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Stromversorgung in der Elektronik

Die Gleichspannung am Ausgang eines Gleichrichters muss noch mit einem Elko etwas vorgeglättet werden. In der so aufbereiteten Gleichspannung sind aber immer noch zu „tiefe“ Spannungsrillen (als Reste der 100-Hz- Spannungsimpulse) — und diese müssen mit Hilfe eines Spannungsreglers geglättet werden.

Fast alle eingezeichneten Bauteile der Netzteil-Grundschaltung in Abb.1 sind uns bereits bekannt. Nur der Spannungsregler dürfte bestenfalls als ein „flüchtiger Bekannter“ bezeichnet werden. Spannungsregler gibt es in zwei Grundausführungen: als Festspannungsregler und als einstellbare Spannungsregler Beide Ausführungen sind sowohl für die positive als auch für die negative Spannung erhältlich. Festspannungsregler können jeweils nur eine einzige (feste) Gleichspannung liefern und sind z.B. für Spannungen von 2. 5. 6, 8, 9. 10. 12, 15, 18 und 24 V erhältlich. Einstellbare Spannungsregler sind meistens für einen Spannungsbereich zwischen ca. 1,2 V und 32 bis 37 V ausgelegt.

Abb.1 Grundschaltung eines gängigen Netzteiles (Netzgerätes); der Gleichrichter und der Spannungsregler sind hier für eine schnellere Übersicht bildlich dargestellt.

Im Schaltbeispiel nach Abb.1 ist ein Festspannungsregler Type „78..“ eingezeichnet. Bei dieser Type bestimmen die zwei letzten Ziffern die Festspannung. So liefert z.B. der Spannungsregler Type 7812 eine 12-V-Fest- Spannung, die Type 7806 eine 6-V-Festspannung usw. Manchmal modulieren sich entweder am Ein gang oder auch am Ausgang des Spannungsreglers Hochfrequenzstörungen, die man da durch beheben kann, dass parallel zum CI oder (und) zum C3 ein zusätzlicher kleiner keramischer Scheibenkondensator (ca. 100 bis 220 nF) angeschlossen wird — den wir in diesem Schaltbeispiel als C2 und C4 gestrichelt eingezeichnet haben. Sie verhindern ein eventuelles Schwingen des Regelkreises und dämpfen zu dem auch externe und interne Störfrequenzen. Die meisten einfacheren elektronischen Schaltungen benötigen nur eine einzige Versorgungsspannung. Bei vielen der publizierten „Eigenbau-Schaltbeispiele“ ist das Netzteil gar nicht aufgeführt. Man begnügt sich mit einem Hinweis, dass die Schaltung eine Speisespannung von z.B. 12V benötigt und der Tüftler muss sich dann selber weiter behelfen. Eine Batterie ist bekanntlich schnell leer und eignet sich daher nur für einfachere Schaltungen oder Experimente. Ein Netzteil lässt sich schnell und preiswert bauen, denn alle benötig ten Bausteine sind in großer Auswahl erhältlich. Bei vielen publizierten „Selbstbau-Schaltbeispielen“ fehlt aber die Angabe über den Strom- bedarf. Soweit es sich um ein Netzgerät handeln sollte, das für das „Privatlaboratorium“ bestimmt ist, kann die nachbauleichte Schaltung aus Abb.2 hervorragende Dienste leisten. Hier wurde ein einstellbarer Spannungsregler (LM 317K) verwendet. Mit dem Potentiometer P kann eine beliebige Spannung zwischen ca. 1,2V und 28V eingestellt werden. Wir haben in unserem Beispiel mit einer oberen Spannungsgrenze von 28 V Genügen genommen, denn höhere Spannungen kommen bei gängigen Schaltbeispielen ohnehin nicht vor.

Abb.2 Schaltplan eines universellen Netzgerätes mit regelbarer Ausgangsspannung. Der Spannungsregler LM 317 ist entweder im TO-3-Metallgehäuse (als Type LM 317 1<) — wie eingezeichnet — oder alternativ im TO-220-Kunststoffgehäuse (als Type LM 317 T) erhältlich; in beiden Fällen sollte er mit einem Kühlkörper versehen werden — aber Vorsicht: bei dem LM 317K ist die Ausgangs – Plus-Spannung über sein ganzes Metallgehäuse verteilt (das daher nicht in Berührung mit der Masse kommen darf).

