Stromversorgung ohne Stress Bd. 2

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Franz Peter Zantis

Eines haben alle elektronischen Schaltungen und Geräte gemeinsam: Ihre Funktion steht und fällt mit der Stromversorgung. Schon deshalb muss man dieser Baugruppe besondere Aufmerksamkeit widmen. Beschäftigte sich Band 1 (erschienen bei Elektor, ISBN 9783-89576-248-2) mit den Grundlagen und Schaltungen der Stromversorgungstechnik für elektronische Geräte aus der Praxis, bietet der zweite Band neben direkt verwertbaren Grundlageninformationen eine Sammlung verschiedener praktischer Anleitungen und Applikationen sowie Bauanleitungen. Damit ist das Buch für jeden ambitionierten Elektronik-Praktiker eine wertvolle Bereicherung seiner Gestaltungsmöglichkeiten. Aus dem Inhalt: Kapitel 1 • Messungen an Spannungs- und Stromquellen Kapitel 2 • Mobile Spannungs- und Stromquellen

ISBN 978-3-89576-331-1

STROMVERSORGUNG OHNE STRESS – BAND 2

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Franz Peter Zantis ist Energieanlagenelektroniker und Ingenieur der Nachrichtentechnik. In einem Forschungsprojekt hat er sich ausführlich mit der Stromversorgung von eigensicheren Geräten auseinandergesetzt und zahlreiche Beiträge zum Thema Schaltnetzteile veröffentlicht.

OHNE STRESS – BAND 2

STROMVERSORGUNG OHNE STRESS – 2

STROMVERSORGUNG

ANWENDUNGEN, APPLIKATIONEN UND BAUANLEITUNGEN

FRANZ PETER ZANTIS

ANWENDUNGEN, APPLIKATIONEN UND BAUANLEITUNGEN

Kapitel 3 • Netzbetriebene Versorgungsgeräte

Elektor-Verlag GmbH 52072 Aachen www.elektor.de

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Kapitel 4 • Verschiedene Themen zur Stromversorgung, unter anderem auch zur drahtlosen Energieübertragung.

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Stromversorgung ohne Stress, Band 2 â—? Franz Peter Zantis

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© 2018: Elektor Verlag GmbH, Aachen.

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Alle Rechte vorbehalten.

1. Auflage 2018

Die in diesem Buch veröffentlichten Beiträge, insbesondere alle Aufsätze und Artikel sowie alle Entwürfe, Pläne, Zeichnungen und Illustrationen sind urheberrechtlich geschützt. Ihre auch auszugsweise Vervielfältigung und Verbreitung ist grundsätzlich nur mit vorheriger schriftlicher Zustimmung des Herausgebers gestattet. Die Informationen im vorliegenden Buch werden ohne Rücksicht auf einen eventuellen Patentschutz veröffentlicht. Die in diesem Buch erwähnten Soft- und Hardwarebezeichnungen können auch dann eingetragene Warenzeichen sein, wenn darauf nicht besonders hingewiesen wird. Sie gehören dem jeweiligen Warenzeicheninhaber und unterliegen gesetzlichen Bestimmungen. Bei der Zusammenstellung von Texten und Abbildungen wurde mit größter Sorgfalt vorgegangen. Trotzdem können Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag, Herausgeber und Autor können für fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen. Für die Mitteilung eventueller Fehler sind Verlag und Autor dankbar. Umschlaggestaltung: Elektor, Aachen Satz und Aufmachung: D-Vision, Julian van den Berg | Oss (NL) Druck: Media-Print Informationstechnologie GmbH, Paderborn Printed in Germany

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ISBN 978-3-89576-331-1

Elektor-Verlag GmbH, Aachen www.elektor.de

Elektor ist Teil der Unternehmensgruppe Elektor International Media (EIM), der weltweit wichtigsten Quelle für technische Informationen und Elektronik-Produkte für Ingenieure und Elektronik-Entwickler und für Firmen, die diese Fachleute beschäftigen. Das internationale Team von Elektor entwickelt Tag für Tag hochwertige Inhalte für Entwickler und DIY-Elektroniker, die über verschiedene Medien (Magazine, Videos, digitale Medien sowie Social Media) in zahlreichen Sprachen verbreitet werden. www.elektor.de

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Inhalt Vorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Kapitel 1 • Messungen an Spannungs- und Stromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Genauigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1 Praktische Messungen an Spannungsquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.1.1 Messungen an einem Steckernetzteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.1.1.1 Intermezzo: Elektronische Last . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.1.2 Messungen an einem Akkumulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.2 Praktische Messung an Stromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.3 Sicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Kapitel 2 • Mobile Spannungs- und Stromquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.1 Batterie-Spannungsquelle für den Betrieb von Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.2 Batterie-Stromquelle für den Betrieb von Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.3 Überwachung der Batteriespannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.3.1 Spannungsüberwachung mit Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.3.1.1 Programmlisting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 2.3.2 Spannungsüberwachung mit Komparatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.4 Akkupack für drei Versorgungsspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.5 Mobile Laborversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.5.1 Verbesserungsmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.5.1.1 "Vorjustierung" mit Tandem-Potentiometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.5.1.2 Nachführung mit analoger Rückkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.5.1.3 Regelung mit Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 2.6 Leuchten mobil versorgt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 2.6.1 Mobile Schreibtischlampe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 2.6.2 Batteriebetriebene Küchenlampe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 2.7 USB-Versorgung im Auto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 2.7.1 USB-Versorgung mit Längsregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 2.7.2 USB-Versorgung mit Abwärtswandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 2.7.2.1 Abwärtswandler ohne Spezial-IC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 2.7.2.1.1 Überwachung der Ausgangsspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 2.7.2.1.2 Überwachung des Ausgangsstroms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

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Stromversorgung ohne Stress, Band 2 2.7.2.1.3 Ausgangsseitiger Kurzschlussschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 2.7.2.1.4 Temperaturüberwachung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 2.7.2.1.5 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 2.7.2.1.6 Messwerte und Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 2.8 Bereitstellen "hoher" Spannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 2.8.1 "High Voltage" Erzeugung mit fester Ausgangsspannung . . . . . . . . . . . . . . . . 102 2.8.1.1 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 2.8.1.2 Anpassung an verschiedene Aufgabenstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 2.8.1.3 Standardregler für hohe Ausgangsspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 2.8.2 High-Voltage-Erzeugung (HV) mit einstellbarer Ausgangsspannung . . . . . . . . . 111 2.8.2.1 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 2.8.2.2 Betrieb und Modifikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 2.9 Buck-Boost-Konverter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 2.9.1 Versorgung aus Lithium-Ionen-Batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Kapitel 3 • Netzbetriebene Versorgungsgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 3.1 Netztransformator und Glättung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 3.1.1 Bemessung des Netztransformators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 3.1.2 Glättung einmal anders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 3.1.2.1 Glättung mit Saugkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 3.1.2.2 Elektronische Glättung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 3.2 Festspannungsnetzgerät mit Linearregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 3.2.1 Schaltungsbesprechung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 3.2.1.1 B etrachtung der Schaltung hinsichtlich einer sauberen Ausgangsgleichspannung 135 3.2.1.2 Betrachtung der Verlustleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 3.3 Steuerbare Gleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 3.3.1 Software des Mikrocontrollers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 3.4 Einschaltstrombegrenzung (ICL = inrush current limiter) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 3.4.1 Einschaltstrombegrenzung mit Thermistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 3.4.1.1 Intermezzo: Die letzten Glühlampen mit Thermistoren retten . . . . . . . . . . . . 154 3.4.2 Einschaltstrombegrenzung mit Strombegrenzungswiderstand . . . . . . . . . . . . . 155 3.4.2.2 Sicherheitshinweis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 3.5 PC-gesteuerte Laborversorgung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

