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Stromversorgung

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Transformator (noch in Bearbeitung)

Ausgangsspannung
des verwendeten
Spannungsreglers
min. und max.
DC-Eingangs-
spannung
des Spannungsreglers
min. und max.
DC-Eingangs-
spannung
des Spannungsreglers
empfohlen
min. und max.
AC-Eingangs-
spannung
  5V      7 - 35V   8 - 12V   8 - 25V
12V 14,5 - 35V 16 - 22V 12 - 25V

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Gleichrichtung

Die einfachste Schaltung zur Erzeugung einer Gleichspannung aus einer Wechsel-
spannung ist die der Einweggleichrichtung (siehe unten). Sie benötigt zur Siebung jedoch eine große Kapazität - doppelt so groß wie bei der Brückenschaltung.

Die bessere Schaltung ist jedoch die Brückengleichrichtung, auch Graetzschaltung genannt, (siehe unten). Die dabei erzeugte pulsierende Gleichspannung ist doppelt so groß wie bei der Einweggleichrichtung. Die zur Siebung benötigte Kapazität ist nur halb so groß wie bei der Einweggleichrichtung.

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Einweggleichrichtung

Die Eingangsspannung Ue im zeitlichen Verlauf:
Ue eff = 10V
Ue Spitze = 10V √2 = 14,1V

Die Ausgangsspannungen:
Ua0 grüne Kurve
Ua Spitze = Ue Spitze - UF = 14,1V - 0,7V = 13,4V
UaAV UaAV = Ue eff 0,45 = 10V 0,45 = 4,5V (theoretischer Wert)
rote Gerade; mit Berücksichtigung des Spannungsabfalls über der Diode
UaAV ~ 4,16V
der Wert ist abhängig von der Eingangsspannung und dem realen Spannungsabfall über der Diode

Die wichtigsten Formeln für den Praktiker:

Formelzeichen:
Ue Eingangsspannung
Ue eff effektive Eingangsspannung
Ua0 Leerlauf-Ausgangsspannung (zeitlicher Verlauf)
UaAV Leerlauf-Gleichspannung (arithmetischer Mittelwert)
Ua Gleichspannung bei Belastung
UBrSS Brummspannung (Spitze - Spitze)
Pdi Gleichstromleistung
K Faktor für Spannungsabfall bei Nennstrom
zwischen 0,94 und 0,98
oben wurde der ungünstigste Wert angegeben
PBau mittlere Trafo-Bauleistung
3,1 (ohmsche Last)
IFS Spitzenstrom der Diode
PVF Verlustleistung der Diode

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Brückengleichrichtung, auch Graetzschaltung genannt

Die Spannungen:

die Eingangsspannung
Ue blaue Kurve; die Eingangsspannung  im zeitlichen Verlauf
Ue eff = 10V; Ue Spitze = 10V √2 = 14,1V
die Ausgangsspannungen
Ua0 grüne Kurve
Ua Spitze = Ue Spitze - 2 UF = 14,1V - 1,4V = 12,7V
UaAV UaAV = Ue eff 0,9 = 10V 0,9 = 9,0V (theoretischer Wert)
rote Gerade; mit Berücksichtigung der Spannungsabfälle über den Dioden
UaAV ~ 7,65V
der Wert ist abhängig von der Eingangsspannung und den realen Spannungsabfällen über den Dioden

Die wichtigsten Formeln für den Praktiker:

Formelzeichen:
Ue Eingangsspannung
Ue eff effektive Eingangsspannung
Ua0 Leerlauf-Ausgangsspannung (zeitlicher Verlauf)
UaAV Leerlauf-Gleichspannung (arithmetischer Mittelwert)
Ua Gleichspannung bei Belastung
UBrSS Brummspannung (Spitze - Spitze)
Pdi Gleichstromleistung
K Faktor für Spannungsabfall bei Nennstrom
zwischen 0,875 und 0,925
oben wurde der ungünstigste Wert angegeben
PBau mittlere Trafo-Bauleistung
zwischen 1,11 (ohmsche Last) und 1,23 (induktive Last)
oben wurde der ungünstigste Wert angegeben
IFS Spitzenstrom der Diode
PVF Verlustleistung der Diode

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Siebung mit Kondensatoren

Rein rechnerisch (Formeln siehe oben) würden sich für eine Ausgangsspannung Ua von 10V und einem Laststrom von 1A (= 1.000mA) folgende Werte ergeben:
Einweggleichrichtung  C = 1.000mA / 10V 100 = 10.000F
Brückengleichrichtung C = 1.000mA / 10V 50 = 5.000F

Etwas praxisnaher ist bei der Brückengleichrichtung ein Wert von ca. 2.200F pro A. Dazu finden Sie jetzt einen Vergleich mit unterschiedlichen Kondensatoren.
Der Lastwiderstand RL beträgt jeweils 10Ω.