Die maximale Ausgangsspannung eines Netzgerätes hängt von der maximalen Sekundärspannung des Trafos ab. Bei diesem Schaltplan orientierten wir uns an den preis werteren handelsüblichen Standardtrafos (EI 66—50 VA). Darunter gibt es z.B. eine Ausführung mit „2 x 15 V/ l,67 A“ am Sekundär. Da 2 x 15 V in Serie 30V ergeben, eignet sich ein solcher Trafo für den vorgesehenen

Der hier angewendete einstellbare Spannungsregler LM 317K verkraftet maximal einen Strom von 1,5 A. Allerdings nur unter der Bedingung, dass seine Leistung 20 Watt nicht überschreitet. Wenn wir die 20 Watt durch den 1,3 A-Ausgangsstrom teilen, ergibt es 15,38 Volt. Falls die vom Netzgerät bezogene Spannung ca. 15 V überschreitet, sollte also die Stromabnahme „entsprechend“ unterhalb von den 1,3 A liegen. Bei einer Ausgangsspannung von z.B. 18 V sollte die Stromabnahme ca. 1.1 A nicht überschreiten (20 W 18 V = 1,1 A). Damit lässt sich aber „leben“, weil die meisten elektronischen Bauanleitungen und Bausätze ohnehin die 15 V-Grenze selten überschreiten. In dieser Schaltung soll dieser Widerstand laut Hersteller 240 Ω betragen. Den gibt es handelsüblich in der Metallschicht-Ausführung — die für diesen Zweck ohnehin bevorzugt angewendet werden dürfte. Bei manchen anderen Spannungsregler-Typen werden jedoch andere Werte verlangt - darauf ist also zu achten! Der 5-k-Potentiometer, der am Regel-Aus gang des Spannungsreglers für die Einstellung der benötigten Spannung dient, ist dagegen bei den meisten Spannungsreglern einheitlich — in unserem Lande jedoch nicht ausgesprochen „handelsüblich“. Die bei uns „genormten“ Werte betragen normalerweise 4,7 k Obwohl dieser kleine Unterschied nichts ausmacht, spricht nichts dagegen, dass man in Serie mit diesem Potentiometer z.B. einen zusätzlichen 300-Ω-Metallschichtwiderderstand anschließt (oder nach einem feinen 5-k-Drahtpotentiometer Ausschau hält).

