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Spar-Netzteile mit kapazitivem Spannungsteiler

Die vorgestellte Schaltung zeigt eine Möglichkeit mit der kleinere elektronische Verbraucher einfach und direkt an das 230VAC Spannungsnetz angeschlossen werden können. Netzteile mit kapazitiven Spannungsteiler verzichten auf einen teuren, schweren Transformator damit aber auch auf die galvanische Trennung von der Netzspannung. In Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen, Klimaanlagen oder Beleuchtung sind die Bedienelemente ohnehin berührungssicher aufgebaut und benötigen keine Isolierung vom Netzpotential.
Kondensator Netzteil
Im Gegensatz zu Netzteilen mit Transformatoren lassen sich mit kapazitiven Stromversorgungen keine "Universalnetzteile" aufbauen, sondern es ist notwendig die Dimensionierung optimal auf die Anwendung und deren Leistungsaufnahme abzustimmen. Basis der Dimensionierung ist der maximal benötigte Strom sowie die Spannung der angeschlossenen Last. Ein Beispiel mit einer Einweg-Gleichrichtung für kleine Leistungen soll die Dimensionierung demonstrieren:

Ausgangspunkt der Berechnungen ist die Stromaufnahme des Verbrauchers. Im Beispiel wird eine Leuchtdiode (LED) gewählt. Der Vorwiderstand (Rload) ist für ca. 8mA Stromaufnahme bei 12VDC ausgelegt.

Zentraler Teil für das Design ist die Auswahl des Kondensators zur Spannungsteilung. Zur Anwendung kommen Folienkondensatoren mit einer Spannungsfestigkeit von mindestens 250V Wechselspannung. Die effektive Impedanz (Z), Blindwiderstand (X) und die Netzfrequenz sind die wichtigsten Faktoren zur Berechnung des benötigten Kapazitätswertes. Der Blindwiderstand (Reaktanz) beträgt:
X = 1 / 2 Pi f C
Zum Beispiel ergibt sich für einen 0.27µF Kondensator im 50Hz Netz:
X = 1 / (2 Pi 50Hz 0.27µF) = 11.8kOhm
Der Strom durch den Kondensator beträgt dann:
Ic = U / X = 230VAC / 11.8kOhm = 19.5mA
Durch die Gleichrichtung reduziert sich der gemittelte Ausgangsstrom : Iout = 0.45 Ic (bzw. Iout = 0.9 Ic bei einer Brückengleichrichtung). Damit steht im Beispiel ein Strom von 8.8mA zum Betrieb der Last zur Verfügung.

Eine Besonderheit der Kondensator-Netzteile ist die Tatsache, dass dieser Strom in jedem Fall fliesst, auch wenn die Last ausgeschaltet oder vom Netzteil getrennt ist. Strom der nicht gebraucht wird fliesst durch die Zenerdiode (Iz). Andererseits sind diese Netzteile absolut Kurzschlussfest. Die Stromaufnahme über das Netz ändert sich kaum, lediglich Iz wird zu Null.

Die Spannung an der Zenerdiode (Uz) verläuft parallel zum Laststrom und eilt der Netzspannung
um fast 90° vor. Damit ergibt sich ein Leistungsfaktor Cos Phi von nahezu Null
Achtung: Oszilloskop nur anschliessen wenn die Schaltung über einen Trenntrafo betrieben wird!
Da der Kondensator nur eine Strombegrenzung darstellt, muss die Ausgangsspannung über eine Zenerdiode (D01) eingestellt werden. Zum Schutz der Zenerdiode gegen einen hohen Einschaltstrom ist jedoch ein zusätzlicher Widerstand (R01) erforderlich.

Die Dimensionierung von R01 basieret auf der Annahme, dass zum Einschaltzeitpunkt C01 entladen ist und der Momentanwert der Netzspannung bei 238Veff * sqr(2) = 326V liegt. Der resultierende Stromimpuls hat einen Spitzenwert von I = 326V / 0.47kOhm = 0.7A aber eine kurze Dauer: t = 0.27µF * 0.47kOhm = 0.13 msec. Diese einmalige Impulsbelastung stellt für eine Zenerdiode mit 1.3 Watt kein Problem dar. Als Widerstand R01 ist ein 0.5 Watt Typ ausreichend.

An die Diode zur Gleichrichtung (D02) sind keine besonderen Anforderungen zu stellen. Die Sperrspannung muss über der Zenerspannung liegen, der maximale Strom wird durch den Kondensator bestimmt. Die Elektrolyt-Kondensatoren C02 und C03 dienen der Glättung der Ausgangsspannung. Ihr Kapazitätswert hängt von den Ansprüchen des angeschlossenen Verbrauchers ab. Effektive Reduzierung der Ripple- (Brumm-) Spannung kann durch den Einsatz eines Brückengleichrichters anstelle von D02 erreicht werden.

Als kritisches Bauteil dieser Netzteilbauart muss der Kondensator C01 angesehen werden. Bei langer Betriebsdauer sowie bei hoher Feuchtigkeit ist ein Verlust an Kapazität zu erwarten. Dies führt zu einer reduzierten Spannung am Ausgang und möglicherweise zum Ausfall des Verbrauchers. Bestens geeignet sind Polypropylen Folienkondensatoren. Nennspannung und Kapazitätswert sollten so überdimensioniert werden, dass einerseits die Bauform akzeptabel und andererseits der Strom durch die Zenerdiode klein bleibt.
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