Hier wurde der Siebkondensator (1.000F) zu klein gewählt.

die Eingangsspannung
Ue blaue Kurve; die Eingangsspannung  im zeitlichen Verlauf
Ue eff = 10V; Ue Spitze = 10V √2 = 14,1V
die belastete Ausgangsspannung
Ua grüne Kurve
Ua Spitze = Ue Spitze - 2 UF = 14,1V - 1,4V = 12,7V
UBrSS = UB max - UB min = 12,7V - 6,4V = 6,3V
rote Gerade; mit Berücksichtigung der Spannungsabfälle über den Dioden
Ua ~ 9,70V
der Wert ist abhängig von der Eingangsspannung und den realen Spannungsabfällen über den Dioden

Hier wurde der Siebkondensator (2.200F) passend gewählt.

die Eingangsspannung
Ue blaue Kurve; die Eingangsspannung  im zeitlichen Verlauf
Ue eff = 10V; Ue Spitze = 10V √2 = 14,1V
die belastete Ausgangsspannung
Ua grüne Kurve
Ua Spitze = Ue Spitze - 2 UF = 14,1V - 1,4V = 12,7V
UBrSS = UB max - UB min = 12,7V - 9,0V = 3,7V
rote Gerade; mit Berücksichtigung der Spannungsabfälle über den Dioden
Ua ~ 10,94V
der Wert ist abhängig von der Eingangsspannung und den realen Spannungsabfällen über den Dioden

Hier wurde der Siebkondensator (4.700F) etwas überdimensioniert.

die Eingangsspannung
Ue blaue Kurve; die Eingangsspannung  im zeitlichen Verlauf
Ue eff = 10V; Ue Spitze = 10V √2 = 14,1V
die belastete Ausgangsspannung
Ua grüne Kurve
Ua Spitze = Ue Spitze - 2 UF = 14,1V - 1,4V = 12,7V
UBrSS = UB max - UB min = 12,7V - 10,7V = 2,0V
rote Gerade; mit Berücksichtigung der Spannungsabfälle über den Dioden
Ua ~ 11,75V
der Wert ist abhängig von der Eingangsspannung und den realen Spannungsabfällen über den Dioden

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Bei der Auslegung von Kondensatoren muss auch deren Spannungsfestigkeit berück-
sichtigt werden. Sie muss mindestens U = √2 Ue eff betragen.
Damit ergeben sich folgende Werte:

Spannung Ue eff
hinter dem Trafo
Ausgangsspannung
Ua Spitze
berechnet gewählt
  8V   9,9V 11,3V 16V
10V 12,7V 14,1V 35V
12V 15,6V 17,0V 35V

Bei dem Kondensator C2 in dem Schaltplan (siehe oben) handelt es sich um einen 10F Tantal 16V für eine geplante Ausgangsspannung von 10V.

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Bei der Auslegung des Siebkondensators ist aber auch seine Strombelastung, speziell während des Ladevorgangs, zu berücksichtigen.
Dieses hat nämlich auch erhebliche Auswirkung auf die Auslegung der Dioden und des vorgeschalteten Transformators.

Ein paar Beispiele mit den oben schon verwendeten Daten und Kondensatoren.

Siebkondensator 1.000F

die Eingangsspannung
Ue blaue Kurve; die Eingangsspannung  im zeitlichen Verlauf; Ue eff = 10V
die belastete Ausgangsspannung
Ua hellgrüne Kurve
Ua Spitze = Ue Spitze - 2 UF = 14,1V - 1,4V = 12,7V
UBrSS = UB max - UB min = 12,7V - 6,4V = 6,3V
rote Gerade; mit Berücksichtigung der Spannungsabfälle über den Dioden
Ua ~ 9,70V
der Wert ist abhängig von der Eingangsspannung und den realen Spannungsabfällen über den Dioden
IC dunkelgrüne Kurve: ICmax = ca. +3,3A
Kondensatorstrom während des Lade- (positive Werte) und Entladevorgangs (negative Werte)

