Startseite > Power > Spannungswandler > Kapazitive Stromversorgungen auslegen

Kondensatoren

Kapazitive Stromversorgungen auslegen

5. November 2015, 10:46 Uhr | Ralf Higgelke

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Schaltungsschutz ist ein Muss

Abhängig von den klimatischen Bedingungen eignet sich zum Beispiel der X2-Kondensator »B32933A3684K*« aus der Heavy-Duty-Serie (Bild 3a). Er ist für einen Effektivwert der Wechselspannung von 305 V bei einer zulässigen Betriebstemperatur von +105 °C ausgelegt. Alternativ eignet sich Typ »B32923H3684K*«, der sogar für +110 °C ausgelegt ist (Bild 3b). Beide Typen weisen eine Kapazitätstoleranz von ±10% auf. Für die einpulsige Gleichrichtung mit D2 genügt der kostengünstige Standardtyp »1N4001« (50 V, 1 A). Diese Diode wird von etlichen Herstellern angeboten.

C₂ ist für die Glättung der Ausgangsspannung zuständig. Da es sich um eine einpulsige Gleichrichtung handelt, muss dieser während der negativen Halbwelle den gesamten Ausgangsstrom zur Verfügung stellen. Die Kapazität hängt von der zulässigen Welligkeit der Ausgangsspannung ab. Für die Beispielschaltung ist ein Maximalwert von 1 V gefordert. Bei der Stromaufnahme der Last von 15 mA bei 9 V ergibt sich ein Lastwiderstand von 600 Ω. Mit 50 Hz (10 ms pro Halbwelle) lässt sich die Mindestkapazität von C₂ nach Gleichung (5) bestimmen.

(5) $C subscript 2 space equals space fraction numerator negative 1 divided by open parentheses 2 space times space f close parentheses over denominator R subscript L space times space ln open parentheses U subscript m i n end subscript divided by U subscript L close parentheses end fraction space equals space fraction numerator negative 1 divided by open parentheses 2 space times space 50 space H z close parentheses over denominator 600 space Ω space times space ln open parentheses 8 space V divided by 9 space V close parentheses end fraction space equals space 140 space mu F$

Gewählt wird ein Eingle-Ended-Aluminium-Elektrolytkondensator mit 1500 µF und einer zulässigen Spannung von 25 V. Um eine hohe Lebensdauer zu erreichen, sollte er für mindestens +105 °C ausgelegt sein. Optional kann man zu C₂ zusätzlich ein Keramikkondensator parallelschalten (C₃). Er dient dazu, Rauschen zu unterdrücken und Spannungsspitzen abzublocken. Dafür kommt ein MLCC von TDK mit 0,1 µF infrage, zum Beispiel der Typ »C1608X7R1E104K080AA« mit einer Nennspannung von 25 V in der Baugröße 1608 und der Temperaturcharakteristik X7R (–55 °C bis +125 ºC, ±15%).

Schaltungsschutz ist ein Muss

Beim Ausschalten ohne Last kann es im ungünstigsten Fall passieren, dass C₁ mit der Scheitelspannung von 325 V geladen bleibt. R₂ hat dann die Aufgabe, den Kondensator möglichst schnell zu entladen. Bei der Festlegung des Widerstandswerts muss ein Kompromiss zwischen Verlustleistung und Entladezeitkonstante eingegangen werden. Gewählt wurde in diesem Fall der Wert von 470 kΩ. Dadurch liegt die Verlustleistung bei circa 0,1 W, und die Entladezeit auf eine maximal zulässige Berührspannung von 50 V beträgt rund 0,5 s. Ist die Stromversorgung jedoch ständig fest mit dem Netz verbunden, kann man diesen Widerstand auch weglassen.

Matchmaker+ Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Wichtig ist natürlich auch der Überspannungsschutz am Netzeingang (RV₁). Hierfür bietet TDK verschiedene Serien von Varistorlösungen aus der Epcos-Familie an. Für die genannte Schaltung eignen sich Typen aus der Standardserie, die ein breites Spektrum an Spannungen von 11 V bis 1100 V abdeckt. Verfügbar sind diese Schutzbauelemente mit Scheibendurchmessern zwischen 5 mm und 20 mm entsprechend der geforderten Stoßstrombelastbarkeit und Energieabsorption.

In diesem Fall eignet sich beispielsweise der recht kompakte Typ »B72205S0231K101« mit einem Scheibendurchmesser von 5 mm, der bei einem 8/20-µs-Impuls eine Stoßstrombelastbarkeit von 400 A aufweist (Bild 4a). Zusätzlich kann man auch den Ausgang der Schaltung noch gegen Überspannung schützen (RV2), etwa mit der hier gewählten SMT-»CeraDiode« vom Typ »B72590D0150A060« (Bild 4b) mit einer DC-Spannung von 15 V.

Um den Strom am Netzeingang zu begrenzen, ist noch ein PTC (RT1) vom Typ »B59873C0120A570« enthalten (Bild 4c), der für einen maximalen Laststrom von 90 mA bei +25 °C ausgelegt ist. Sollte in der Schaltung ein Fehler auftreten, der zu erhöhtem Stromfluss führt, erwärmt sich der PTC, wodurch sein Widerstand sehr stark ansteigt und der Strom auf unkritische Werte begrenzt wird.

ID	Typ / Wert	Bestellnr.	Hersteller
R₁	330 Ω, 0,5 W		div.
R₂	470 kΩ		div.
RT₁	PTC, 90 mA	B59873C0120A570	Epcos
RV₁	Varistor, 230 V	B7220550231K101	Epcos
RV₂	Varistor, 14 V	B72590D0150A060	Epcos
C₁	0,68 µF	B32933A3684K, B32923H3684K	Epcos
C₂	150 µF, 25 V		div.
C₃	0,1 µF, 25 V	C1608X7R1E- 104K080AA	TDK
D1	ZD10, 1,3 W		div.
D2	1N4001		div.