Netzteile

Stromversorgung
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1. Anforderungen an Netzteile
Problem:
Netzspannung 230V AC - Elektronische Schaltungen benötigen Gleichspannung (DC)
Typische Spannungsebenen: 5 – 9 – 12 – 24 – 48 V
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Einteilung der Netzteile:
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2. Funktionsgruppen in einem Netzteil
Transformation der
Spannung auf
gewünschte Ebene
Transformator oder
elektronischer
Schalter
Gleichrichtung der
Wechselspannung
Dioden
Glättung der
gleichgerichteten
Spannung
Elektrolytkondensato
ren
Stabilisierung der
Spannung
Z-Dioden, IC´s
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3. Lineare Netzteile
3.1 Trafo auswählen
E-I-Kern
M - Kern
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Kenngrößen für Trafo:
Primärspannung U1=230V
Sekundärspannung U2 (2 bis 5 V höher als gewünschte
Betriebsspannung der Schaltung)
Sekundärstrom (Drahtquerschnitt Wicklung)
Leistung (Abmessungen Eisenkern)
3.2 Gleichrichtung
a) Einweggleichrichtung
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b) Zweiweggleichrichtung Brücken- oder Graetzschaltung)
3.3 Glättung
a) Einweggleichrichtung
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b) Zweiweggleichrichtung
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3.4 Stabilisierung
a) mit Z-Diode
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Gegeben ist folgende Ausgangssituation:
Betriebsspannung Uges = 12 V
Daten der zu versorgenden Schaltung: UL=5V; IL=50mA
Z-Diode: UZ= 5,1 V und PV=500 mW.
In Praxis IZmin etwa 0,1IZmax
I Z max
Ptot
=
UZ
0,5W
=
I Z max = 98mA
5,1V
=
I ges I Z min + I L
I ges = 9,8mA + 50mA = 59,8mA
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Vorwiderstand RV:
begrenzt den Strom auf den Gesamtstrom der Schaltung und soll in
der Hauptsache die Z-Diode vor der Zerstörung schützen
U ges − U Z 12V − 5,1V
=
RV
=
= 115, 4Ω
I ges
59,8mA
Welchen Widerstand auswählen?
E24 - 120Ω
Welche Leistung im Widerstand?
U ges − U Z 12V − 5,1V
=
I ges =
= 57,5mA
120Ω
RV
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PRV =
(U
ges
− U Z ) ⋅ I ges
PRV = (12V − 5,1V ) ⋅ 57,5mA = 396,75mW
Verlustleistung im Standardwiderstand Pv = 1/10 W, hier
mindestens 0,5 W Widerstand erforderlich
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b) mit integriertem Schaltkreis:
Integrierte Festspannungsregler (78xx/79xx)
• Liefern genauere und stabilere Spannungswerte als Z-Dioden – Schaltungen
• interne Strombegrenzung, die bei Überlastung und Kurzschluss einsetzt
• Bei einem Kurzschluss regelt der Festspannungsregler seine Ausgangsspannung
automatisch herunter
• Wird der Kurzschluss aufgehoben, stabilisiert sich die Ausgangsspannung wieder
auf ihren festen Wert.
• Eine thermische Schutzschaltung verhindert die Zerstörung des ICs durch
Überhitzung.
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• 78xx-Serie für positive
• 79xx-Serie für negative Spannungen
• Ausgangsspannungen dieser Serien: 5, 6, 8, 9, 12, 15, 18 oder 24 V
• Eingangsspannung muss mindestens zwischen 2 bis 3 V über der
Ausgangsspannung liegen
• Maximale Eingangsspannung nicht mehr als 36 V
• Differenz der Eingangsspannung zur Ausgangsspannung sollte nicht viel
höher sein als 3 V
• Kühlung durch Kühlkörper erforderlich
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Bezeichnung
78Lxx
78Mxx
78xx
78Sxx
78Txx
78Hxx
Stromentnahme bei Kühlung
0,1 A
0,5 A
1A
2A
3A
5A
Pinbelegung
Pins
78xx
79xx
1
E
GND
2
GND
E
3
A
A
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Anwenderschaltung:
C3 = 470 bis 2200 µF
C5 = 1 bis 10 µF
C4 = 330 nF
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4. Schaltnetzteile
4.1 Prinzip
Lineare Netzteile haben schlechten Wirkungsgrad (η = 0,3 bis 0,5)
Abhilfe Schaltnetzteil η = 0,8 bis 0,9
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Last wird periodisch zugeschaltet
Veränderung von Ua und Ia möglich
Regelung über Tastverhältnis
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• In Praxis kein Umschalter
• Diode ersetzt den zweiten
Schaltkontakt
• Schalter kann leicht durch
Rechteckspannung ersetzt
werden
Ue grün
Ua rot
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4.2 Aufbau eines Schaltnetzteils mit Transformator
50 kHz
100 kHz
Schaltfrequenz 50 kHz
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5. Absicherung von Netzteilen
5.1 Allgemeines
Überstromschutzeinrichtungen:
• Schutz bei Überlast
• Schutz bei Kurzschluss
• Ziel: Unterbrechung des Stromes und Verhinderung der Überhitzung
der Leiter und Baugruppen
• Voraussetzung: Strombelastbarkeit der Leitung oder baugruppe ist
bekannt
Erwärmung ist abhängig:
1. vom Aufbau
2. von den Werkstoffeigenschaften
3. von den Betriebsbedingungen (Umgebung)
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5.2 Bauarten von Sicherungen
• Schmelzsicherung
• Elektronische Sicherung
• Selbstrückstellende Sicherung, typischerweise Kaltleiter,
eine Form von lastabhängigen Widerstand
• Leitungsschutzschalter
Schmelzsicherung
Geräteschutzsicherungen (Feinsicherungen)
G-Sicherungen werden für Nennströme von 0,032 … 20 A
eingesetzt.
