Bild 3: Stromversorgung mit einpulsiger Gleichrichtung
3.1 Funktionsbeschreibung der einpulsigen, kapazitiven Schaltung
C1
wirkt als kapazitiver Vorwiderstand.
Der
Strom fließt von Ue über C1-R1-D1. In der positiven Halbwelle fällt an
der Z-Diode eine Spannung entsprechend der Zenerspannung ab. Während
der negativen Halbwelle beträgt die Spannung an D1 etwa -0,7V
(Durchlaßspannung der Z-Diode.).
Ist die Ausgangsspannung Ua kleiner
als die Zenerspannung, leitet während der positiven Halbwelle die Diode
D2. Der Strom fließt dann von Ue über C1-R1-D2 und die Last. Der
Kondensator C2 glättet die Ausgangsspannung.
R2 entlädt C1 (über R1
und D1), wenn die Schaltung ausgeschaltet ist. Ohne diesen Widerstand
könnte man einen elektrischen Schlag bekommen, wenn die Schaltung vom
Netz getrennt ist.
Im spannungslosen Zustand ist C1 entladen. Wird
die Schaltung eingeschaltet, wird der Strom praktisch nur von R1
begrenzt. R1 verhindert in diesem Betriebszustand die Zerstörung der
Z-Diode D1.
3.2 Dimensionierung der einpulsigen Schaltung
Eine Last soll mit 15V bei einer Stromaufnahme von 5mA versorgt werden.
D1
(Z-Diode):
Die
Ausgangsspannung ist um die Durchlaßspannung von D2 kleiner als die
Zenerspannung. Bei einer gewünschten Ausgangsspannung von 15V müßte die
Zenerspannung Uz = 15V + 0,7V = 15,7V betragen, gewählt wird daher eine
16V-Z-Diode.
Für den geringen Ausgangsstrom reicht eine
0,5W-Z-Diode. Um eine geringe Verlustleistung der Schaltung zu
erreichen, sollte R1 möglichst niederohmig sein. Dieser Widerstand
hängt von dem zulässigen Maximalstrom der Z-Diode ab (siehe unten).
Deshalb kommt eine 1,3W-Z-Diode (BZX85C16) zum Einsatz.
R1
(Strombegrenzungswiderstand):
Dieser
Widerstand begrenzt den Einschaltstrom. Im ungünstigsten Fall wird die
Schaltung im Scheitelpunkt der Netzspannung eingeschaltet. Das
Datenblatt der Z-Diode gibt als maximalen zulässigen Spitzenstrom 0,7A
für eine Stromflußdauer von 10ms an.
Die
Stromflußdauer im Einschaltaugenblick ist mit Sicherheit kürzer als
10ms, so daß mit einem höheren Maximalstrom gerechnet werden kann.
Andererseits muß noch eine Netzüberspannung berücksichtigt werden. Wenn
genauere Datenblätter vorliegen, können diese Faktoren natürlich
eingerechnet werden. Davon ausgehend, daß sich diese Einflüsse
kompensieren, wird für R1 ein Wert von 470 Ohm gewählt.
Der Strom
durch den Kondensator C1 und dem Widerstand R1 beträgt im Betrieb etwa
16mA (siehe unten, Berechnung von C1). Daraus errechnet sich für die
Verlustleistung von R1:
Ein 0,25W-Widerstand reicht (auch unter Berücksichtigung von Netzüberspannungen) aus. Im normalen Betrieb beträgt der Spannungsabfall nur ein paar Volt. Im Einschaltaugenblick kann eine Spannung in Höhe des Scheitelwertes der Netzspannung an dem Widerstand abfallen. Bei einer Netzüberspannung von 10% wären dies 358V. Auch das verkraften handelsübliche 0,25W-Widerstände. Problematisch wird es bei einem EMV-Test. Bei der Burst-Messung treten Spannungsspitzen im kV-Bereich (für einige us) auf, die zu einem Überschlag im Widerstand führen können. In jedem Fall sollten "nicht brennbare" Widerstände verwendet werden.