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Inhalt 3.5.1 Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 3.6 Mikrocontroller als Regler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 3.6.1 Erfassung der Istwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 3.6.1.1 Ausgangsstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 3.6.1.2 Ausgangsspannung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 3.6.1.3 Sollwerte für Spannung und Strom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 3.6.1.4 Temperatur des Kühlkörpers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 3.6.1.5 Spannung am Längstransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 3.6.2 Das Programm des Mikrocontrollers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 3.7 Stromversorgung ohne Netztrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 3.7.1 Praktische Ausführung für ein Netzteil ohne Netztrennung . . . . . . . . . . . . . . . 195 3.8 Netzeil für Röhrenschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 3.8.1 Siebglied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 3.8.2 Reglerschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Kapitel 4 • Dies und Das . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 4.1 Programmierung der Mikrocontroller MSP430 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 4.2 Parallelschaltung von Spannungsreglern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 4.3 Sanftanlauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 4.4 Platinen-Kupferflächen zur Entwärmung von Bauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 4.4.1 Untersuchung an der Hochschule Aschaffenburg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 4.4.2 Eigener Versuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 4.5 Stromabschaltung mit minimalen Verlusten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 4.6 Künstliche Masse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216 4.7 Drahtlose Energieübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224

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Vorwort

Vorwort "Stromversorgung ohne Stress, Band 2" bietet neben direkt verwertbaren Grundlageninformationen eine Sammlung verschiedener praktischer Anleitungen und Applikationen bzw. Bauanleitungen auf Basis des Buches "Stromversorgung ohne Stress, Band 1". Diese Umschreibung des Buchinhalts muss noch ergänzt werden, denn heute gibt es für jedes Problem einen passenden Spezial-IC. Falls nicht, reicht das Verfassen einer Beschreibung der gewünschten Funktionalitat, die man einer chinesischen Firma zukommen lässt. Ein Baustein, der die gewünschte Funktionalitat bietet, lässt dann nicht lange auf sich warten. Fur den Praktiker, der außerhalb der Massenproduktion tätig ist oder Unikate baut, ist dies aber kein gangbarer Weg. Für ihn sind Spezial-ICs eine Belastung, denn sie erfordern in jedem Fall immer eine neue Einarbeitung in die Denkweise des Herstellers. Diesem ist man auf Gedeih und Verderb ausgeliefert. Das fängt schon mit der Qualität der Dokumentation an. Besonders problematisch wird ein notwendiger Austausch des ICs – denn bis es dazu kommt, sind die Spezial-ICs nicht mehr verfügbar und ein neues Design ist erforderlich. Deshalb werden die in den einzelnen Projekten gestellten Aufgaben in diesem Buch mit bewährter Technik auf der Basis von (diskreten) Standard-Bauteilen gelöst, von denen man annehmen kann, dass sie noch viele Jahre am Markt verfügbar sind. Dazu gehören heute natürlich auch Mikrocontroller. Außerdem wird durch die Verwendung von Standard-Bauteilen das Verständnis von technischen Zusammenhangen deutlich vereinfacht – auch auch ohne umfangreiche Dokumentationen in englischer Sprache durcharbeiten zu müssen. Alsdorf, im September 2017 Franz Peter Zantis

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Stromversorgung ohne Stress, Band 2

Kapitel 1 • Messungen an Spannungs- und Stromquellen Bei Messungen an Spannungs- und Stromquellen ist Vorsicht geboten. Oftmals sind in den Stromversorgungsgeräten netzspannungsführende Teile zugänglich. Auch beim Eigenbau von Stromversorgungsgeräten kann man mit Netzspannung in Berührung kommen. Ob ein Stromversorgungsgerät bzw. eine Baugruppe zur Stromversorgung die gewünschten Anforderungen erfüllen kann, muss durch Messungen nachgewiesen werden. Neben Qualitätsmerkmalen wie Genauigkeit der Ausgangsspannung, Brummspannung oder Innenwiderstand ist vor allem wichtig zu wissen, dass das Gerät keine Überspannungen produziert. Vor allem bei unzureichender Regelung können Überspannungen (Überschwingen der Ausgangsspannung) bei Lastwechseln auftreten. Diese Überspannungen gefährden die angeschlossenen Geräte. Bei selbst gebauten Geräten verfügt man über Detailwissen über den Aufbau des Gerätes und hat in der Regel einen genauen Überblick über die Funktionsweise und die Fähigkeiten des Gerätes bzw. des Moduls. Besonders wichtig sind die Messungen deshalb an fertig gekauften Stromversorgungseinheiten. Heute gibt es zahlreiche Stromversorgungsgeräte in Form von Baugruppen und Stecker-Netzteilen bis hin zum Laborgerät fertig zu kaufen. Es ist nicht immer sinnvoll, eine Eigenentwicklung zu forcieren. Eventuell reicht die Modifikation eines fertigen Moduls. Meist sind diese Geräte in China produziert. Ihre Qualität ist sehr unterschiedlich. Erst das Ausmessen der Geräte bringt Klarheit, ob die Anforderungen für eine bestimmte Aufgabe erfüllt werden. Die wichtigen Parameter werden nachfolgend beschrieben. Genauigkeit Für die Messung der Genauigkeit einer Größe – also wie genau z.B. eine angegebene Ausgangsspannung tatsächlich eingehalten wird – benötigt man ein Referenzmessgerät. Bei Stromversorgungsgeräten, die reine Gleichspannungen bereitstellen sollen, ist die Messung einfach durchzuführen. Man misst die Ausgangsspannung mit einem möglichst genauen Gleichspannungsmessgerät. Die relative Abweichung von einem angegebenen Nennwert lässt sich mit herkömmlicher Prozentrechnung ermitteln:

⎛X ⎞ f = ⎜ M − 1⎟ ⋅100% ⎝ XN ⎠ Gleichung {1.1} Dabei ist: f XM XN

ein Zahlenwert für die relative Abweichung in % der gemessene Wert und der angegebene Nennwert, der überprüft werden soll.