Wird ein Netzteil nur für ein einziges Eigenbaugerät benötigt, bei dem der Stromverbrauch nicht bekannt ist, kann man ihn folgendermaßen einschätzen: Soweit die Schaltung mit nur einem einzigen IC bestückt ist, bei dem die max. Stromabnahme aus den technischen Daten hervorgeht, ist alles klar. So wird beispielsweise eine Schaltung mit dem Timer -IC NE 555 den Stromverbrauch von 200 mA (= 0,2 A) nicht überschreiten, weil das IC ohnehin nicht mehr als die 0,2A schalten kann. Die zusätzliche Verschaltung und der Stromverbrauch des „Innenlebens“ kann die Stromabnahme nur geringfügig erhöhen. Abgesehen davon wird die Schaltung das IC nicht mit dem Maximumstrom von 0,2 A belasten, sondern lässt in der Hinsicht einen Reserve-Spielraum offen. Ähnlich ist es bei anderen einfacheren Schaltbeispielen. Man kann z.B. vom Strom verbrauch diverser einzelner „Verbraucher“ (Glühlämpchen, Relais usw.) ausgehend den gesamten Stromverbrauch einigermaßen ermitteln — oder zumindest schätzen. In der Praxis geht es ja nur darum, dass das Netzteil einerseits nicht „unterdimensioniert“, aber anderseits nicht unnötig groß und teuer wird. Wem ein Eigenbau-Netzgerät nach Abb. 5.2 zur Verfügung steht, der kann natürlich mit Hilfe eines Multimeters den Strombedarf einer Schaltung einfach vor dem Entwurf eines selbständigen Netzteiles messen (siehe Kap. 7). Wenn dann ein Netzteil speziell nur für diese einzige Schaltung ausgelegt werden soll, ist ja alles klar. Bei der Planung wird mit dem Trafo angefangen: Seine Sekundär-Wechselspannung soll um ca. 3 Volt (bis um ca. 5 V), höher sein als die benötigte Gleichspannung am Spannungsregler-Ausgang. Weiterhin sollte der Sekundär dieses Transformators etwa 10 bis 20% mehr Strom liefern können als die Schaltung selber benötigt (schon wegen dem integrierten Spannungsregler, der ja auch einen kleinen Teil der Leistung „frisst“). Was den Brückengleichrichter und Spannungsregler anbelangt, gilt: Je großzügiger sie in Hinsicht auf die maximale Strombelastung dimensioniert sind, desto weniger heizen sie sich auf (was besonders bei Geräten wünschenswert ist, die des Öfteren länger ein geschaltet bleiben). An größere Spannungsregler (ab ca. 1 A) wird jedoch ohnehin ein zusätzlicher Kühlkörper angebracht, der diesen Baustein kühl hält (was wiederum bei gängigen Gleichrichtern nicht notwendig ist). Eine besondere Aufmerksamkeit verdient im Netzteil der Elektrolytkondensator, der parallel am Gleichrichter angeschlossen ist und hei dieser Anwendung als Ladekondensator bezeichnet wird (der Cl in Abb.1). Wir wissen, dass ein Gleichrichter keine „echte“ Gleichspannung, sondern nur eine Reihe von positiven Spannungsimpulsen nach Abb. 5.3a liefert. Erst wenn an dem Gleichrichter ein Ladekondensator angeschlossen wird, füllen sich — mehr oder weniger — die Zwischenräume zwischen den einzelnen Impulsen (Abb.3 b/c). Ob mehr oder weniger, das hängt einerseits da von ab, wie groß die Stromabnahme des angeschlossenen „Verbrauchers“ ist, anderseits von der Kapazität des Ladekondensators. Wenn an dem Kondensator nur ein sehr bescheidener „Verbraucher“ angeschlossen ist — wodurch die Stromabnahme klein gehalten wird glättet der Kondensator die Spannung deutlich besser, als wenn der Stromverbrauch hoch ist. Der Grund liegt darin, dass sich der Ladekondensator bei einer großen Stromabnahme nach jedem ihm zugeführten Spannungsimpuls gleich wieder sehr schnell entlädt. Der Verbraucher „saugt“ ja den benötigten Strom ununterbrochen, aber die Stromlieferung vom Gleichrichter besteht aus „Unterbrechungen“, die der Kondensator nur mit „Energiereserven“ auffüllen kann, die er von Impuls zu Impuls speichert.

