RSS

Diskrete Bauelemente

Bemessung der Stromwelligkeit für Eingangskondensatoren

| Autor / Redakteur: Robert Kollman / Kristin Rinortner

Redaktion Elektronikpraxis
Redaktion Elektronikpraxis (Quelle: Redaktion Elektronikpraxis)

Beim Eingangskondensator für Kleinleistungsnetzteile ist der Rippelstrom gegenüber dem Spannungsbereich, in dem die Stromversorgung arbeiten soll, abzuwägen.

Ein interessanter Aspekt tritt bei der Auswahl des Eingangskondensators für Kleinleistungsnetzteile auf. Der Rippelstrom des Kondensators ist gegenüber dem Spannungsbereich, in dem die Stromversorgung arbeiten soll, abzuwägen.

Aus einer Erhöhung der Eingangskapazität resultiert mehr Rippelstrom und der Eingangsspannungsbereich des Netzteils wird durch Verringerung des Spannungsabfalls im Eingangskondensator begrenzt. Dies wirkt sich sowohl auf das Windungsverhältnis des Transformators als auch auf Spannungs- und Strombelastungen innerhalb des Netzteils aus.

Bild 1: Brückengleichrichter werden in den meisten Netzteilen eingesetzt

Ein größerer Rippelstrom im Kondensator resultiert in weniger RMS Stress und in eine effizientere Stromversorgung. Bild 1 und 2 stellen zwei Gleichrichterkonfigurationen dar, welche in Netzteilen eingesetzt werden. Bild 1 zeigt einen üblichen Brückengleichrichter, der die AC-Eingangsspannung einfach gleichrichtet und einen Kondensator speist.

Diese Art der Schaltung findet in einem weiten Bereich von universellen und 230-VAC-Netzteilen Anwendung. Der Kondensator lädt sich bis zum Spitzenwert der Sinuswelle auf und entlädt sich während der meisten Zeit der Halbwelle. Der Rippelstrom im Kondensator setzt sich aus zwei Komponenten zusammen.

Die erste ist die Ladephase, in welcher der Strom durch den Wert des Kondensators und die anliegende Spannungssteilheit dV/dt festgelegt wird. Die zweite ist die Entladung des Kondensators. Netzteile stellen Lasten mit konstanter Leistung dar, daher entlädt sich der Kondensator mit nichtlinearer und kann als Energieänderung berechnet werden: W = ½ * C *V^2 = P * dt.

Bild 2: Die Spannungsverdopplung begrenzt den Netzspannungsbereich

Bild 2 zeigt einen Gleichrichter mit Spannungsverdopplung, der in zahlreichen 115/230-VAC-Anwendungen eingesetzt wird. Wenn Sie eine 230-VAC-Anwendung entwerfen, muss die Eingangsstufe Maximalspannungen in Höhe der maximalen Eingangsspannung (265VAC) multipliziert mit dem Crestfaktor, also fast 400Volt verarbeiten können. Bei einer Eingangsspannung von 115VAC erhöht der Spannungsverdoppler die gleichgerichtete Spannung nahezu auf den Pegel des 230-VAC-Eingangs.

Daher ist es ausreichend, die Stromversorgung nur für den 230-VAC Eingang auszulegen und so den Bereich der gleichgerichteten Spannung, in dem das Netzteil arbeitet, zu verkleinern. Das Umschalten zwischen den Eingangsspannungsbereichen erfolgt üblicherweise mit einem Jumper oder Schalter. Der einzige Nachteil an dieser Lösung ist, dass Anwender zuweilen die 230-VAC-Eingangsspannung verdoppeln und das Netzteil damit zerstören. Bild 2 zeigt einige der Kurvenformen im Verdopplerschaltkreis.

Der Nullleiter wird zwischen den Kondensatoren angeschlossen. Jeweils zwei Gleichrichter speisen die Eingangsspannung abwechselnd in jeden Kondensator ein. Jeder Kondensator wird pro Periode einmal bis zur Netzspitzenspannung aufgeladen und besitzt somit eine Rippelkomponente mit Netzfrequenz 50Hz/60Hz. Da die Kondensatoren phasenverschoben geladen werden, ist die Rippelfrequenz in der Summe dann doppelt so hoch wie die Netzfrequenz.

Bild 3: Ein großer Kondensator verringert den Eingangsspannungsbereich und erhöht den Wirkungsgrad.

Bild 3 zeigt einen Spannungsabfall, der durch uF/W für vier Gleichrichter-/Eingangsspannungsvarianten normiert wird. Die Brückengleichrichter sind in drei Optionen dargestellt: für Unterspannung in den USA (108 VAC/60 Hz), in Japan (85 VAC/50 Hz) und in Europa (216 VAC/50 Hz). Für Unterspannung in Japan gibt es eine zusätzliche Darstellung mit Spannungsverdoppler.

Für die Graetzbrücke ergibt sich die Normalierung einfach aus der Kapazität geteilt durch die Leistung. Beim Verdoppler berechnet sich die Normierung aus der Kapazität eines der in Reihe geschalteten Kondensatoren geteilt durch die Leistung. Zur Anwendung des Diagramms bestimmen Sie Ihre Gleichrichterkonfiguration und wählen einen geeigneten Spannungsabfall aus. Dann können Sie einfach den Wert uF/W des Eingangskondensators ablesen. Abschließend müssen Sie diesen Wert durch Multiplikation mit der Leistung Ihrer Versorgung hochrechnen.

Bild 4: Eine Erhöhung von uF/W bewirkt keinen nennenswerten Anstieg des Rippelstroms des Eingangskondensators.

Anhand von Bild 4 können Sie dann die Auslegung des Rippelstroms für den Kondensator berechnen. Bild 4 zeigt den normierten Rippelstrom im Vergleich zur normalierten Eingangskapazität. Interessant ist hier, dass der Rippelstrom keine starke Abhängigkeit von der Kapazität zeigt. Dies liegt daran, dass der Strom während der Entladung durch einen nahezu konstanten Verbrauch von der Last festgelegt wird.

Nur während der Ladezyklen unterscheiden sich die Ströme deutlich voneinander. Dies lässt sich am allmählichen Anstieg des Rippelstroms bei Erhöhung der Kapazität (uF/W) erkennen. Der Anstieg resultiert aus den höheren Spitzenströmen bei reduziertem Leitwinkeln bei größerer Kapazität. Beachten Sie, dass das Diagramm nur den Rippelstrom der Netzfrequenz und nicht die Auswirkungen des Rippelstroms der hochfrequent getakteten Stromversorgung enthält.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Entwickler bei der Auswahl des Eingangskondensators und der Gleichrichterkonfiguration mit einen Kompromiss eingeht. Wenn ein Brückengleichrichter für eine Weitbereichsanwendung gewählt wird, muss die Stromversorgung über einen Eingangsbereich von 4:1 arbeiten. Entscheidet sich der Entwickler jedoch für einen Spannungsverdopplers, um diesen Eingangsbereich zu reduzieren, besteht das Risiko von Überspannungen durch Kundenfehler.

Der Entwickler kann den Betriebsspannungsbereich geringfügig begrenzen, indem er einen geeigneten Eingangskondensator entsprechend den Diagrammen im vorliegenden Artikel wählt. Lesen Sie auch unsere nächste Ausgabe, in der wir uns mit einer kostengünstigen Schutzschaltung für Netzteile beschäftigen.

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 0 / Diskrete Bauelemente)