Allerdings ist bei der Messung der Genauigkeit der Arbeitspunkt zu beachten. Für welchen Arbeitspunkt gilt die Angabe des Nennwertes? Bei einer Gleichspannung stellt sich zum

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Kapitel 1 • Messungen an Spannungs- und Stromquellen

Beispiel die Frage: Für welche Belastung (bei welchem Ausgangsstrom) gilt die Angabe der Nennspannung? Bei Stromversorgungsgeräten, die Wechselspannungen bereitstellen, ist für den Messvorgang ein RMS-Messgerät (Root Mean Square; Echteffektivwert) ratsam. Damit wird die Messung weitgehend unabhängig von der Kurvenform. Meistens liefern die Geräte aber sinusförmige Wechselspannungen (wie z.B. Transformatoren am Versorgungsnetz). Messgeräte die nicht konstruktionsbedingt den RMS-Wert anzeigen (wie z.B. Drehspulmesswerke mit Gleichrichter) zeigen den Effektivwert für sinusförmige Spannungen an. Den korrekten Wert erhält man also nur bei sinusförmigen Wechselspannungen. Hat die Wechselspannung einen anderen Verlauf, dann ist der Formfaktor zu berücksichtigen. Genaues dazu findet man z.B. in [1] oder in [2] im Kapitel "Messtechnik" auf Seite 8-10. Tipp: zur genauen Messung auch kleiner Messwerte bzw. Abweichungen empfiehlt es sich, ein mindestens vierstelliges Digitalvoltmeter einzusetzen. Eine alternative Möglichkeit wäre, nicht gegen Bezugsnull, sondern gegen eine konstante Hilfsspannung zu messen. Hochkonstante Hilfsspannungen lassen sich mit integrierten Referenzspannungsquellen sehr preiswert bereitstellen. Im Bild 1.1 ist dazu ein Beispiel mit der integrierten Referenzspannungsquelle LTC1798-2.5 und einem nachgeschalteten Operationsverstärker zu sehen. Die Ausgangsspannung der Referenzspannungsquelle LTC1798 hat eine Genauigkeit von +/- 0,4%. Sie liegt somit also zwischen 2,49 V bis 2,51 V. Die Schaltung bietet mit der angegebenen Dimensionierung eine sehr genaue Spannung von 10 V. Wer es ganz genau haben möchte, wählt für die Widerstände solche mit 0,1 % Toleranz und besonders niedriger Temperaturdrift. Man kann nun diese Spannungsquelle verwenden, um die Abweichung vom wahren Wert festzustellen, die das eingesetzte Messgerät anzeigt. Eventuell lässt sich das Messgerät sogar kalibrieren. Besonders sinnvoll ist aber die Differenzspannungsmessung. Misst man den Ausgang eines 12-V-Netzteils gegen diese Referenzspannung, steht die gesamte Auflösung des Digitalvoltmeters für die Differenzspannung (im Beispiel 2V) zur Verfügung. Durch Ändern der Wert für R1 und R2 kann man auch andere Bezugsspannungen erzeugen (Tabelle 1.1). Es ist ein nützliches Hilfsmittel zur genauen Messung kleiner Spannungsabweichungen mit herkömmlichen Multimetern, und auch besonders gut einsetzbar zum Messen von Abweichungen durch Temperaturänderungen oder Wechsellasten. Für hochgenaue Messungen wird an J1 (Bild 1.1) ein Potentiometer gegen Masse angeschlossen. Der Widerstandswert des Potentiometers sollte nicht zu hoch sein, damit die Qualität der Spannungsquelle nicht verschlechtert wird. Allerdings hoch genug, um den Operationsverstärker nicht zu überlasten. In den meisten Fällen sollte ein Potentiometer mit 1000 Ω passend sein. Den Schleifer des Potentiometers stellt man nun so ein, dass ein Spannungsmesser, der zwischen diesem Schleifer und dem Prüfling die Spannung misst, 0 V anzeigt. Nun kann man den Prüfling z.B. belasten oder verschiedenen Temperaturen aussetzen und die Abweichung der Ausgangsspannung als absoluten Wert ablesen (Messbrücken-Prinzip; siehe auch in [2], Kapitel 8).

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Stromversorgung ohne Stress, Band 2

Bild 1.1: Bezugsspannungsquelle fĂźr genaue Spannungsmessungen mit Standard-Multimetern Bezugsspannung

R1

R2

33 k+1 k

10 k

R1

100 k

33 k

33 k + 110k V

27 k

10 k+390 100 kΊ

22 k

10 k

18 k

10 k

an J1 (Bild 1.1)

R2

Bezugsspannung an J1 (Bild 1.1)

10 k

11 V

9V

33 k

10 V

27 k

8V

10 k + 390 Ί

9V

22 k

7V

10 k

8V

15 k+680 Ί 10 k+1 18k2k

6V

10 k

7V

10 k + 1,2 k

6V

10 k

10 k

11 V

5V 15 k + 680Ί

10 kder Widerstände 10 Tabelle 1.1: Dimensionierung R1kund R2 der Schaltung aus Bild 1.1 fßr verschiedene Bezugsspannungen

5V

Tabelle 1.1: Dimensionierung der Widerstände R1 und R2 der Schaltung aus Bild 1.1 fßr versc

Bezugsspannungen. Innenwiderstand Der Innenwiderstand ist ein sehr wichtiges Qualitätskriterium fĂźr eine Spannungs- bzw. Stromquelle. Eine ideale Spannungsquelle hat eine Quellspannung U0 und einen Innenwiderstand von 0 Ί. EineInnenwiderstand ideale Stromquelle dagegen hat einen Quellstrom I0 und einen Der Innenwiderstand ist ein sehr wichtiges Qualitätskriterium fĂźr eine Spannungs- bzw. Stromq Innenwiderstand von ∞ Ί.

Eine ideale Spannungsquelle hat eine Quellspannung U0 und einen Innenwiderstand von 0 Ί. E einen Innenwiderstand von ∞ Ί. ideale Stromquelle dagegen hat einen Quellstrom I0 undArbeitspunkten Gemessen wird der Innenwiderstand mit Hilfe von zwei Lastpunkten bzw. Gemessen wird der Innenwiderstand mit Hilfe von zwei Lastpunkten bzw. Arbeitspunkten aus aus der Veränderung der AusgangsgrĂśĂ&#x;e: Veränderung der AusgangsgrĂśĂ&#x;e:

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Gleichung {1.2a und 1.2b}

Gleichung {1.2a und 1.2b} Dabei ist: Ri der statische Innenwiderstand in Ί U1 die Spannung im ersten Arbeitspunkt I1 der Strom im ersten Arbeitspunkt U2 die Spannung im zweiten Arbeitspunkt I2 der Strom im zweiten Arbeitspunkt der dynamische Innenwiderstand ri 17-09-18 Δu die Umgebung um eine Arbeitsspannung; auch du ist Ăźblich Δi die Umgebung um einen Arbeitsstrom; auch di ist Ăźblich

