Deutsches
Elektronikinstitut
 


      Home    Grundlagen     Schaltpläne     Baupläne     Bauteile     Adressen     Kontakt + Impressum
Gleichspannung     Platinenaufbau


Das Hauptnetzteil - Erzeugung einer sicheren Gleichspannung aus dem Stromnetz


Hier werden die Grundlagen für den Selbstbau von netzbetriebenen Geräten behandelt. Es wird der Weg von der Netzanschlußleitung bis zur ungeregelten Gleichspannung beschrieben. Die Stichwörter auf die nicht ausführlich eingegangen wird, sind in der Fachliteratur und im I-Netz leicht zu finden.

Der Netzanschluß
Das Wichtigste ist die Sicherheit des Netzanschlusses. Die Anschlußleitung muß eine Zugentlastung haben, falls sie fest mit dem Gerät verbunden werden soll. Praktischer ist aber eine Anschlußleitung mit Steckkupplung und eine entsprechende Buchse im Gerät. Noch vor dem Netzschalter wird eine Sicherung eingebaut. Das Gehäuse wird geerdet oder wenigstens doppelt isoliert. Der Netzschalter sollte robust sein und nicht zu billig, sonst brennt er durch. Eine Netzkontrolleuchte ist empfehlenswert.

Die Einschaltstrombegrenzung
Spätestens wenn beim Einschalten das Licht flackert oder gleich die Haussicherung schmilzt, braucht man eine ESB; außerdem schont sie den Netzschalter. Sie besteht im Kern aus einem Relais das mit einem Lastwiderstand überbrückt ist. Das Relais wird mit einer Verzögerungsschaltung angesteuert.  Bei kleinen Netzteilen bis ca. 25 Watt braucht man keine ESB.

Der Transformator
Nach dem Ein/Ausschalter bzw. der ESB kommt der Trafo. Heute benutzt man nach Möglichkeit Ringkerntrafos, weil diese einen höheren Wirkungsgrad haben und ein sehr geringes Streufeld. Außerdem neigen E I - Kern- Trafos zu mechanischen Schwingungen (Brummen), welche sich hörbar auf Gehäuse und Untergrund übertragen. Das ist für den Hausgebrauch auf die Dauer störend. Im Leerlauf verbraucht ein Trafo nur 1/100 des Nennstromes. Das meiste davon ist Blindstrom und wird nicht vom Stromzähler gezählt, da die Energie wieder zur Quelle zurückfließt. Bei der Entsorgung dürfen die Anschlussdrähte nicht abgeschnitten werden, um eine Wiederverwendung zu ermöglichen, anderenfalls wird die Erde eines Tages kollabieren.

Der Gleichrichter
Die Belastbarkeit des Brückengleichrichters für den Betrieb mit Ladeelkos steht auf dem Gehäuse geringfügig verschlüsselt drauf. "B80C3700" heißt z.B. 80V~ und 3,7A. Eine zweite, geringere Stromangabe gilt für Dauerbelastung. Leistungsgleichrichter werden zur Kühlung ggf. auf das Gehäusebodenblech geschraubt. Nach der Gleichrichtung sind beide 50Hz- Sinushalbwellen der Eingangwechselspannung gleich gepolt, sodaß die Spannung nicht mehr die Polarität wechselt, sondern nur noch in der Höhe schwankt. Die Spannung ist also nicht mehr rein sinusförmig. Manchmal verursacht der Gleichrichter deswegen Störungen im HF-Bereich, dann werden Kondensatoren im Bereich von 1...10nF parallel zu den Dioden geschaltet. Die Grundfrequenz hat sich nun auf 100Hz verdoppelt. Man nennt diese Art Spannung eine ungesiebte Gleichspannung. Der Effektivwert dieser Spannung berechnet sich, genauso wie vor dem Gleichrichter, aus ihrem Spitzenwert und umgekehrt, da die erwirkte Leistung an einem Ohmschen Lastwiderstand in beiden Fällen positiv ist:

 Ueff  = US * SQR(2)

Beispiel: 230V~ haben eine Spitzenspannung von 230 * 1,414 = 325V 

Der Siebelko
Schließt man nun einen Kondensator an die ungesiebte Gleichspannung, dann wird aus ihr eine ungeregelte Gleichspannung. Ohne Last laden sich die Elektrolytkondensatoren auf die Spitzenspannung auf und halten diese. Mit einem 24V-Trafo entstehen also 33,9V an den Elkos. Durch den unbelasteten Trafo ist es sogar noch etwas mehr (~37,8V). Unter Strombelastung sinkt die Spannung insbesondere zwischen den Spannungsscheiteln (das sind die Spitzen) ab, um wärend derselben vom Trafo mit Stromstößen nachgeladen zu werden, und zwar genau dann, wenn der Augenblickswert der Wechselspannung an den Dioden die Elkospannung übertrifft. Sodann stellt sich die Frage, wie groß der Siebelko sein muß. Das hängt vom maximal zu erwartenden Strom ab und berechnet sich wie folgt:

C = I x t / U. 

C ist die Kapazität, I ist der Strom und t ist die Zeit zwischen den 100Hz- Wellen. Das sind bei 50Hz nach der Gleichrichtung :

t = 1 / f  = 10ms

f  ist die Frequenz. Abzüglich der Ladephase bleiben also rund 8ms.
U ist die Restbrummspannung, das ist die Spannung zwischen dem Spitzenwert und der tiefsten Entladespannung zwischen den Halbwellenscheiteln. Als wirtschaftlich hat sich eine Brummspannung von 15% der Spitzenspannung (UNenn x Wurzel2) erwiesen. Daraus ergibt sich eine kontinuierlich nutzbare Gleichspannung von Ueff * 1,2.

Beispiel:

U = 24V; I = 3A
US = Ueff x SQR(2) =  33,9V
Umin = US x 0,85 = 28,8V
UBr = US x 0,15 = 5,1V
C = I x t / U = 3A x 8ms / 5,1V = 4,7mF
Der gleiche Wert gilt natürlich auch für 12V/1,5A oder für 48V/6A usw. Die Faustformel "1mF pro Ampere" ist nur ein Notbehelf der die absolute Spannung nicht berücksichtigt. Man könnte sagen: 

C  =   8 mF x "Brummleitwert" ,

denn der Leitwert ist  =  I  :  U.

Elkos haben eine gewisse Induktivität und nur einen endlichen Leitwert. Für Starkstromanwendungen gibt es "Low ESR" - Elkos mit einem geringen Innenwiderstand. Zusätzlich schaltet man manchmal 100nF- Kondensatoren parallel, um hohe Frequenzen besser abzublocken und um Schwingneigung in Schaltungen zu vermeiden.

Dualspannung
Zur Erzeugung einer Dualspannung wird normalerweise ein Trafo mit sekundärer Mittelanzapfung benötigt. Zur Gleichrichtung verwendet man einen Brückengleichrichter und die Mittelanzapfung des Trafos direkt als Nullpunkt. Dabei ist auf gleichmäßige Zuleitungslänge zum Gleichrichter zu achten, da sonst durch den Drahtwiderstand zum 100Hz- Brumm noch eines mit 50Hz entsteht. Hat der Trafo zwei galvanisch getrennte Sekundärwicklungen, dann gibt es die Möglichkeit, zwei getrennte Gleichrichter zu verwenden. Leider gehen dann weitere zwei Diodendurchlaßspannungen verloren. Durch Kaskadierung läßt sich mit einem einfachen Trafo ebenfalls eine Dualspannung erzeugen.








Stell Dir vor, es ist Krieg und keiner geht hin.