Es gibt sie in verschiedenen Längen und Durchmessern. In Europa
am gebräuchlichsten ist das Format 5 × 20 mm, in den USA ¼ × 1¼
Zoll (6,3 × 32 mm).
Einsatzgebiet: Geräteschutz (oft in handelsüblichen Netzteilen zu
finden) und (seltener) Kfz-Elektrik.
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Kennzeichnung:
Auf den Metallkappen sind der Nennstrom, die maximale Spannung und die
(Auslöse-)Charakteristik eingeprägt
Seltener ist eine Farbcodierung gebräuchlich
.
Prägung
Charakteristik
FF
superflink
F
flink
M
mittelträge
T
träge
TT
superträge
Sicherungshalter:
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Auslöseverhalten: flink
träge
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Flachstecksicherungen
1976 entwickelt, wird nur für Kleinspannungen, hauptsächlich in Kraftfahrzeugen
verwendet
Baugrößen:
• niedrige Mini-Stecksicherung (low-profile mini fuse)
• Mini-Stecksicherung (mini fuse)
• Standard-Stecksicherung (ATO fuse)
• Maxi-Stecksicherung (maxi fuse)
Bemessungsstromstärke von Standard- und Mini-Flachstecksicherungen wird durch die
Farbe ihres Kunststoffkörpers gekennzeichnet
Farbkodierung von KFZ-Flachstecksicherungen:
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Schraubsicherungen
Für Deutschland gilt bei Neuinstallation (DIN 18015-1):
Im Stromkreisverteiler von Wohnungen dürfen für Beleuchtungs- und Steckdosenstromkreise nur Leitungsschutzschalter verwendet werden. Schmelzsicherungen sind
nur noch zulässig für fest angeschlossene Geräte (z.B. Durchlauferhitzer) oder als
Vorsicherung für Unterverteilungen.
Schmelzsicherungen dürfen noch verwendet werden, auch für Steckdosen- und
Lichtkreise, jedoch muss bei Steckdosenkreisen ein Fehlerstromschutzschalter (FISchalter) zwischengeschaltet sein. Bei Lichtkreisen ist das nicht erforderlich.
Aufbau D-Sicherung:
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elektronische Sicherung
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Selbstrückstellende Sicherung
• Bauelement in Form eines Kaltleiters auf Polymerbasis
• erwärmt sich bei hohen elektrischen Strömen, wie bei einem Kurzschluss und
wird dadurch hochohmig
• nach Abkühlung wird es von selbst wieder niederohmig, was einer Funktion
ähnlich wie einer Sicherung mit selbständiger Wiedereinschaltung gleich
kommt
Ansprechzeit: mehrere Sekunden,
extrem träge
Anwendung: meist in kleineren
Elektrogeräten im Niedervoltbereich
als preiswerter, wartungsfreier
Kurzschlussschutz und Überlastschutz
direkt auf den Leiterplatten im Gerät
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Leitungsschutzschalter
Funktionsweise
Der Abschaltmechanismus kann auf vier Arten ausgelöst werden:
Auslösung bei Überlast: wenn der vorgegebene Nennwert des
durch den Leitungsschutzschalter fließenden Stromes längere Zeit
erheblich überschritten wird, erfolgt die Abschaltung. Zur
Auslösung wird ein Bimetall verwendet, das sich bei Erwärmung
durch den durchfließenden Strom verbiegt und den
Abschaltmechanismus auslöst (thermische Auslösung)
Elektromagnetische Auslösung: tritt in einer Anlage ein Kurzschluss
auf, erfolgt die Abschaltung innerhalb weniger Millisekunden durch
einen vom Strom durchflossenen Elektromagneten
Manuelle Auslösung: mit Kippschalter oder ein Auslöseknopf auf
der Frontseite Auslösung durch Zusatzmodule: ansteckbare
Unterspannungsauslöser, FI-Module, StörlichtbogenSchutzeinrichtungen und motorische Antriebe
(Wiedereinschaltgeräte)
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Auslösecharakteristik
Leitungsschutzschalter mit
Charakteristik B sind
standardmäßig für folgende
Bemessungsströme verfügbar:
6 | 10 | 13 | 16 | 20 | 25 | 32 |
40 | 50 | 63 | 80 | 100 | 125
Ampere
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Charakteristik
Bemerkung
Thermischer Überlastauslöser:
Mehrfaches des Nennstroms
[Umgebungstemp., Auslösezeit]
Magnetischer
Kurzschlussauslöser
(Mehrfaches des
Nennstroms)
AC 50 Hz
A
B
Siemens (nicht genormt); Halbleiterschutz; hohe
Netzimpedanz
Standard-Leitungsschutz
C
für höheren Einschaltstrom (Maschinen,
Lampengruppen), Standard-Leitungsschutz in
Italien
D
stark induktive oder kapazitive Last: Transformatoren, Magnete, Kondensatoren
E
„Exakt“, SLS Hauptleitungsschutzschalter
Z
R
Halbleiterschutz; hohe Netzimpedanz
Moeller; „rapid“, veraltet; identisch mit Z
K
DC
2–3
1,13–1,45
[30 °C, 1 Stunde]
(über 63 A: 2 Std.)
3–5
5–10
× 1,5
10–20
1,05–1,2
[30 °C, 2 Stunden]
Leistungsschalter nach EN 60947-2
(VDE 0660-101)
1,05–1,2
„Kraft“, hoher Einschaltstrom, sensible Überlast- [20 °C, 2 Stunden]
1,05–1,3
auslösung
[30 °C, 1 Stunde]
5–6,25
2–3
× 1,5
8–14
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