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Kapitel 1 • Messungen an Spannungs- und Stromquellen

Dabei ist: Ri der statische Innenwiderstand in Ω U1 die Spannung im ersten Arbeitspunkt I1 der Strom im ersten Arbeitspunkt U2 die Spannung im zweiten Arbeitspunkt I2 der Strom im zweiten Arbeitspunkt der dynamische Innenwiderstand ri Δu die Umgebung um eine Arbeitsspannung; auch du ist üblich Δi die Umgebung um einen Arbeitsstrom; auch di ist üblich Die Betragsbildung ist notwendig, da es keine negativen Widerstände gibt, aber die sich ergebende Kennlinie U über I bei praktisch ausgeführten Spannungsquellen immer eine negative Steigung aufweist. Man muss unterscheiden, zwischen dem statischen Innenwiderstand Ri, der sich aus einem Arbeitspunkt ergibt und dem dynamischen Innenwiderstand ri, der um einen Arbeitspunkt herum existiert. Beim statischen Arbeitspunkt ist I2 = 0 und U2 ist deshalb die Quellspannung, während sich I1 und U1 aus der statischen Belastung ergeben. Man stattet Spannungsquellen mit Regelschaltungen aus, um im Arbeitsbereich einen möglichst kleinen dynamischen Innenwiderstand ri zu erhalten. Zur Messung des dynamischen Innenwiderstandes ändert man zyklisch die Belastung um den gewünschten Arbeitspunkt. Im Abschnitt 1.1.1 ist dies anhand eines Beispiels erklärt. Brummspannung, Brummanteil, Welligkeit Gleichspannungen oder Gleichströme werden in vielen Fällen aus Wechselspannungen bzw. -strömen aufbereitet. Am Ausgang ist deshalb immer noch eine Restwechselgröße messbar, die der Gleichspannung (Gleichgröße) überlagert ist. Diese sogenannte Brummspannung (bzw. allgemein der Brummanteil; man spricht auch von der Welligkeit der Ausgangsgröße) sollte natürlich möglichst klein sein. Zur Messung kann man den Wechselspannungs- bzw. Wechselstrom-Messbereich von Multimetern nutzen. Die Angabe erfolgt dann im günstigen Fall als RMS-Wert (Echteffektivwert; URMS bzw. IRMS) und im ungünstigeren Fall als Effektivwert für Sinusgrößen (Ueff bzw. Ieff). Allerdings ist der Frequenzbereich von Standard-Multimetern meist nicht sehr groß (typ. bis 400 Hz). Für Linearnetzteile ist das ausreichend – für Schaltnetzteile meistens nicht. Besser ist die Überprüfung mit einem Oszilloskop. Selbst die einfachsten Oszilloskope können Wechselspannungen bis 10 MHz messen und darstellen – was für die Messung der Brummspannung ausreichend ist. Die Brummspannung wird dann als Spitze-Spitze-Wert (Uss bzw. Iss) angegeben. Dieser Wert ist außerdem günstiger als der Effektivwert, denn man kann direkt sehen, welchen Überspannungen die angeschlossenen Geräte ausgesetzt werden. Für die Praxis ist die Brummspannung bei der vorgesehenen Belastung interessant. Man kann die vorgesehene Belastung durch einen ohmschen Widerstand simulieren. Zu beachten ist, dass dieser Widerstand die Belastung verkraften kann. Alternativ könnte man für die Belastung eine (Niedervolt-Halogen-) Glühlampe verwenden.

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Kapitel 2 • Mobile Spannungs- und Stromquellen

Kapitel 2 • Mobile Spannungs- und Stromquellen Gerade bei mobilen Spannungs- und Stromquellen ist ein sparsamer Umgang mit der zur Verfügung stehenden Energie besonders wichtig. Dies gilt vor allem für die Bereitstellung der Energie aber auch für die angeschlossenen Verbraucher – falls hier eine Wahl möglich ist. Nach wie vor am meisten verbreitet sind die in [3] aufgelisteten Batterie- bzw. Akkuzellen. Die meisten Typen sind einzellig und stellen eine Nennspannung von 1,5 V (bei Batterien) oder 1,2 V (bei NiMH-Akkus) bereit. Besonders klein und handlich sind Mikrozellen (Typ AAA). Besonders viel Energie liefern Monozellen (Typ D). Letztere liefern derzeit bis 10000 mAh – also theoretisch 10 A bei 1,2 V für eine Stunde oder 1 A für 10 Stunden. Damit lassen sich auch umfangreichere elektronische Aufbauten über einen sinnvollen Zeitraum betreiben. Batterien sind nicht mehr zeitgemäß. Die Hersteller von NiMH-Akkus werben mit 500 bis 1000 erfolgreichen Lade-/Entladezyklen. Selbst wenn man lediglich 100 erfolgreiche Lade-/ Entladezyklen ansetzt, verbrauchen Batterien 100 mal mehr wertvolle Ressourcen und erzeugen 100 mal mehr Abfall als Akkus. Außerdem können NiMH-Akkus mittlerweile bei gleicher Baugröße mehr Energie bereitstellen als Batterien. Spätestens nach der Einführung von NiMH-Akkus mit geringer Selbstentladung sollten deshalb Batterien nur noch in Sonderfällen eingesetzt werden. Z.B. kann der Einsatz von NiMH-Akkus bei sehr tiefen Temperaturen (< -20°C) problematisch sein. Es gibt eine unüberschaubare Vielfalt an Ladegeräten für NiMH-Akkus am Markt. Allerdings sind wirklich gute Ladegeräte nicht ganz billig. Vor allem für die Nutzungsdauer der Akkus ist entscheidend, dass das Ladegerät zuverlässig erkennt, wenn der Akku voll aufgeladen ist. Denn nicht nur Tiefentladung – auch Überladung führt nämlich zu Kapazitätsverlust. Bei der Verwendung der Akkus gibt es noch das Problem, dass die meisten elektronischen Schaltungen höhere Spannungen benötigen als 1,2 V. Oftmals werden sogar 12 V benötigt. Um diese bereitzustellen müssten 10 Zellen in Reihe geschaltet werden. Bild 2.1 zeigt die Reihenschaltung von n-Zellen im Schaltbild. Dort ist jede Zelle als ideale Spannungsquelle mit Reihen (Rr)- und Parallelwiderstand (Rp) dargestellt. Es ist im Normalfall anzunehmen, dass die Parallelwiderstände wesentlich größere Widerstandwerte aufweisen als die Reihenwiderstände. Also Rpn>> Rrn Der Parallelwiderstand ist das Maß für die Selbstentladung der Zelle. Die einzelnen Zellen werden so miteinander verbunden, dass der Minuspol der ersten Zelle den Minuspol der gesamten Serienschaltung darstellt, der Pluspol der ersten Zelle wird mit dem Minuspol der zweiten Zelle verbunden usw., der Pluspol der letzten Zelle ist gleichzeitig der Pluspol der Serienschaltung.

