Kondensatoren Kapazitive Stromversorgungen auslegen

Für Stromversorgungen mit geringer Leistung eignen sich Designs auf Basis kapazitiver Topologien besonders gut. Sie sind einfach, kompakt und kostengünstig. Welche Bauelemente eignen sich dafür, und wie ist eine solche zu dimensionieren?

Entwickler müssen Geräte und Systemeinheiten immer häufiger nur mit niedrigen Spannungen und Strömen im mA-Bereich aus dem Netz zu versorgen. Typische Beispiele sind kleine Displays für Messdaten oder Zeitangaben, Mikrocontroller-basierte Messsysteme, einfache Regelungen und Steuerungen. Ähnliche Herausforderungen stellen sich, wenn Geräte an Funknetze anzubinden sind – etwa bei Smartmetern, deren Zählerstände über Funk ausgelesen werden, oder im Fall netzbetriebener Geräte für das Internet of Things.

Konventionelle Stromversorgungsdesigns haben im Kleinleistungsbereich etliche Nachteile. Transformatoren oder getaktete Schaltungen benötigen viel Platz und sind kostspielig, die Kupfer- und Eisenverluste bezogen auf die geringe Ausgangsleistung sind überproportional hoch. Die einfachste Lösung – das Vorschalten eines ohmschen Widerstands – ist zwar kostengünstig, erzeugt aber hohe Verluste und steht so den geforderten hohen Wirkungsgraden entgegen.

Eine elegante und kostengünstige Möglichkeit, kleine Lasten aus dem Wechselspannungsnetz zu versorgen, ist die Serienschaltung aus Kondensator und Last. Dabei wird der sonst unerwünschte Effekt der Phasenverschiebung genutzt: An einem Kondensator tritt die Spannung um 90 Grad phasenversetzt zum Strom auf; er wirkt als reiner Blindwiderstand, an dem nahezu keine realen Verluste entstehen. Somit ist ein als Vorwiderstand verwendeter Kondensator die ideale Lösung. Bild 1 zeigt die Prinzipschaltung sowie das Zeigerdiagramm der Spannungen. Im Gegensatz zu konventionellen Designs sind kapazitive Stromversorgungen am Ausgang inherent kurzschlussfest.

Da der Kondensator direkt am Netz liegt, werden an seine Zuverlässigkeit sehr hohe Anforderungen gestellt. Daher empfiehlt es sich, für kapazitive Stromversorgungen ausschließlich X2-Kondensatoren mit Sicherheitszulassungen nach UL und ENEC zu verwenden. Hierfür bietet TDK ein breites Spektrum von X2-Kondensatoren an aus der Epcos-Familie wie die Serien »B3292*H/J*«. Um auch unter extremen klimatischen Bedingungen wie hoher Temperatur in Kombination mit hoher Luftfeuchtigkeit einen zuverlässigen Betrieb mit stabilen Kapazitätswerten zu ermöglichen, hat das Unternehmen X2-Heavy-Duty-Serie (»B32932*« bis »B32936*«) entwickelt. Diese Bauelemente weisen bei einem 1000-Stunden-Test mit +85 °C und 85 Prozent relativer Luftfeuchte eine Kapazitätsdrift von maximal 10 Prozent auf. Ein weiterer Vorteil dieser Kondensatoren: Sie sind selbstheilend; das heißt, kleinere Durchschläge führen zu einer lokal begrenzten Verdampfung der Metallisierung, ohne dass sich ein Kurzschluss bildet; die Funktion des Kondensators bleibt erhalten.