C1
(kapazitiver Vorwiderstand):
Ein
Strom kann nur während der positiven Halbwelle in die Last fließen.
Während der negativen Halbwelle muß der Elko C2 den Laststrom liefern.
Es handelt sich also um einen Einweggleichrichter.
Das Verhältnis
zwischen dem Wechselstrom (Effektivwert) und dem Gleichstrom
(Mittelwert) beträgt 2,2 (auf die Herleitung wird verzichtet). Der
Kondensator muß so ausgelegt werden, daß ein Eingangs-Wechselstrom von
5mA * 2,2 = 11mA fließt. Unter Vernachlässigung von R1 und dem
Lastwiderstand (Xc1 >> R1+Rlast) und
unter
Berücksichtigung einer Netzunterspannung von 10%, berechnet sich der
Blindwiderstand zu
Jetzt kann der Kondensator berechnet werden:
Gewählt
wird der nächst größere, leicht erhältliche Normwert (220nF).
Der Eingangsstrom beträgt mit einem Kondensator von 220nF
Die Nennwechselspannung des Kondensators entspricht der Netzspannung. Als Kondensatoren eignen sich Typen wie sie zur Funkentstörung verwendet werden (X-Kondensatoren).
R2
(Entladewiderstand):
Im
ungünstigsten Fall beträgt die Spannung an C2 358V (=Scheitelwert der
Netzspannung +10%). Um den Widerstand R2 zu berechnen, muß die Zeit
festgelegt werden, nach der die Spannung am Kondensator auf
ungefährliche Werte gesunken ist. Bei R2=1MOhm, Uo=358V, C=220nF und
Uend=50V sind dies 0,43s (Formel für Kondensatorentladung, der Einfluß
von R1 und D1 wurden vernachlässigt). Da dieser Widerstand parallel zur
Netzspannung geschaltet ist, muß auf eine entsprechende
Spannungsfestigkeit geachtet werden.
D2
(Gleichrichterdiode):
An diese Diode werden keine hohen Anforderungen gestellt. Die maximale
Sperrspannung beträgt
Ua+Uf
= 15V+0,7V = 15,7V. Der Mittelwert des Stroms durch diese Diode
entspricht dem Laststrom (5mA). Der Maximalwert im normalen Betrieb ist
doppelt so hoch wie der Mittelwert (10mA). Eine Universaldiode (1N4148)
ist ausreichend.
C2
(Glättungskondensator):
In
der positiven Halbwelle wird C2 auf die Zenerspannung von D1 (minus
Durchlaßspannung von D2) aufgeladen. Während der negativen Halbwelle
muß der Elko C2 den Strom für die Last liefern. Unter Annahme einer
ohmischen Last beträgt der Lastwiderstand
15V / 5mA = 3kOhm. Der Elko muß für
eine Dauer von
10ms (=eine Halbwelle) Strom liefern. Wenn eine Welligkeit von 0,5V
zugelassen werden soll, darf die Ausgangsspannung auf 15V-0,5V=14,5V
sinken. Mit der Formel für die Entladung einer RC-Parallelschaltung
kann der Kondensator berechnet werden:
Die Schaltung wurde so, wie sie berechnet wurde, aufgebaut. Der einzige Unterschied ist die Z-Diode. Da keine 16V-Z-Diode vorhanden war, wurde ein 15V-Typ verwendet (BZX85C15). Es folgen einige Meßergebnisse.
Bild 4 zeigt den Strom- und Spannungsverlauf am Eingang der Schaltung, sowie die Spannung an der Z-Diode. Wenn die Dioden von ihrer Leit- in ihre Sperrphase übergehen, ist eine Diskontinuität im Stromverlauf zu erkennen. Im übrigen ist die Stromaufnahme sinusförmig. Der Strom ist kapazitiv voreilend.