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Stromversorgung ohne Stress, Band 2

Es ist wichtig, dass die einzelnen Zellen die exakt gleiche Kapazität C aufweisen. Das ist die Voraussetzung damit einerseits beim Entladen alle Zellen gleichmäßig ausgenutzt werden und andererseits beim Laden alle Zellen gleichmäßig aufgeladen werden. Bei der Reihenschaltung von Zellen ist • die Gesamtspannung die Summe der einzelnen Zellenspannungen. • der Gesamt-Innenwiderstand Ri die Summe der einzelnen Reihenwiderstände (unter der Voraussetzung, Rpn>> Rrn). • die Gesamtkapazität gleich groß wie jede Einzelkapazität Cges = CBattn (Bedingung: CBatt1 = CBatt2 =...= CBattn ) • die bereitstehende Energie ist die Summe der Energie der einzelnen Zellen. Uges = U1 + U2 + … Un Ri ges = Ri1+ Ri2 + … + Rrn Rpn >> Rin

Bild 2.1: Reihenschaltung von Batterie- oder Akkuzellen Die beschriebenen Zusammenhänge lassen schon vermuten, dass die Reihenschaltung gerade von Akkuzellen doch recht problematisch ist. Jede einzelne Zelle verändert sich

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Kapitel 2 • Mobile Spannungs- und Stromquellen

mit jedem Entlade-/Ladezyklus etwas. Diese Veränderung ist bei jeder Zelle individuell verschieden. Im Laufe der Zeit driften die Werte für die Reihen- und Parallelwiderstände und für die Kapazität C der Zellen auseinander. Die dann entstehenden unterschiedlichen Ladezustände verstärken diesen Effekt bei jedem Entlade-/Ladezyklus. Die Zellen entladen sich während des Betriebes unterschiedlich. Im schlimmsten Fall ist irgendwann eine Zelle bereits entladen und die anderen, noch nicht entladenen Zellen treiben dann einen Strom mit nicht vorgesehener Polarität durch die entladene Zelle, die dann beschädigt oder sogar zerstört wird. Wichtig ist es deshalb, dass zumindest zu Beginn die Zellen gleiche Zustände haben. Deshalb sollten nur neue Zellen gleichen Typs, die zur gleichen Zeit gefertigt wurden (gleiche Charge), im Verbund (Serienschaltung) eingesetzt werden. Im Betrieb müssen die Zellen stets den gleichen Ladezustand haben. Um aber 10 Monozellen zu laden benötigt man ein großes Ladegerät mit 10 Ladeschächten oder es dauert ziemlich lange bis alle 10 Zellen nacheinander oder paarweise aufgeladen sind. Aber auch wenn man die gleichzeitige Ladung der Zellen penibel einhält, werden sich im Laufe der Zeit durch Alterung unterschiedliche Innenwiderstände, Parallelwiderstände und Kapazitäten einstellen. Aus diesem Grund ist es erstrebenswert mit möglichst wenigen Zellen auszukommen. Es ist fast immer vorteilhafter, die benötigte "hohe" Spannung aus wenigen Zellen mit nachgeschaltetem Hochsetzsteller zu erzeugen. Dabei ist ein guter Wirkungsgrad des Hochsetzstellers besonders wichtig. Bei den genannten Monozellen ist der Energiebeitrag jeder einzelnen Zelle schon beträchtlich hoch. Mit einem Mono-Akku vom Typ NiMH mit einer Kapazität von (nur) 4000 mAh (Energie: 17280 Ws) könnte man theoretisch einen 1 kg schweren Stein gut 1,7 km hoch, senkrecht in die Luft schleudern.

Noch höhere Energiedichten als NiMH-Akkus erreichen Lithium-Ionen oder Lithium-Polymer-Akkumulatoren. Bei diesen Typen beträgt die Nennspannung allerdings 3,6V. Sie sind also nicht direkt gegen Batterien austauschbar. Der Ladevorgang ist bei Lithium-Ionen-Akkus vergleichsweise kompliziert. Zuerst wird mit konstantem Strom von maximal 1C geladen (d.h., ein Akku mit 1200mAh darf mit einem Anfangsstrom von 1200mA geladen werden). Erreicht die Zellenspannung 4,2V, wird diese Spannung gehalten, bis der Ladestrom auf 3% des Anfangsstroms gesunken ist (IU-Kennlinie – siehe [2]). Die Ladeschlussspannung muss mit weniger als 50mV Toleranz eingehalten werden. Bei Überladung können sich die Akkus entzünden oder sie explodieren sogar!

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Infrage kommt für den Selbstbau ein Mikrocontroller mit Analog-Digital-Wandler. Bei diesem ist eine Auflösung von 8-Bit ausreichend, denn es gilt:

4,2V ≈ 16 mV 28 Allerdings muss die Schaltung entsprechend rauschfrei entwickelt werden, damit so kleine Spannungsschwankungen tatsächlich gemessen werden können. Aber nicht nur der Ladevorgang ist anspruchsvoll. Auch die Entladung muss überwacht werden, da Lithium-Akkus durch Tiefentladung oder zu hohe Entladeströme beschädigt oder gar zerstört werden. Es empfiehlt sich, neben Spannung und Strom auch die Akkutemperatur zu überwachen – sowohl beim Laden als auch beim Entladen. Treten Temperaturen über 40°C auf ist der Lade-/Entladevorgang abzubrechen. Grundsätzlich gilt für alle Akkumulatoren guter Qualität, dass die Innenwiderstände sehr niedrig sind. Somit können beim Entladen im Kurzschlussfall gefährlich hohe Ströme fließen. Es kann große Hitze entstehen. Zum Brandschutz sind deshalb immer auch Sicherungen vorzusehen. Hier bieten nach wie vor einfache Schmelzsicherungen den zuverlässigsten Schutz. Für das Aufladen der Akkus sollte man Ladegeräte mit Spannungs- und Temperaturüberwachung einsetzen. Diese Ladegeräte schalten die Akkus bei Erreichen der Ladeschlussspannung automatisch in den Ladeerhaltungsbetrieb. Bei alten oder vorgeschädigten Zellen kann der Serienwiderstand (Innenwiderstand Ri ) erhöht sein und/oder der Parallelwiderstand Rp erniedrigt. Dann treten vor allem bei Schnelllade-Vorgängen, mit einhergehenden hohen Ladeströmen erhöhte Verlustleistungen in der Zelle auf, die zu gefährlich hohen Temperaturen führen können. Aus diesem Grund hat ein gutes Ladegerät auch immer eine Temperaturüberwachung eingebaut. Bei zu hoher Zellentemperatur wird dann aus Sicherheitsgründen (Brand, Explosion) der Ladevorgang abgebrochen. 2.1 Batterie-Spannungsquelle für den Betrieb von Sensoren Häufig werden in Versuchsaufbauten widerstandsbasierte Sensoren innerhalb eines Spannungsteilers betrieben um den gewünschten Arbeitspunkt einstellen zu können. Man misst dann die Spannung am Sensor oder am Spannungsteiler-Widerstand. Diese Spannung ist dann das Maß für die zu messende Größe (Licht, Temperatur, etc.). Wenn die Sensorspannung – wie eben bei der Batterieversorgung – zum übrigen Schaltungsaufbau potentialfrei ist, muss man beim Anschluss nichts weiter beachten. Das ist besonders bei Versuchsaufbauten sehr angenehm. Weiterhin ist eine batteriebetriebene Spannungsquelle frei von Brummspannung, die das Messergebnis stören könnte.