Siebkondensator 2.200F

die Eingangsspannung
Ue blaue Kurve; die Eingangsspannung  im zeitlichen Verlauf; Ue eff = 10V
die belastete Ausgangsspannung
Ua hellgrüne Kurve
Ua Spitze = Ue Spitze - 2 UF = 14,1V - 1,4V = 12,7V
UBrSS = UB max - UB min = 12,7V - 9,0V = 3,7V
rote Gerade; mit Berücksichtigung der Spannungsabfälle über den Dioden
Ua ~ 10,94V
der Wert ist abhängig von der Eingangsspannung und den realen Spannungsabfällen über den Dioden
IC dunkelgrüne Kurve: ICmax = ca. +5,9A
Kondensatorstrom während des Lade- (positive Werte) und Entladevorgangs (negative Werte)

Siebkondensator 4.700F, Achtung: erhöhte Belastung der Dioden beachten!

die Eingangsspannung
Ue blaue Kurve; die Eingangsspannung  im zeitlichen Verlauf; Ue eff = 10V
die belastete Ausgangsspannung
Ua hellgrüne Kurve
Ua Spitze = Ue Spitze - 2 UF = 14,1V - 1,4V = 12,7V
UBrSS = UB max - UB min = 12,7V - 10,7V = 2,0V
rote Gerade; mit Berücksichtigung der Spannungsabfälle über den Dioden
Ua ~ 11,75V
der Wert ist abhängig von der Eingangsspannung und den realen Spannungsabfällen über den Dioden
IC dunkelgrüne Kurve: ICmax = ca. +9,7A
Kondensatorstrom während des Lade- (positive Werte) und Entladevorgangs (negative Werte)

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Berechnung

Hier nun mal eine komplette Berechnung für eine mit einem Festspannungsregler erzeugte Ausgangsspannung von 5V und einem Strom von 1A.

Wie aus den eben gezeigten Diagrammen ersichtlich, ist bei der Auslegung einer Stromversorgung doch auf recht viele Bedingungen zu achten. Darum ist die folgende Berechnung auch nur als Überschlagsrechnung (mit dem so genannten "Angstzuschlag") zu betrachten - zu viele Einflüsse (z.B. Toleranzen der Kapazi-
täten, Innenwiderstand des Transformators, Netzschwankungen, ...) spielen doch eine zu große Rolle.

Festspannungsregler bitte strommäßig immer nur bis ca. 90% der Nennlast (hier 0,9A) belasten - ansonsten einen größeren Typ wählen
Ua = UFestspannungsregler + UFestspannungsregler Regelbereich = 5V + 3V = 8V => gewählt 10V
Kondensatoren C1 = 2.200F 35V/40V
C2 = 10F Tantal 16V
Dioden die Sperrspannung der Gleichrichterdioden muss mindestens doppelt so groß sein wie die Spitzenspannung der Wechsel-
spannung
U = 2 Ue √2 = 2 8V √2 = 22,6V => 40V
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gewählter Brückengleichrichter für 40V und 1,5A
z.B. B 40 C 1500/1000
mit einer Spitzensperrspannung URRM von 90V
Erklärung der Kennzeichnung:
B = Brückenschaltung
40 = max. Anschlussspannung in V (Effektivwert)
C = Kondensatorlast
1500/1000 = max. Stromentnahme in mA (Kondensatorlast)
---------------------------------------------------------
der Brückengleichrichter kann natürlich auch aus vier einzelnen verschalteten Dioden realisiert werden
z.B. 1N5400
3A; Spitzensperrspannung URRM = 50V
Transformator erste Berechnung:
Ue eff = (Ua + (2 UF)) / √2 = (10V + (2 0,7V)) / √2 = 8,1V => gewählt 8V
mit einem UB min = ca. 7,0V
UB min sollte aber immer größer sein als die minimal geplante Eingangsspannung des Festspannungsreglers (5V + 3V = 8V, siehe oben)!
---------------------------------------------------------
zweite Berechnung:
Ue eff = Ua / (0,9 K) = 8V / (0,9 0,875) = 10,2V
mit einem UB min = ca. 9,0V (siehe oben)
wer ganz sicher gehen will, wählt also 10V
---------------------------------------------------------
UaAV = Ue eff 0,9 = 8V 0,9 = 7,2V
Pdi = UaAV IaAV = 7,2V 1A = 7,2VA
PBau = Pdi 1,23 = 7,2VA 1,23 = 8,9VA => gewählt 12VA

Inwieweit sich ein Eigenbau gegenüber einem fertigen Netzteil lohnt, muss jeder für sich selber entscheiden.

