• 1. Transformator
• 2. Gleichrichtung
  • 2.1 Einweggleichrichtung
  • 2.2 Brückengleichrichtung, auch Graetzschaltung genannt
  • 2.3 Siebung mit Kondensatoren
  • 2.4 Berechnung
• 3. Festspannungsregler
  • 3.1 Spannungsstabilisierung mit integriertem Festspannungsregler
  • 3.2 Spannungsstabilisierung mit integriertem Festspannungsregler mit
    erhöhter Ausgangsspannung
  • 3.3 Entkoppelter Festspannungsregler

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Transformator (noch in Bearbeitung)

Ausgangsspannung des verwendeten Spannungsreglers	min. und max. DC-Eingangs- spannung des Spannungsreglers	min. und max. DC-Eingangs- spannung des Spannungsreglers empfohlen	min. und max. AC-Eingangs- spannung
5V	7 - 35V	8 - 12V	8 - 25V
12V	14,5 - 35V	16 - 22V	12 - 25V

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Gleichrichtung

Die einfachste Schaltung zur Erzeugung einer Gleichspannung aus einer Wechsel-
spannung ist die der Einweggleichrichtung (siehe unten). Sie benötigt zur Siebung jedoch eine große Kapazität - doppelt so groß wie bei der Brückenschaltung.

Die bessere Schaltung ist jedoch die Brückengleichrichtung, auch Graetzschaltung genannt, (siehe unten). Die dabei erzeugte pulsierende Gleichspannung ist doppelt so groß wie bei der Einweggleichrichtung. Die zur Siebung benötigte Kapazität ist nur halb so groß wie bei der Einweggleichrichtung.

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Einweggleichrichtung

Die Eingangsspannung U_e im zeitlichen Verlauf:
U_{e eff} = 10V
U_{e Spitze} = 10V · √2 = 14,1V

Die Ausgangsspannungen:
Ua0	grüne Kurve Ua Spitze = Ue Spitze - UF = 14,1V - 0,7V = 13,4V
UaAV	UaAV = Ue eff · 0,45 = 10V · 0,45 = 4,5V (theoretischer Wert) rote Gerade; mit Berücksichtigung des Spannungsabfalls über der Diode UaAV ~ 4,16V der Wert ist abhängig von der Eingangsspannung und dem realen Spannungsabfall über der Diode

Die wichtigsten Formeln für den Praktiker:

Formelzeichen:
Ue	Eingangsspannung
Ue eff	effektive Eingangsspannung
Ua0	Leerlauf-Ausgangsspannung (zeitlicher Verlauf)
UaAV	Leerlauf-Gleichspannung (arithmetischer Mittelwert)
Ua	Gleichspannung bei Belastung
UBrSS	Brummspannung (Spitze - Spitze)
Pdi	Gleichstromleistung
K	Faktor für Spannungsabfall bei Nennstrom zwischen 0,94 und 0,98 oben wurde der ungünstigste Wert angegeben
PBau	mittlere Trafo-Bauleistung 3,1 (ohmsche Last)
IFS	Spitzenstrom der Diode
PVF	Verlustleistung der Diode

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Brückengleichrichtung, auch Graetzschaltung genannt

Die Spannungen:

die Eingangsspannung
Ue	blaue Kurve; die Eingangsspannung  im zeitlichen Verlauf Ue eff = 10V; Ue Spitze = 10V · √2 = 14,1V
die Ausgangsspannungen
Ua0	grüne Kurve Ua Spitze = Ue Spitze - 2 · UF = 14,1V - 1,4V = 12,7V
UaAV	UaAV = Ue eff · 0,9 = 10V · 0,9 = 9,0V (theoretischer Wert) rote Gerade; mit Berücksichtigung der Spannungsabfälle über den Dioden UaAV ~ 7,65V der Wert ist abhängig von der Eingangsspannung und den realen Spannungsabfällen über den Dioden

Die wichtigsten Formeln für den Praktiker:

Formelzeichen:
Ue	Eingangsspannung
Ue eff	effektive Eingangsspannung
Ua0	Leerlauf-Ausgangsspannung (zeitlicher Verlauf)
UaAV	Leerlauf-Gleichspannung (arithmetischer Mittelwert)
Ua	Gleichspannung bei Belastung
UBrSS	Brummspannung (Spitze - Spitze)
Pdi	Gleichstromleistung
K	Faktor für Spannungsabfall bei Nennstrom zwischen 0,875 und 0,925 oben wurde der ungünstigste Wert angegeben
PBau	mittlere Trafo-Bauleistung zwischen 1,11 (ohmsche Last) und 1,23 (induktive Last) oben wurde der ungünstigste Wert angegeben
IFS	Spitzenstrom der Diode
PVF	Verlustleistung der Diode