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Kapitel 3 • Netzbetriebene Versorgungsgeräte

Kapitel 3 • Netzbetriebene Versorgungsgeräte Die Grundlagen zur netzbetriebenen Versorgung sind in [3] beschrieben. Dazu gehört die Auswahl des Transformators und auch die Gleichrichtung und Siebung bzw. Stabilisierung der gewonnenen Gleichspannung. Natürlich gehören auch sicherheitsrelevante Themen dazu. Allen voran der Schutz vor Berührung netzspannungsführender Teile. Heute sind leistungsfähige, schutzisolierte Schaltnetzteile allgegenwärtig. Jedes Notebook ist damit ausgestattet. Die Geräte liefern am Ausgang eine Gleichspannung, die vom Versorgungsnetz galvanisch getrennt ist. Fast immer sind die Geräte bereits mit Überlast- und Kurzschlussschutz ausgestattet. Die Schutzisolierung bewirkt den Schutz gegen Berühren elektrischer, unter Spannung stehender Teile. Bei dieser Schutzart ist um die betriebsmäßig notwendige Basisisolierung noch eine zusätzliche Isolierung vorgesehen. Auch ein metallenes Gehäuse kann innen oder außen zusätzlich vollständig isoliert werden. Die zusätzliche Isolierung darf an keiner Stelle unterbrochen sein, auch nicht an einem Schalteranschluss. Schutzisolierte Geräte dürfen ein zweipoliges Anschlusskabel haben (also ohne Schutzleiter!) und sind durch ein Symbol mit zwei ineinander liegenden Quadraten gekennzeichnet (Bild 3.1), welche die doppelte Isolierung andeuten. Auf einem fertig gekauften schutzisolierten Netzteil ist dieses Symbol angebracht. Die Schutzisolierung wird auch als Schutzklasse II bezeichnet.

Bild 3.1: Symbol für Schutzisolierung.

Bild 3.2: Fertig gekauftes Schaltnetzteil mit Schutzisolierung.

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In den meisten Fällen ist es sinnvoll, fĂźr die primäre Versorgung eigengebauter Geräte ein solches Netzteil zu kaufen. Ein Beispiel zeigt Bild 3.2. Das Symbol fĂźr die Schutzisolation ist deutlich zu sehen. Damit entfallen alle sonst notwendigen MaĂ&#x;nahmen gegen das BerĂźhren gefährlich hoher Spannungen. Eventuell ist jedoch noch eine Anpassung der vom Netzteil gelieferten Spannung an die Erfordernisse des selbstgebauten Gerätes notwendig. Oftmals ist die Ausgangsspannung bei einfachen, fertig gekauften oder ausrangierten Netzteilen mit hohen Brummspannungen beaufschlagt. Häufig ist zudem die Spannungsregelung unzureichend. Beide Mängel kann man leicht umgehen, wenn man ein Netzteil mit einer etwas zu hohen Ausgangsspannung wählt und im selbstgebauten Gerät eine Spannungsanpassung mit Hilfe eines Linearreglers vorsieht. DarĂźber hinaus ist eine Feinsicherung in Kombination mit einem nachgeschalteten Varaktor oder einer Suppressordiode oder einer Zenerdiode sinnvoll. Ă„hnlich wie in den Abschnitten die Spannungsregelung unzureichend. Beide Mängel kann leicht umgehen, Tritt wenn man ein 1.3 undzudem 2.7 bereits beschrieben, schĂźtzt diese Kombination gut vorman Ăœberspannungen. Netzteil mit einer etwas zu hohen Ausgangsspannung wählt und im selbstgebauten Gerät eine eine Ăœberspannung auf, fĂźhrt dies mit Hilfe des Varistor zum AuslĂśsen der Sicherung. Das Spannungsanpassung mit Hilfe eines Linearreglers vorsieht. angeschlossene Gerät wird geschĂźtzt.

DarĂźber hinaus ist eine Feinsicherung in Kombination mit einem nachgeschalteten Varaktor oder einer Suppressordiode oder einer Zenerdiode sinnvoll. Ă„hnlich wie im Abschnitt 2.7 bereits beschrieben, Gleichzeitig istdiese damit auch ein Schutz zu hohen StrĂśmen realisiert. Tritt ein hoher schĂźtzt Kombination gut vor vor Ăœberspannungen. Tritt eine Ăœberspannung auf,zu fĂźhrt dies mit Hilfe Strom auf, fĂźhrt dieszum ebenfalls zum der Sicherung. des Varaktors AuslĂśsen derAuslĂśsen Sicherung. Das angeschlossene Gerät wird geschĂźtzt. Gleichzeitig ist damit auch ein Schutz vor zu hohen StrĂśmen realisiert. Tritt ein zu hoher Strom auf, fĂźhrt dieses ebenfalls AuslĂśsen der Sicherung. Netzteil aufzubauen, bestehend aus Trotzdem kann GrĂźndezum geben, ein "traditionelles" Netztransformator, Gleichrichter und Glättung bzw. Spannungsstabilisierung. Selbst wenn Trotzdem kanndie es GrĂźnde geben, ein "traditionelles" Netzteil aufzubauen, konventionellen bestehend aus der Grund lediglich sinnvolle Verwertung eines noch vorhandenen Netztransformator, Gleichrichter und Glättung bzw. Spannungsstabilisierung. Selbst wenn der Grund Transformators ist. Manchmal kommt es jedoch auf mĂśglichst reine, stĂśrstrahlungsarme lediglich die sinnvolle Verwertung eines noch vorhandenen konventionellen Transformators Spannungsbereitstellung an. In diesen Fällen sind konventionelle Netzteile sowieso vorteil- ist. Manchmal kommt es jedoch auf mĂśglichst reine, stĂśrstrahlungsarme Spannungsbereitstellung an. In hafter. In diesem Kapitel werden deshalb auch solche "traditionellen" Bauprojekte vorgediesen Fällen sind konventionelle Netzteile sowieso vorteilhafter. In diesem Kapitel werden deshalb stellt.

auch solche "traditionellen" Bauprojekte vorgestellt.

3.1 Netztransformator und Glättung Die prinzipielle Funktion von traditionellen Netzteilen mit Netztransformator, Gleichrichter 3.1 Netztransformator und Glättung und Glättungskondensator wurde [3] eingehend erklärt. In diesem Abschnitt geht es und Die prinzipielle Funktion von in traditionellen Netzteilen mit Netztransformator, Gleichrichter deshalbGlättungskondensator um ergänzende Aspekte. wurde in [3] eingehend erklärt. In diesem Abschnitt geht es deshalb um

ergänzende Aspekte.