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Festspannungsregler

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Spannungsstabilisierung mit integriertem Festspannungsregler

Eine einfache Realisierung einer Spannungsstabilisierung ergibt sich durch den Einsatz von integrierten Festspannungsreglern der Baureihe 78xx für positive Spannungen und der Baureihe 79xx für negative Spannungen. Die Kennzeichnung "xx" steht für den Wert der Ausgangsspannung.
Zwei Beispiele:
7805
= Ausgangsspannung +5V;  7912 = Ausgangsspannung -12V
Die gängigsten Ausgangsspannungen dieser Spannungsregler betragen 5V, 6V, 8V, 12V, 15V, 18V und 24V.
Die gängigsten zulässigen Ausgangsströme liegen in Stufen zwischen 0,1A und 5A. Es sollte bei der Nutzung darauf geachtet werden, dass die gleichgerichtete und gesiebte Eingangsspannung UE der Schaltung zwischen 2V und 3V höher sein muss als die angestrebte Ausgangsspannung UA.
Je nach gewählter Ausgangsspannung darf die Eingangsspannung UE auch einen Wert zwischen 25V und 33V nicht überschreiten.
Je höher die Eingangsspannung gewählt wird, desto höher sind natürlich auch die entsprechenden Verluste und ein Einsatz eines Kühlkörpers wird unumgänglich. Schon bei 4V höherer Eingangsspannung und einem Laststrom von 1A ergibt sich eine Verlustleistung von 4W (P = U I).
Beim Kauf eines Festspannungsreglers ist immer darauf zu achten, dass man sich vom Verkäufer die Definition der drei Anschlüsse (Vin = Eingangsspannung [1],
GND = Masse [2], Vout = Ausgangsspannung [3]) geben lässt, da diese von Modell zu Modell sehr unterschiedlich sein können.
Zwei Beispiele:

7805

  LD30V oder LD-1117 V 30

I = Input = Eingang G = Ground = Masse O = Output = Ausgang

Auch die Beschaltung (siehe unten) kann bei anderen Typen von Festspannungs-
reglern (z.B. LD30V oder LD-1117 V 30) anders ausfallen. Auch diese bitte geben lassen und natürlich auch ausführen.

Die Beschaltung des Spannungsreglers am Beispiel eines 7805 für eine Ausgangs-
spannung von +5V:

  • Direkt vor und hinter dem Spannungsregler müssen laut den Datenblättern keramische Kondensatoren (C2 und C3) mit je 100nF (Nanofarad) eingebaut werden. Sie sorgen dafür, dass hochfrequente Störungen ausgefiltert werden. Diese Kondensatoren sollten mit möglichst kurzen Verbindungen mit dem Masseanschluss des Spannungsreglers (z.B. 7805) verbunden sein.
    Auch wenn diese Kondensatoren in vorgegebenen Schaltungsvorlagen unter Umständen nicht extra eingezeichnet sind, sind sie vorhanden oder müssen eingebaut werden.
  • Der Wert für den Kondensator C1 sollte zwischen 220F und 2.200F liegen.
    Er dient dazu, die hochfrequente Schwingneigungen des Reglers zu unterdrücken.
  • Der Wert für den Kondensator C4 sollte zwischen 1F und 10F liegen.
    Er verbessert die Spannungsfestigkeit bei kurzen Lastimpulsen.
  • Der Widerstand R (2,2 kΩ) dient als reine Grundlast und zieht nur einen Strom von knapp über 2mA (0,00227A).

Folgende Erfahrungswerte empfehlen sich für die Spannungen:

  5V 10V
C2 = C3 = 100nF, 16V, Keramik 100nF, 16V, Keramik
C1 = 220F, 16V, TT (Tantal), gepolt 220F, 16V, TT (Tantal), gepolt
C4 = 2,2F, 16V, TT (Tantal), gepolt 10F, 16V, TT (Tantal), gepolt
R = 2,2 kΩ 2,2 kΩ

Die für den 78xx gezeigte Schaltung kann auch für den Negativregler 79xx verwendet werden. Es sind dann aber alle Kondensatoren umzupolen.

Bei anderen Typen von Festspannungsreglern kann die Beschaltung aber auch anders ausfallen.

