannt.

Leistungsschalter

Die Leistungsschalter gehören ebenfalls zu den Hauptverdächtigen, daher werden diese als nächstes überprüft. Hierzu muss das Gerät jedoch geöffnet und die Hauptplatine ausgebaut werden, da die Anschlüsse der Leistungs-MOSFETs nur von unten zugänglich sind.

Achtung! Jetzt wird an der Primärseite gemessen, wo mehrere hundert Volt anliegen können. Es ist unbedingt sicher zu stellen, dass das Netzteil ausgesteckt und alle Kondensatoren entladen sind, da sonst die Gefahr eines Stromschlags besteht! Außerdem können weitere Bauteile oder die Messgeräte beschädigt werden.

Bei den Leistungs-MOSFETs handelt es sich um zwei N-Kanal-MOSFETs des Typs IXTQ22N50P, der 500 V Spitzenspannung und 22 A Dauerstrom verkraftet.

Leistungs-MOSFETs haben ein üblicherweise (auch hier) ein isoliertes Gate und sperren im Ruhezustand. Daher darf auf der Gate-Source-Strecke und auch auf der Drain-Source-Strecke bei entladenem Gate kein Durchgang bestehen. Zusätzlich kann die Body-Diode überprüft werden, die zwischen Drain und Source liegt und leitet, falls die Spannung an Source höher als an Drain ist.

Ich habe nach dem Ausbau der Hauptplatine versucht, diese Bedingungen zu überprüfen. Es zeigte sich direkt, dass alle drei Anschlüsse gut kurzgeschlossen sind (<0,2 Ω). Die MOSFETs sind daher schon einmal sehr verdächtig; endgültig sagen lässt sich das aber erst, wenn sie aus der Schaltung ausgebaut sind, da ja auch die umgebenden Bauteile einen Kurzschluss verursachen könnten.

Weitere überprüfte Komponenten

Da nun die Leistungsschalter als wahrscheintlich defekt identifiziert sind, ist es sinnvoll, auch die vorherigen Stufen zumindest grob zu prüfen. Insbesondere die aktive Leistungsfaktorkorrektur (PFC), die ja im Prinzip ein Aufwärtswandler ist, könnte durch den hohen Kurzschlussstrom beschädigt worden sein. Dies war auch beim Netzteil von ElektronikLabor der Fall, wie er in Teil 3 seiner Reparaturdoku feststellt. Es lohnt sich also, hier nachzumessen.

Gut überprüfen lassen sich der MOSFET (wie oben bereits erläutert), die Ausgangsdiode des PFC-Schaltwandlers (mit der Diodentest-Funktion des Multimeters) und der PFC-Regler-IC. Bei letzterem sollten keine Kurzschlüsse von den IC-Pins nach GND vorkommen (abgesehen vom GND-Pin selbst natürlich). Bei allen Messungen sollte man bedenken, dass die Bauteile in der Schaltung gemessen werden und es daher vorkommen kann, dass umgebende Bauteile die Messung verfälschen.

Auslöten der MOSFETs und endgültige Prüfung

Um die Leistungsschalter eindeutig als Fehlerquelle zu identifizieren, müssen sie wie erwähnt ausgebaut werden. Dies stellte sich als nicht ganz einfach heraus, da sie zum einen an große Leiterflächen angeschlossen sind, zum anderen auch auf einen Kühlkörper montiert sind, der seinen Zweck sehr gut erfüllt und sämtliche Löthitze zuverlässig ableitet. Als zusätzliche Schwierigkeit lässt sich der Kühlkörper nicht einfach von den Transistoren abschrauben, da der Trafo im Weg ist.

Der erste Ansatz war daher, den Kühlkörper von der Platine abzuschrauben, dann das Zinn von den Transistorbeinchen abzusaugen und zu hoffen, dass sich die Transistoren inklusive Kühlkörper danach herausziehen lassen. Leider klappte das aufgrund der guten Wärmeabführung nicht, da das Zinn vor dem Absaugen zu schnell wieder fest wurde.

Im zweiten Ansatz stellte sich heraus, dass man mit einer kleinen Zange die Schrauben an den FETs in kleinen Schritten herausschrauben kann (bei dem inneren FET ca. 10° pro „Angriff“…). Dies ist eine recht langwierige Prozedur, aber am Ende wird man damit belohnt, dass man den Kühlkörper entfernen und die FETs einzeln auslöten kann.