3.1.1 Bemessung des Netztransformators FĂźr konventionelle Stromversorgungen werden Netztransformatoren benĂśtigt. Zahlreiche 3.1.1an Bemessung des Netztransformators Messungen Transformatoren wurden bereits im Band 1 vorgestellt [3]. Hier sollen lediglich ein Fragen beantwortet werden,werden die unmittelbar bei der Dimensionierung eines FĂźrpaar konventionelle Stromversorgungen Netztransformatoren benĂśtigt. Zahlreiche Messungen Transformatoren wurden bereits im Band 1 vorgestellt [3]. Hier sollen lediglich ein paar Fragen Netzteilsanaufkommen.

beantwortet werden, die unmittelbar bei der Dimensionierung eines Netzteils aufkommen.

Die benÜtigte Gleichspannung undStrombedarf der Strombedarf sind in der Regel bekanntdurch durch das das zu Die benÜtigte Gleichspannung und der sind in der Regel bekannt zu versorgende Gerät. Die Frage ist, welcher Transformator dafßr benÜtigt wird. versorgende Gerät. Die Frage ist, welcher Transformator dafßr benÜtigt wird. Die erforderliche Leistung fßr den Betrieb des Gerätes ist:

Die erforderliche Leistung fßr den Betrieb des Gerätes ist:

đ?‘ƒđ?‘ƒ!" = đ?‘ˆđ?‘ˆ!" ∙ đ??źđ??ź!" Gleichung {3.1}

{3.1} und Gleichrichter liefern mĂźssen Netztransformator Pgl = erforderliche Leistung, die Gleichung (Gleichstomleistung) Ugl = Gleichspannung zur Versorgung des Gerätes â—? 126 I = Gleichstrom, den das zu versorgende Gerät während des Betriebs aufnimmt gl

Muss die Versorgungsspannung hochgenau sein, dann ist noch ein Längsregler zu berßcksichtigen. Standard-Längsregler benÜtigen eine um 2 bis 3 V hÜhere Eingangsspannung. Damit erhÜht sich der Stromversorgung 2 DE V2 180821.indd 126 17-09-18 Bedarf um:

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beantwortet werden, die unmittelbar bei der Dimensionierung eines Netzteils aufkommen. Die benÜtigte Gleichspannung und der Strombedarf sind in der Regel bekannt durch das zu versorgende Gerät. Die Frage ist, welcher Transformator dafßr benÜtigt wird. Die erforderliche Leistung fßr den Betrieb des Gerätes ist:

Kapitel 3 • Netzbetriebene Versorgungsgeräte

đ?‘ƒđ?‘ƒ!" = đ?‘ˆđ?‘ˆ!" ∙ đ??źđ??ź!" Gleichung {3.1}

erforderliche Leistung, die Netztransformator und Gleichrichter liefern mßserforderliche Leistung, die Netztransformator und Gleichrichter liefern mßssen PPglgl= = sen (Gleichstomleistung) (Gleichstomleistung) Gleichspannung zur Versorgung des Gerätes Gleichspannung zur Versorgung des Gerätes UUglgl= = Gleichstrom, den das versorgende Gerät während des Betriebs IglIgl= = Gleichstrom, denzudas zu versorgende Gerät während desaufnimmt Betriebs aufnimmt

Muss die Versorgungsspannung hochgenau sein, dann nochein einLängsregler Längsregler zu Muss die Versorgungsspannung hochgenau sein, dann istist noch zuberßcksichtigen. berßckStandard-Längsregler benÜtigen eine um 2 bis 3 V hÜhere Eingangsspannung. Damit erhÜht sich der sichtigen. Standard-Längsregler benÜtigen eine um 2 bis 3 V hÜhere Eingangsspannung. Bedarf um: Damit erhÜht sich der Bedarf um:

đ?‘ƒđ?‘ƒ!" = 3đ?‘‰đ?‘‰ ∙ đ??źđ??ź!" Gleichung {3.2}

Gleichung {3.2}

PLV = Verlustleistung am Längsregler Igl = Gleichstrom, den das zu versorgende Gerät während des Betriebs aufnimmt

PLV = Verlustleistung am Längsregler das zu versorgende Gerät während des Betriebs aufnimmt I Meistens wird nach demden Transformator zur Gleichrichtung eine Brßckenschaltung eingesetzt. An den gl = Gleichstrom,

Dioden fällt jeweils etwa 0,7 V Schleusenspannung ab. Im Energieweg zwischen Transformator und

zuwird versorgendem Gerät befinden sichzur insgesamt vier Dioden. ProBrßckenschaltung Halbschwingung sind jeweils zwei Meistens nach dem Transformator Gleichrichtung eine eingedavon Reihe geschaltet. Somit die Leistung, die derab. Transformator aufbringen setzt. An den in Dioden fällt jeweils etwaerhÜht 0,7 Vsich Schleusenspannung Im Energieweg zwi- muss, nochmals um: und zu versorgendem Gerät befinden sich insgesamt vier Dioden. schen Transformator Pro Halbschwingung sind jeweils zwei davon in Reihe geschaltet. Somit erhÜht sich die 92 Leistung, die der Transformator aufbringen muss, nochmals um:

đ?‘ƒđ?‘ƒ!" = đ??źđ??ź!" ∙{3.3} 1,4đ?‘‰đ?‘‰ Gleichung {3.3} Gleichung

đ?‘ƒđ?‘ƒ!" = đ??źđ??ź!" ∙ 1,4đ?‘‰đ?‘‰ Gleichung {3.3} Verlustleistung Gleichrichter P Pgege= =Verlustleistung amam Gleichrichter denden dasdas zu versorgende GerätGerät während des Betriebs aufnimmt Igl gl= =Gleichstrom, Gleichstrom, zu versorgende während des Betriebs aufnimmt I Pge =

Verlustleistung am Gleichrichter

die Leistung, die der Transformator auf der derwährend Sekundärseite bereitstellen muss,muss, bekannt. Es ist Gleichstrom, das zu versorgendeauf Gerät des Betriebs aufnimmt Igl =dieistLeistung, Damit Damit ist dieden der Transformator Sekundärseite bereitstellen die Summe der drei Einzelleistungen bekannt. Es ist die Summe der drei Einzelleistungen

Damit ist die Leistung, die der Transformator auf der Sekundärseite bereitstellen muss, bekannt. Es ist đ?‘ƒđ?‘ƒ!"#$% = đ?‘ƒđ?‘ƒ!" + đ?‘ƒđ?‘ƒ!" + đ?‘ƒđ?‘ƒ!" Gleichung {3.4} die Summe der drei Einzelleistungen Gleichung {3.4}