Abb.3 Die Funktion eines Ladekondensators im Netzteil: der Ladekondensator lädt sich mit den vom Gleichrichter gelieferten Spannungsimpulsen auf und glättet somit die pulsierende Gleichspannung um so besser, je kleiner die Stromabnahme und je größer seine Kapazität ist; ein 47-pF-Ladekondensator glättet die ihm vom Gleichrichter zugeführte pulsierende Gleichspannung wesentlich geringfügiger, als z.B. ein 4 7OO-pF-Kondensator. Je größer die Kapazität des Ladekondensators ist, umso leichter kommt er über die „Durststrecken“, weil er größere Energie- mengen speichern kann. Der angeschlossene Verbraucher „pumpt“ ihn deshalb nicht so leicht leer, wie einen Kondensator mit zu kleiner Kapazität. Für die Praxis stellt diese ganze Aufklärung nur eine „Nebeninformation“ dar, über die man sich nicht unbedingt gleich beim ersten Durchlesen dieser Seite den Kopfzerbrechen muss. Es genügt zu wissen, dass es so etwas gibt und welchen Sinn es hat. Was die optimale Kapazität eines Ladekondensators betrifft, so ist folgendes zu empfehlen: Wer auf „Nummer sicher“ gehen möchte, schneidet erprobt am besten mit der Faustregel ab, dass so einem Kondensator pro jede 1 00-mA-Stromabnahme eine Kapazität von bis zu etwa 470 µF zusteht. Somit dürfte beispielsweise bei einer vorgesehenen Stromabnahme von 500 mA der Ladekondensator eine Kapazität von bis zu 5 x 470 µF (= 2350 µF) haben. Eine derartig hohe Kapazität kann in vielen Fällen als zu übertrieben bezeichnet werden, aber unter etwas ungünstigeren Betriebsbedingungen ist sie von Vorteil. Wenn z.B. der Transformator zu kritisch dimensioniert ist, oder wenn die Netzspannung umständehalber (vorübergehend) unterhalb der 230 V liegt, liefert der Trafo-sekundär nicht die vorgesehene Spannung. Eine höhere Kapazität des Ladekondensators verhindert in dem Fall, dass der Spannungsregler eine Gleichspannung mit störendem Brummspannungsanteil liefert. Obwohl ein „einsamer“ Ladekondensator die ihm angelieferte pulsierende Spannung nicht wirklich perfekt glätten kann, ist es wichtig, dass er die Spannung zumindest derartig gut glättet, dass der an ihm angeschlossene Spannungsregler die „Glättung“ vollenden kann — was er nur dann bewältigt, wenn die Rillen in der ihm angelieferten Spannung nicht mehr allzu tief sind. Was man nun unter einem derartigen Vorgangverstehen darf, lässt sich am besten mit dem Glatthobeln eines groben Brettes vergleichen: Wenn so ein grobes Brett z.B. eine Dicke von 30 mm hat und es soll auf eine Dicke von 25 mm exzellent glatt gehobelt werden, dürfen in dem „angelieferten“ Brett die Dellen (oder Unebenheiten) nicht tiefer als 5 mm sein. Andernfalls bleiben in dem abgehobelten Brett noch alle Dellen sichtbar, die tiefer als 5 mm waren. Das ist ja logisch. Da auch ein Spannungsregler sehr ähnlich wie eine Hobelbank arbeitet, darf die ihm gelieferte „grobe“ Spannung nicht zu tiefe Spannungsdellen beinhalten, denn der Spannungsregler kann sie von sich aus nicht füllen. Bei diesen Überlegungen sollte man auch im Bilde über das „Größenverhältnis“ zwischen der Wechselspannung und der Gleichspannung sein. Die Sache hat nur den Haken, dass die „Größe“ einer Wechselspannung ständig zwischen Null und einem Maximum wechselt, das genau 1,41 höher ist als die „offizielle Nennspannung“ andeutet. Somit erreichen beispielsweise die „Wellen“ einer 10-Volt- Wechselspannung nach Abb. 5.4 keine 10 Volt, sondern wechseln ständig (100 mal pro Sekunde) zwischen Null und 14,1 Volt (wo bei es sich um 50 positive und 50 negative Spannungsimpulse pro Sekunde handelt). Wenn man die Spannung mit einem Voltmeter misst, zeigt sie aber dennoch nur die 10 Volt an und bleibt somit „ihrem Namen“ treu. Dies kommt dadurch zustande, dass der Voltmeter keine Momentaufnahmen der Spannung, sondern ihren „energetischen Inhalt“ ermittelt.

Wenn z.B. eine 1OV-Glühlampe oder ein 10 V-Heizkörper an eine 10 Volt-Spannung angeschlossen werden, ist es ihnen egal, ob es sich dabei um eine Wechsel- oder Gleichspannung handelt, weil die 10 V- Wechselpannung denselben „energetischen Inhalt“ hat wie die 10 V-Gleichspannung.

Da elektronische Schaltungen grundsätzlich nur mit einer Gleichspannung „gefüttert“ werden wollen, könnte es uns eigentlich egal sein, wie es mit dem Verhältnis zur Wechselspannung aussieht. Allerdings gilt dies nicht für den Eigenbau von Netzteilen. Besonders deshalb nicht, weil —wie wir bereits an anderer Stelle erwähnten — bei den meisten Bauanleitungen oder Bausätze kein Schaltplan des eigentlichen Netzteils aufgeführt ist.

