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Bauelemente für Stromversorgungen

Kondensatoren für kompakte Lösungen

11. Januar 2016, 15:06 Uhr | Alfred Goldbacher

Für Stromversorgungen mit geringer Leistung eignen sich Designs auf Basis kapazitiver Topologien besonders gut. Sie sind einfach, kompakt und kostengünstig.

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Entwickler stehen vor der Aufgabe, Geräte und Systemeinheiten immer häufiger nur mit kleinen Spannungen und Strömen im Milliampere-Bereich aus dem Netz versorgen zu müssen. Typische Beispiele sind kleine Displays für Messdaten oder Zeitangaben, Mikrocontroller-basierte Messsysteme sowie einfache Regelungen und Steuerungen. Ähnliche Herausforderungen stellen sich, wenn Geräte an Funknetze angebunden werden müssen – etwa bei Smart Meters, deren Zählerstände über Funk ausgelesen werden.

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

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Blindwiderstand von Kondensatoren sinnvoll nutzen

Eine elegante wie auch kostengünstige Möglichkeit, um kleine Lasten aus dem Wechselspannungsnetz zu versorgen, besteht in der Serienschaltung aus Kondensator und Last. Dabei wird der sonst unerwünschte Effekt der Phasenverschiebung genutzt: An einem Kondensator tritt die Spannung um 90° phasenversetzt zum Strom auf; er wirkt als reiner Blindwiderstand, an dem praktisch keine realen Verluste entstehen. Somit ist ein als Vorwiderstand eingesetzter Kondensator die ideale Lösung. Bild 1 zeigt das Prinzipschaltbild sowie das dazugehörige Zeigerdiagramm der Spannungen. Im Gegensatz zu konventionellen Designs sind kapazitive Stromversorgungen am Ausgang 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 gemäß UL und ENEC zu verwenden, die u.a. TDK mit der neuen Epcos-Serie B3292*H/J* anbietet. Gelten darüber hinaus extreme klimatische Bedingungen wie hohe Temperatur in Kombination mit hoher Luftfeuchtigkeit, so eignet sich dafür die X2-Heavy-Duty-Serie (B32932* bis B32936*). Diese Bauelemente weisen bei einem 1000-h-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, dass kleinere Durchschläge zu einer lokal begrenzten Verdampfung der Metallisierung führen, ohne dass sich ein Kurzschluss bildet und die Funktion des Kondensators erhalten bleibt.

Berechnung einer kapazitiven Stromversorgung

In der Praxis werden meist Stromversorgungen benötigt, die am Ausgang eine Gleichspannung zur Verfügung stellen. Die einfachste Lösung besteht in der einpulsigen Gleichrichtung wie in Bild 2 dargestellt; für das Berechnungsbeispiel soll eine Ausgangsspannung von rund 9 V (DC) bei einem maximalen Laststrom von 15 mA erzeugt werden.

Zur Funktion der Zenerdiode: Während der positiven Halbwelle arbeitet D₁ als spannungsbegrenzendes Bauelement. Um die geforderte Ausgangsspannung von 9 V zu erreichen, müsste die Zenerspannung bei 9,7 V liegen, weil an D₂ rund 0,7 V abfallen. Da Zenerdioden mit diesem Wert aber nicht verfügbar sind, wird eine Diode mit einem Wert von 10 V mit einer maximalen Verlustleistung von 1,3 W gewählt. Wird die Stromversorgung im Scheitelpunkt der Netzspannung eingeschaltet, würde ein unzulässig hoher Strom durch D₁ fließen, was deren Zerstörung zur Folge hätte. Zur Strombegrenzung ist daher R₁ vorgeschaltet. Zenerdioden mit einer Verlustleistung von 1,3 W können in der Regel kurzfristige Ströme von etwa 1 A bewältigen. Somit kann der Wert von R₁ berechnet werden:

$R 1 space equals fraction numerator 230 space V space times square root of 2 over denominator 1 A end fraction space equals space 325 comma 27 space capital omega$

Der nächstgelegene Normwert ist 330 Ω. R₁ wird im Betrieb ständig mit dem gesamten Laststrom beaufschlagt. Zu dessen Berechnung muss das Verhältnis von Wechselstrom-Effektivwert und Gleichstrom-Mittelwert berücksichtigt werden. Da es sich um eine einpulsige Gleichrichtung handelt, liegt der Formfaktor bei 2,22. Mit den geforderten 15 mA Ausgangsstrom ergibt sich somit ein Strom durch R₁ von 33,3 mA und in der Folge eine Verlustleistung von

$P space equals thin space left parenthesis 33 comma 3 space m A right parenthesis ² times 330 Ω equals space 0 comma 366 W.$

Gewählt wird ein Widerstand mit einer Belastbarkeit von 0,5 W. Der Spannungsabfall über dem Widerstand beträgt knapp 11 V. Aus den bisher ermittelten Daten kann nun der erforderliche Blindwiderstand des Kondensators C₁ berechnet werden. Um eine sichere Versorgung der Last auch bei Unterspannung sicherzustellen, sollte die Berechnung mit einem Spannungsabfall der Netzspannung von mindestens 10 Prozent durchgeführt werden; außerdem ist der Spannungsabfall über R₁ und D₁ zu berücksichtigen. Somit ergibt sich der Blindwiderstand zu

$X C subscript 1 space equals thin space fraction numerator 230 space V space minus space 23 space V space minus space 11 thin space V space minus space 10 space V over denominator 33 comma 3 space m A end fraction space equals space 5585 comma 6 space capital omega.$

Daraus lässt sich bei der üblichen Netzfrequenz von 50 Hz die erforderliche Kapazität berechnen:

$C subscript 1 space end subscript equals fraction numerator 1 over denominator 2 straight pi space times space 50 space Hz space times 5585 comma 6 space straight capital omega end fraction space equals space 0 comma 57 space µ F.$

Als nächster Normwert ergibt sich folglich eine Kapazität von 0,68 µF. Abhängig von den klimatischen Rahmenbedingungen eignet sich hierfür zum Beispiel der Epcos-X2-Kondensatortyp B32933A3684K* aus der Heavy-Duty-Serie (Bild 3). Er hat ein Rastermaß von 22,5 mm und ist für eine Effektivspannung von 305 V (AC) bei einer höchst zulässigen Betriebstemperatur von 105 °C ausgelegt. Alternativ eignet sich Typ B32923H3684K*, der sogar für 110 °C ausgelegt und ebenfalls im Rastermaß 22,5 mm verfügbar ist. Beide Typen weisen eine Kapazitätstoleranz von ±10 % auf.

Für die Diode D₂, die für die einpulsige Gleichrichtung sorgt, genügt der kostengünstige Standardtyp 1N4001 (50 V, 1 A). Diese Diode wird von etlichen Halbleiterherstellern angeboten.