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Spannungsstabilisierung mit integriertem Festspannungsregler mit erhöhter Ausgangsspannung

Manchmal benötigt man, aus welchem Grund auch immer (ein Beispiel wird weiter unten gezeigt), eine etwas höhere Spannung als die genormten Werte der Spannungsregler. In diesem Fall kann man zwischen dem Massebein des Reglers und der tatsächlichen Masse eine Diode einbauen (siehe Bild). In dem Beispiel ergibt sich somit eine Ausgangsspannung UA von

UA = USpannungsregler + UDiode = 5V + ca. 0,7V = ca. 5,7V

Eine Reihenschaltung von mehreren Dioden ergibt dann eine entsprechend höhere Ausgangsspannung (z.B. zwei Dioden in Reihe = 6,4V; vier Dioden in Reihe = 7,8V).

Wünscht man aber eine Spannung, die in der Spannungsreihe der Regler vorhanden ist, so sollte man besser immer auf den entsprechenden Regler zurückgreifen.

Die im folgenden Schaltplan dargestellten gestrichelten Linien stellen die oben empfohlene Beschaltung des Reglers dar.

Man kann anstelle von Dioden auch eine Z(ener)-Diode einzusetzen. Je nach Spannungswert der Z-Diode wird die Ausgangsspannung UA um diesen Wert herauf gesetzt. So ergibt eine in Sperrrichtung geschaltete Z-Diode mit 6,8V eine Ausgangsspannung UA von

UA = USpannungsregler + UZ-Diode = 5V + 6,8V = 11,8V

Die im folgenden Schaltplan dargestellten gestrichelten Linien stellen die oben empfohlene Beschaltung des Reglers dar.

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Entkoppelter Festspannungsregler

Manchmal möchte man zwei ähnliche / gleiche Spannungen parallel betreiben. In diesem Fall ist es angebracht, diese beiden Spannungen zu entkoppeln. Dieses realisiert man dadurch, dass man hinter jede Spannungsquelle eine Diode schaltet und deren Ausgänge miteinander verbindet.

Wünscht man aber einen Strom, der in der Spannungsreihe der Regler vorhanden ist, so sollte man besser immer auf den entsprechenden Regler (mit höherem Ausgangsstrom) zurückgreifen.

Der Sinn der beiden Dioden (siehe Bild) besteht in folgendem:

  • Diode D1 hebt die Spannung zwischen dem Ausgang des Reglers (3) und der Masse auf ca. 5,7V an
  • über der Diode D2 fällt jedoch eine Spannung (UD2) von ca. 0,7V ab und somit beträgt die Ausgangsspannung UA 5V

Die Diode D2 muss Betreff des Stromes so hoch ausgelegt sein, dass sie durch den Laststrom nicht zerstört wird. Aus Symmetriegründen sollte die Diode D1 gleichen Typs wie Diode D2 (z.B. 1N4448) sein.

Die im folgenden Schaltplan dargestellten gestrichelten Linien stellen die oben empfohlene Beschaltung des Reglers dar.

Anwendungsbeispiel:

Man besitzt ein Gerät, dass einmal an der Steckdose über ein Netzteil und auch unterwegs betrieben werden soll. Einmal kommt das Netzteil und einmal ein Satz Batterien zum Einsatz. Da man aber nicht bei jedem Wechsel der Betriebsart die Batterien entfernen möchte, muss man die beiden Spannungen entkoppeln. Dieses ist besonders dann zu empfehlen, wenn irgendwelche elektronischen Bauteile daran angeschlossen sind. Denn nicht jedes elektronische Bauteil mag es, wenn rückwärts eine Spannung auf seinen Ausgang gegeben wird.
Die beiden Spannungen werden durch Dioden entkoppelt. Dabei übernimmt immer die Stromversorgung die Versorgung der Schaltung, die die höhere Spannung hat.
Beim Festnetzbetrieb ist es der Spannungsregler (5V) und unterwegs sind es die Batterien (3,8V).

Die in Reihe geschalteten Batterien ergeben eine Gesamtspannung von 4,5V
(UB1 + UB2 + UB3 = 4,5V). Die Ausgangsspannung beträgt somit 4,5V - 0,7V = 3,8V.

Die Dioden D2 und D3 müssen Betreff des Stromes so hoch ausgelegt sein (es wird gleicher Typ empfohlen), dass sie durch den Laststrom nicht zerstört werden. Aus Symmetriegründen sollte die Diode D1 gleichen Typs wie Diode D2 und D3 (z.B. 1N4448) sein.

 

Erstellt am: 25.03.2007
Letzte Aktualisierung: 25.03.2007

 

 

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