Nachdem die FETs ausgebaut waren, ließ sich mit dem Durchgangsprüfer schnell bestätigen, dass sie tatsächlich defekt sind. An der umgebenden Schaltung konnten keine Kurzschlüsse festgestellt werden.

Hier einige Bilder der Netzteilplatine ohne MOSFETs:

Reparaturversuch 1: Austausch der MOSFETs

Finden eines Ersatztyps

Da die MOSFETs eindeutig defekt sind, müssen mindestens diese ersetzt werden. Der Originaltyp ist leider derzeit nicht verfügbar und außerdem schadet es sicher nicht, einen etwas Besseren einzubauen. Daher habe ich einen vergleichbaren FET herausgesucht: IPW60R160C6. Die relevanten Eigenschaften möchte ich hier kurz gegenüberstellen:

Eigenschaft	IXTQ22N50P (Original)	IPW60R160C6 (Ersatz)
Spannungsfestigkeit	500 V	600 V
Dauerstrom (25 °C)	22 A	23,8 A
Pulsbelastbarkeit	50 A	70 A
Gate-Schwellenspannung	3,0 bis 5,5 V	2,5 bis 3,5 V
R_DS(on) max.	270 mΩ	160 mΩ
Eingangskapazität	2880 pF @ V_DS=25 V	1660 pF @ V_DS=100 V

Der IPW60R160C6 ist also sehr nah am Original dran, aber in jeder Hinsicht minimal besser. Auf jeden Fall sollten die neuen Transistoren durch den niedrigeren Widerstand und das schnellere Schalten (niedrigere Eingangskapazität) weniger Verlustleistung umsetzen.

Ich werde diese dann demnächst bestellen und hoffe, dass das Netzteil damit wieder funktioniert. Wir werden sehen… wenn es so weit ist, gibt es ein Update dieses Artikels.

Montage der neuen MOSFETs

Nachdem die neuen MOSFETs angekommen sind, ging es natürlich gleich an’s Einbauen. Die Montage gestaltete sich wie erhofft sehr einfach, da die Gehäuse der Bauteile mechanisch kompatibel sind. Die neuen Teile konnten daher einfach auf den vorhandenen, unveränderten Kühlkörper geschraubt werden. Auch die Original-Wärmeleitfolie habe ich wiederverwendet.

Nach dem Festschrauben der MOSFETs auf dem Kühlkörper habe ich diesen wieder an die Hauptplatine angeschraubt und anschließend die Beinchen der Transistoren verlötet. Das Ergebnis sieht man auf den folgenden Bildern. Ich möchte hervorheben, wie wenig Abstand zwischen den Transistoren und dem Trafo ist.

Der erste Einschaltversuch

Da ich ja außer den defekten MOSFETs und der internen Sicherung keine Fehler feststellen konnte, habe ich nach deren Tausch das Netzteil wieder einigermaßen zusammengebaut und eingeschaltet (durchaus mit einem etwas mulmigen Gefühl, daher auch die Abdeckung auf dem Bild… es könnte ja etwas explodieren). Und siehe da:

Es gibt wieder eine Spannung aus! Natürlich habe ich die Anzeige mit einem Multimeter überprüft, dem Gerät war ja zu diesem Zeitpunkt nicht zu trauen. Da es aber so weit ganz gut aussah, habe ich anschließend diverse Versuche gemacht (auch wieder mit der 100 W-Halogenlampe und dem Peltierelement) und tatsächlich scheint es wieder zu funktionieren!

Fazit

Ich freue mich sehr, dass das Netzteil wieder funktioniert. Ich werde es noch etwas beobachten und austesten, bevor ich eine empfindliche Last wie das Funkgerät anschließe, aber es sieht aktuell so aus, als wäre das Gerät vor dem Elektroschrott gerettet :-)

Ich muss auch sagen, dass das Netzteil sehr gut reparierbar ist: alle Teile, die man potenziell tauschen muss, sind verschraubt und nicht geklebt. Einzig die beengten Platzverhältnisse an den MOSFETs sind etwas unschön, aber man will ja auch ein kompaktes Gerät haben…

Eine erste Messung zeigt übrigens, dass das Netzteil jetzt durchaus effizienter arbeitet: im Leerlauf verbraucht es nur noch 12 bis 13 W statt vorher 16 bis 17 W :) – die niedrigere Gatekapazität und der geringere Durchgangswiderstand der neuen FETs zahlen sich also aus. Dafür meine ich, dass es jetzt hörbar fiept, was mir vorher nie aufgefallen ist.