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Siebung mit Kondensatoren

Rein rechnerisch (Formeln siehe oben) würden sich für eine Ausgangsspannung U_a von 10V und einem Laststrom von 1A (= 1.000mA) folgende Werte ergeben:
Einweggleichrichtung  C = 1.000mA / 10V · 100 = 10.000µF
Brückengleichrichtung C = 1.000mA / 10V · 50 = 5.000µF

Etwas praxisnaher ist bei der Brückengleichrichtung ein Wert von ca. 2.200µF pro A. Dazu finden Sie jetzt einen Vergleich mit unterschiedlichen Kondensatoren.
Der Lastwiderstand R_L beträgt jeweils 10Ω.

Hier wurde der Siebkondensator (1.000µF) zu klein gewählt.

die Eingangsspannung
Ue	blaue Kurve; die Eingangsspannung  im zeitlichen Verlauf Ue eff = 10V; Ue Spitze = 10V · √2 = 14,1V
die belastete Ausgangsspannung
Ua	grüne Kurve Ua Spitze = Ue Spitze - 2 · UF = 14,1V - 1,4V = 12,7V UBrSS = UB max - UB min = 12,7V - 6,4V = 6,3V rote Gerade; mit Berücksichtigung der Spannungsabfälle über den Dioden Ua ~ 9,70V der Wert ist abhängig von der Eingangsspannung und den realen Spannungsabfällen über den Dioden

Hier wurde der Siebkondensator (2.200µF) passend gewählt.

die Eingangsspannung
Ue	blaue Kurve; die Eingangsspannung  im zeitlichen Verlauf Ue eff = 10V; Ue Spitze = 10V · √2 = 14,1V
die belastete Ausgangsspannung
Ua	grüne Kurve Ua Spitze = Ue Spitze - 2 · UF = 14,1V - 1,4V = 12,7V UBrSS = UB max - UB min = 12,7V - 9,0V = 3,7V rote Gerade; mit Berücksichtigung der Spannungsabfälle über den Dioden Ua ~ 10,94V der Wert ist abhängig von der Eingangsspannung und den realen Spannungsabfällen über den Dioden

Hier wurde der Siebkondensator (4.700µF) etwas überdimensioniert.

die Eingangsspannung
Ue	blaue Kurve; die Eingangsspannung  im zeitlichen Verlauf Ue eff = 10V; Ue Spitze = 10V · √2 = 14,1V
die belastete Ausgangsspannung
Ua	grüne Kurve Ua Spitze = Ue Spitze - 2 · UF = 14,1V - 1,4V = 12,7V UBrSS = UB max - UB min = 12,7V - 10,7V = 2,0V rote Gerade; mit Berücksichtigung der Spannungsabfälle über den Dioden Ua ~ 11,75V der Wert ist abhängig von der Eingangsspannung und den realen Spannungsabfällen über den Dioden

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Bei der Auslegung von Kondensatoren muss auch deren Spannungsfestigkeit berück-
sichtigt werden. Sie muss mindestens U = √2 · U_{e eff} betragen.
Damit ergeben sich folgende Werte:

Spannung Ue eff hinter dem Trafo	Ausgangsspannung Ua Spitze	berechnet	gewählt
8V	9,9V	11,3V	16V
10V	12,7V	14,1V	35V
12V	15,6V	17,0V	35V

Bei dem Kondensator C₂ in dem Schaltplan (siehe oben) handelt es sich um einen 10µF Tantal 16V für eine geplante Ausgangsspannung von 10V.

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Bei der Auslegung des Siebkondensators ist aber auch seine Strombelastung, speziell während des Ladevorgangs, zu berücksichtigen.
Dieses hat nämlich auch erhebliche Auswirkung auf die Auslegung der Dioden und des vorgeschalteten Transformators.

Ein paar Beispiele mit den oben schon verwendeten Daten und Kondensatoren.