Abb.4 Der höchste Punkt in der sinusförmigen Welle einer Wechselspannung ist genau 1,41mal größer, als der „offizielle“ Spannungswert. Somit beträgt das Spannungsmaximum einer „10 Volt-Wechselspannung“ nicht 10V, sondern 14,1 V. An einem normalen Silizium Brückengleichrichter gehen ca. 1,5 Volt der ihm zugeführten Spannungsimpulse verloren; die „Spitzenspannung“ an seinem Ausgang ist somit immer ca. 1,5 V niedriger, als an seinem Eingang.

Es lohnt sich daher, dass man über die Funktion eines Netzteiles richtig Bescheid weiß. Dann wird ein Eigenentwurf zu einer der leichtesten Aufgaben. Viele offene Punkte sind uns ja ohnehin nicht mehr übrig geblieben. Wichtig wäre noch die Frage der Betriebsspannung des Ladekondensators Cl (in Abb.1). Dieser Kondensator muss die Spannungsmaximen der gleich gerichteten Spannungsimpulse nach Abb.4 verkraften können, In normalen Siliziumgleichrichterdioden (die auch in einem gängigen Brückengleichrichter eingegossen sind) geht — wie schon erwähnt eine Spannung von ca. 1,5 Volt verloren. Man rechnet mit ca. 0,7 bis 0,8 V pro Diode „mal zwei“ — weil hier ja die Wechselspannung immer durch zwei Dioden gleichzeitig läuft. Aus diesem Grund haben wir im Schaltbeispiel 2 den Ladekondensator (4 700 pF) in 63 V-Ausführung gewählt. In der Standard- reihe gibt es in unserem Lande die Elektrolytkondensatoren meistens nur entweder in 35 V- oder in 63 V-Abstufung (im Ausland sind sie mit Betriebsspannungen von z.B. 25 V oder 50V erhältlich). In unserem Fall würde ein 35-V-Elko nicht reichen. Das lässt sich leicht nachrechnen: Die 30 V-Wechselspannung hat „Spannungsspitzen“ von 30 V x 1 ‚41 = 42,3 V. Davon gehen zwar am Gleichrichter die 1,5 V verloren, aber es bleiben immer noch 40,8 V übrig, die der Ladekondensator verkraften muss. Daher also die 63-Volt-Type (oder einfach ein Elko, der die 40,8 V verkraftet). Auf dieselbe Weise kann bei der Planung eines beliebigen Netzteiles nachgerechnet werden, für welche Betriebsspannung der Ladekondensator ausgelegt werden muss. Diese Berechnungen gelten allerdings nur für den Ladekondensator. Alle anderen Kondensatoren in der Schaltung „hängen“ ja nur noch an einer „glatten“ Gleichspannung, auf die sie dimensioniert werden müssen -und die zudem in den Schaltplänen üblicherweise ohnehin aufgeführt ist. Andernfalls versteht es sich von selbst, dass z.B. der Elektrolytkondensator am Ausgang eines 20 V-Spannungsreglers die 20V-Spannung verkraften muss usw. Zu klären bliebe noch die Frage der Kapazität des Elektrolytkondensators am Ausgang des Spannungsreglers. In vielen Schaltbeispielen wird nur eine ziemlich kleine Kapazität empfohlen, denn die Qualität der Ausgangsspannung ist unter normalen Umständen derart gut, dass dieser Kondensator nur noch evtl. Störimpulse oder Geräusche „wegfiltrieren“ muss, die geringfügig noch vom Spannungsregler. aber überwiegend aus der angeschlossenen Schaltung kommen können (und tatsächlich auch oft kommen!). Hier können wir auf zu viel Theorie verzichten. Praktisch sieht die Sache so aus. dass bei einem Netzteil für z.B. Audiogeräte ein 100 pF bis 470 pF-Elko empfehlenswert ist. Da der Preisunterschied zwischen diesen Elkos nur Pfennige beträgt, kann man bevorzugt einen 220 pF- oder 470 pF-Elko anwenden (soweit im Gerät genügend Platz vorhanden ist). Er fängt evtl. gelegentliche Spannungsstörurigen oder vorübergehende Unterspannungen des öffentlichen Netzes etwas besser auf. Wenn es sich um ein Netzteil für Lichteffektschaltungen oder eine Türklingel handelt, reicht aber auch ein 1 µF-Elko aus. Soweit jedoch für denselben Preis z.B. ein 47 µF-Elko erhältlich ist gibt man diesen Vorrang.