Siebkondensator 1.000µF

die Eingangsspannung
Ue	blaue Kurve; die Eingangsspannung  im zeitlichen Verlauf; Ue eff = 10V
die belastete Ausgangsspannung
Ua	hellgrüne Kurve Ua Spitze = Ue Spitze - 2 · UF = 14,1V - 1,4V = 12,7V UBrSS = UB max - UB min = 12,7V - 6,4V = 6,3V rote Gerade; mit Berücksichtigung der Spannungsabfälle über den Dioden Ua ~ 9,70V der Wert ist abhängig von der Eingangsspannung und den realen Spannungsabfällen über den Dioden
IC	dunkelgrüne Kurve: ICmax = ca. +3,3A Kondensatorstrom während des Lade- (positive Werte) und Entladevorgangs (negative Werte)

Siebkondensator 2.200µF

die Eingangsspannung
Ue	blaue Kurve; die Eingangsspannung  im zeitlichen Verlauf; Ue eff = 10V
die belastete Ausgangsspannung
Ua	hellgrüne Kurve Ua Spitze = Ue Spitze - 2 · UF = 14,1V - 1,4V = 12,7V UBrSS = UB max - UB min = 12,7V - 9,0V = 3,7V rote Gerade; mit Berücksichtigung der Spannungsabfälle über den Dioden Ua ~ 10,94V der Wert ist abhängig von der Eingangsspannung und den realen Spannungsabfällen über den Dioden
IC	dunkelgrüne Kurve: ICmax = ca. +5,9A Kondensatorstrom während des Lade- (positive Werte) und Entladevorgangs (negative Werte)

Siebkondensator 4.700µF, Achtung: erhöhte Belastung der Dioden beachten!

die Eingangsspannung
Ue	blaue Kurve; die Eingangsspannung  im zeitlichen Verlauf; Ue eff = 10V
die belastete Ausgangsspannung
Ua	hellgrüne Kurve Ua Spitze = Ue Spitze - 2 · UF = 14,1V - 1,4V = 12,7V UBrSS = UB max - UB min = 12,7V - 10,7V = 2,0V rote Gerade; mit Berücksichtigung der Spannungsabfälle über den Dioden Ua ~ 11,75V der Wert ist abhängig von der Eingangsspannung und den realen Spannungsabfällen über den Dioden
IC	dunkelgrüne Kurve: ICmax = ca. +9,7A Kondensatorstrom während des Lade- (positive Werte) und Entladevorgangs (negative Werte)

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Berechnung

Hier nun mal eine komplette Berechnung für eine mit einem Festspannungsregler erzeugte Ausgangsspannung von 5V und einem Strom von 1A.

Wie aus den eben gezeigten Diagrammen ersichtlich, ist bei der Auslegung einer Stromversorgung doch auf recht viele Bedingungen zu achten. Darum ist die folgende Berechnung auch nur als Überschlagsrechnung (mit dem so genannten "Angstzuschlag") zu betrachten - zu viele Einflüsse (z.B. Toleranzen der Kapazi-
täten, Innenwiderstand des Transformators, Netzschwankungen, ...) spielen doch eine zu große Rolle.

Festspannungsregler	bitte strommäßig immer nur bis ca. 90% der Nennlast (hier 0,9A) belasten - ansonsten einen größeren Typ wählen Ua = UFestspannungsregler + UFestspannungsregler Regelbereich = 5V + 3V = 8V => gewählt 10V
Kondensatoren	C1 = 2.200µF 35V/40V C2 = 10µF Tantal 16V
Dioden	die Sperrspannung der Gleichrichterdioden muss mindestens doppelt so groß sein wie die Spitzenspannung der Wechsel- spannung U = 2 · Ue · √2 = 2 · 8V · √2 = 22,6V => 40V --------------------------------------------------------- gewählter Brückengleichrichter für 40V und 1,5A z.B. B 40 C 1500/1000 mit einer Spitzensperrspannung URRM von 90V Erklärung der Kennzeichnung: B = Brückenschaltung 40 = max. Anschlussspannung in V (Effektivwert) C = Kondensatorlast 1500/1000 = max. Stromentnahme in mA (Kondensatorlast) --------------------------------------------------------- der Brückengleichrichter kann natürlich auch aus vier einzelnen verschalteten Dioden realisiert werden z.B. 1N5400 3A; Spitzensperrspannung URRM = 50V
Transformator	erste Berechnung: Ue eff = (Ua + (2 · UF)) / √2 = (10V + (2 · 0,7V)) / √2 = 8,1V => gewählt 8V mit einem UB min = ca. 7,0V UB min sollte aber immer größer sein als die minimal geplante Eingangsspannung des Festspannungsreglers (5V + 3V = 8V, siehe oben)! --------------------------------------------------------- zweite Berechnung: Ue eff = Ua / (0,9 · K) = 8V / (0,9 · 0,875) = 10,2V mit einem UB min = ca. 9,0V (siehe oben) wer ganz sicher gehen will, wählt also 10V --------------------------------------------------------- UaAV = Ue eff · 0,9 = 8V · 0,9 = 7,2V Pdi = UaAV · IaAV = 7,2V · 1A = 7,2VA PBau = Pdi · 1,23 = 7,2VA · 1,23 = 8,9VA => gewählt 12VA

Inwieweit sich ein Eigenbau gegenüber einem fertigen Netzteil lohnt, muss jeder für sich selber entscheiden.

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Festspannungsregler

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Spannungsstabilisierung mit integriertem Festspannungsregler

Eine einfache Realisierung einer Spannungsstabilisierung ergibt sich durch den Einsatz von integrierten Festspannungsreglern der Baureihe 78xx für positive Spannungen und der Baureihe 79xx für negative Spannungen. Die Kennzeichnung "xx" steht für den Wert der Ausgangsspannung.
Zwei Beispiele:
7805 = Ausgangsspannung +5V;  7912 = Ausgangsspannung -12V
Die gängigsten Ausgangsspannungen dieser Spannungsregler betragen 5V, 6V, 8V, 12V, 15V, 18V und 24V.
Die gängigsten zulässigen Ausgangsströme liegen in Stufen zwischen 0,1A und 5A. Es sollte bei der Nutzung darauf geachtet werden, dass die gleichgerichtete und gesiebte Eingangsspannung U_E der Schaltung zwischen 2V und 3V höher sein muss als die angestrebte Ausgangsspannung U_A.
Je nach gewählter Ausgangsspannung darf die Eingangsspannung U_E auch einen Wert zwischen 25V und 33V nicht überschreiten.
Je höher die Eingangsspannung gewählt wird, desto höher sind natürlich auch die entsprechenden Verluste und ein Einsatz eines Kühlkörpers wird unumgänglich. Schon bei 4V höherer Eingangsspannung und einem Laststrom von 1A ergibt sich eine Verlustleistung von 4W (P = U · I).
Beim Kauf eines Festspannungsreglers ist immer darauf zu achten, dass man sich vom Verkäufer die Definition der drei Anschlüsse (V_in = Eingangsspannung [1],
GND = Masse [2], V_out = Ausgangsspannung [3]) geben lässt, da diese von Modell zu Modell sehr unterschiedlich sein können.
Zwei Beispiele:

7805		LD30V oder LD-1117 V 30

I = Input = Eingang

G = Ground = Masse

O = Output = Ausgang

Auch die Beschaltung (siehe unten) kann bei anderen Typen von Festspannungs-
reglern (z.B. LD30V oder LD-1117 V 30) anders ausfallen. Auch diese bitte geben lassen und natürlich auch ausführen.

Die Beschaltung des Spannungsreglers am Beispiel eines 7805 für eine Ausgangs-
spannung von +5V:

• Direkt vor und hinter dem Spannungsregler müssen laut den Datenblättern keramische Kondensatoren (C₂ und C₃) mit je 100nF (Nanofarad) eingebaut werden. Sie sorgen dafür, dass hochfrequente Störungen ausgefiltert werden. Diese Kondensatoren sollten mit möglichst kurzen Verbindungen mit dem Masseanschluss des Spannungsreglers (z.B. 7805) verbunden sein.
  Auch wenn diese Kondensatoren in vorgegebenen Schaltungsvorlagen unter Umständen nicht extra eingezeichnet sind, sind sie vorhanden oder müssen eingebaut werden.
• Der Wert für den Kondensator C₁ sollte zwischen 220µF und 2.200µF liegen.
  Er dient dazu, die hochfrequente Schwingneigungen des Reglers zu unterdrücken.
• Der Wert für den Kondensator C₄ sollte zwischen 1µF und 10µF liegen.
  Er verbessert die Spannungsfestigkeit bei kurzen Lastimpulsen.
• Der Widerstand R (2,2 kΩ) dient als reine Grundlast und zieht nur einen Strom von knapp über 2mA (0,00227A).

Folgende Erfahrungswerte empfehlen sich für die Spannungen:

	5V	10V
C2 = C3 =	100nF, 16V, Keramik	100nF, 16V, Keramik
C1 =	220µF, 16V, TT (Tantal), gepolt	220µF, 16V, TT (Tantal), gepolt
C4 =	2,2µF, 16V, TT (Tantal), gepolt	10µF, 16V, TT (Tantal), gepolt
R =	2,2 kΩ	2,2 kΩ

Die für den 78xx gezeigte Schaltung kann auch für den Negativregler 79xx verwendet werden. Es sind dann aber alle Kondensatoren umzupolen.

Bei anderen Typen von Festspannungsreglern kann die Beschaltung aber auch anders ausfallen.

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Spannungsstabilisierung mit integriertem Festspannungsregler mit erhöhter Ausgangsspannung

Manchmal benötigt man, aus welchem Grund auch immer (ein Beispiel wird weiter unten gezeigt), eine etwas höhere Spannung als die genormten Werte der Spannungsregler. In diesem Fall kann man zwischen dem Massebein des Reglers und der tatsächlichen Masse eine Diode einbauen (siehe Bild). In dem Beispiel ergibt sich somit eine Ausgangsspannung U_A von

U_A = U_{Spannungsregler} + U_Diode = 5V + ca. 0,7V = ca. 5,7V

Eine Reihenschaltung von mehreren Dioden ergibt dann eine entsprechend höhere Ausgangsspannung (z.B. zwei Dioden in Reihe = 6,4V; vier Dioden in Reihe = 7,8V).

Wünscht man aber eine Spannung, die in der Spannungsreihe der Regler vorhanden ist, so sollte man besser immer auf den entsprechenden Regler zurückgreifen.

Die im folgenden Schaltplan dargestellten gestrichelten Linien stellen die oben empfohlene Beschaltung des Reglers dar.

Man kann anstelle von Dioden auch eine Z(ener)-Diode einzusetzen. Je nach Spannungswert der Z-Diode wird die Ausgangsspannung U_A um diesen Wert herauf gesetzt. So ergibt eine in Sperrrichtung geschaltete Z-Diode mit 6,8V eine Ausgangsspannung U_A von

U_A = U_{Spannungsregler} + U_Z-Diode = 5V + 6,8V = 11,8V

Die im folgenden Schaltplan dargestellten gestrichelten Linien stellen die oben empfohlene Beschaltung des Reglers dar.

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Entkoppelter Festspannungsregler

Manchmal möchte man zwei ähnliche / gleiche Spannungen parallel betreiben. In diesem Fall ist es angebracht, diese beiden Spannungen zu entkoppeln. Dieses realisiert man dadurch, dass man hinter jede Spannungsquelle eine Diode schaltet und deren Ausgänge miteinander verbindet.

Wünscht man aber einen Strom, der in der Spannungsreihe der Regler vorhanden ist, so sollte man besser immer auf den entsprechenden Regler (mit höherem Ausgangsstrom) zurückgreifen.

Der Sinn der beiden Dioden (siehe Bild) besteht in folgendem:

• Diode D₁ hebt die Spannung zwischen dem Ausgang des Reglers (3) und der Masse auf ca. 5,7V an
• über der Diode D₂ fällt jedoch eine Spannung (U_D2) von ca. 0,7V ab und somit beträgt die Ausgangsspannung U_A 5V

Die Diode D₂ muss Betreff des Stromes so hoch ausgelegt sein, dass sie durch den Laststrom nicht zerstört wird. Aus Symmetriegründen sollte die Diode D₁ gleichen Typs wie Diode D₂ (z.B. 1N4448) sein.

Die im folgenden Schaltplan dargestellten gestrichelten Linien stellen die oben empfohlene Beschaltung des Reglers dar.

Anwendungsbeispiel:

Man besitzt ein Gerät, dass einmal an der Steckdose über ein Netzteil und auch unterwegs betrieben werden soll. Einmal kommt das Netzteil und einmal ein Satz Batterien zum Einsatz. Da man aber nicht bei jedem Wechsel der Betriebsart die Batterien entfernen möchte, muss man die beiden Spannungen entkoppeln. Dieses ist besonders dann zu empfehlen, wenn irgendwelche elektronischen Bauteile daran angeschlossen sind. Denn nicht jedes elektronische Bauteil mag es, wenn rückwärts eine Spannung auf seinen Ausgang gegeben wird.
Die beiden Spannungen werden durch Dioden entkoppelt. Dabei übernimmt immer die Stromversorgung die Versorgung der Schaltung, die die höhere Spannung hat.
Beim Festnetzbetrieb ist es der Spannungsregler (5V) und unterwegs sind es die Batterien (3,8V).

Die in Reihe geschalteten Batterien ergeben eine Gesamtspannung von 4,5V
(U_B1 + U_B2 + U_B3 = 4,5V). Die Ausgangsspannung beträgt somit 4,5V - 0,7V = 3,8V.

Die Dioden D₂ und D₃ müssen Betreff des Stromes so hoch ausgelegt sein (es wird gleicher Typ empfohlen), dass sie durch den Laststrom nicht zerstört werden. Aus Symmetriegründen sollte die Diode D₁ gleichen Typs wie Diode D₂ und D₃ (z.B. 1N4448) sein.

 

Erstellt am: 25.03.2007
Letzte Aktualisierung: 25.03.2007

 

 

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