Als nächstes stellt sich die Frage, wie=hoch dieđ?‘ƒđ?‘ƒeffektive Wechselspannung des đ?‘ƒđ?‘ƒ!"#$% đ?‘ƒđ?‘ƒ!" + Gleichung {3.4} !" + đ?‘ƒđ?‘ƒ!"ausgangsseitige Transformators sein muss, um nach der Gleichrichtung die gewĂźnschte Ausgangsspannung Als nächstes stellt sich diekann Frage, wie hoch die effektive ausgangsseitige Wechselspannung bereitzustellen. Hier helfen. erforderlichen, Angaben zur Als nächstes stellt sich die[2] Frage, wieDie hoch die effektive praxisrelevanten ausgangsseitige Wechselspannung des des Transformators sein muss, um nach der Gleichrichtung gewĂźnschte AusgangsspanDimensionierung vonmuss, Netzteilen sindder dort im Kapitel 11.5 (ruhende Maschinen) zu finden. Damit Transformators sein um nach Gleichrichtung diedie gewĂźnschte Ausgangsspannung nung bereitzustellen. Hierdes kann helfen. erforderlichen, praxisrelevanten Angaben gelingt die Auswahl geeigneten Transformators auch praxisrelevanten ohne viel Rechnerei. Alternativ bereitzustellen. Hier kann [2][2] helfen. Die Die erforderlichen, Angaben zur hilft [12]. zur Dimensionierung von sind imKapitel Kapitel11.5 11.5 (ruhende Maschinen) zuBelastung fin-Damit Bei der meist eingesetzten BrĂźckengleichrichterschaltung kann man bei rein ohmscher Dimensionierung vonNetzteilen Netzteilen sind dort dort im (ruhende Maschinen) zu finden. annehmen: den. Damit gelingt die Auswahl des geeigneten Transformators auch ohne vielAlternativ Rechnerei. gelingt die Auswahl des geeigneten Transformators auch ohne viel Rechnerei. hilft [12]. Bei hilft der meist BrĂźckengleichrichterschaltung kann man bei rein ohmscher Alternativ [12].eingesetzten Bei der meist eingesetzten BrĂźckengleichrichterschaltung kann Belastung man !!"## bei reinannehmen: ohmscher Belastung annehmen: = 1,11 Gleichung {3.5} !!"

!!"##

= 1,11 des Gleichung {3.5} UTeff= Effektivspannung an der Sekundärwicklung Transformators !!" Ugl= arithmetischer Mittelwert der Ausgangsgleichspannung Gleichung {3.5} UTeff= Effektivspannung an der Sekundärwicklung des Transformators und bei Belastung mit Gegenspannung (z.B. mit Kondensatoren, Akkumulatoren oder Ugl= arithmetischer Mittelwert der Ausgangsgleichspannung Gleichstrommotoren) und bei Belastung mit Gegenspannung (z.B. mit Kondensatoren, Akkumulatoren oder !!"## Gleichstrommotoren) = 0,8 Gleichung {3.6} !!"

!!"##

â—? 127

= 0,8 Gleichung {3.6} !!" dem Brßckengleichrichter immer Glättungskondensatoren In elektronischen Schaltungen sind nach

vorgesehen. Deshalb gilt der Wert 0,8. Werden fßr den Betrieb der Schaltung z.B. 9 V benÜtigt, dann 17-09-18 13:09 eine effektive Sekundärspannung von mindestens 7,2 V aufweisen. Diese In elektronischen Schaltungen sind nach dem Brßckengleichrichter immer Glättungskondensatoren

Stromversorgung 2 DE V2 180821.indd muss der127 Netztransformator

= helfen. đ?‘ƒđ?‘ƒ!" + đ?‘ƒđ?‘ƒ + đ?‘ƒđ?‘ƒ!" Gleichung {3.4} bereitzustellen. Hierđ?‘ƒđ?‘ƒ!"#$% kann [2] Die praxisrelevanten Angaben zur !" erforderlichen, Dimensionierung von Netzteilen sind dort im Kapitel 11.5 (ruhende Maschinen) zu finden. Damit Als nächstes stellt sich die Frage, wie hoch die effektive ausgangsseitige Wechselspannung des gelingt diesich Auswahl des geeigneten Transformators auch ohne viel Rechnerei. Alternativ Als nächstes stellt die Frage, wie hoch die effektive ausgangsseitige Wechselspannung des hilft [12]. Transformators sein muss, um nach der Gleichrichtung die gewĂźnschte Ausgangsspannung Bei dersein meist eingesetzten kannAusgangsspannung man bei rein ohmscher Belastung Transformators muss, um nach BrĂźckengleichrichterschaltung der Gleichrichtung die gewĂźnschte bereitzustellen. Hier kann [2] helfen. Die erforderlichen, praxisrelevanten Angaben zur annehmen: bereitzustellen. Hier kann [2] helfen. Die erforderlichen, praxisrelevanten Angaben zur Dimensionierung von Netzteilen sind dort im Kapitel 11.5 (ruhende Maschinen) zu finden. Damit Dimensionierung von Netzteilen sind dort im Kapitel 11.5 (ruhende Maschinen) zu finden. Damit gelingt die Auswahl des geeigneten Stromversorgung ohne Stress, Transformators Band 2 !!"## auch ohne viel Rechnerei. Alternativ hilft [12]. gelingt die Auswahl des geeigneten Transformators ohne viel Rechnerei. Alternativ hilft [12]. =auch 1,11 Gleichung Bei der meist eingesetzten BrĂźckengleichrichterschaltung kann man bei {3.5} rein ohmscher Belastung !!" Bei der meist eingesetzten BrĂźckengleichrichterschaltung kann man bei rein ohmscher Belastung annehmen: annehmen: U = Effektivspannung der Sekundärwicklung des Transformators Teff UTeff = Effektivspannung an!!"## deran Sekundärwicklung des Transformators = arithmetischer Mittelwert der Ausgangsgleichspannung U ! = 1,11 Gleichung {3.5} !"##der Ausgangsgleichspannung = arithmetischer Mittelwert Uglgl ! = 1,11 Gleichung {3.5} !"

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und beiund Belastung mit mit Gegenspannung mit Kondensatoren, Kondensatoren, Akkumulatoren bei Belastung Gegenspannung(z.B. (z.B. mit Akkumulatoren oder oder UTeff= Effektivspannung an der Sekundärwicklung des Transformators Gleichstrommotoren) Gleichstrommotoren) U an der Sekundärwicklung des Transformators Teff= Effektivspannung Ugl= arithmetischer Mittelwert der Ausgangsgleichspannung Ugl= arithmetischer Mittelwert der Ausgangsgleichspannung !!"##

= 0,8 Gleichung {3.6} und bei Belastung mit Gegenspannung (z.B. mit! Kondensatoren, Akkumulatoren oder und bei Belastung mit Gegenspannung (z.B. mit!"Kondensatoren, Akkumulatoren oder Gleichstrommotoren) Gleichstrommotoren) Gleichung {3.6} In elektronischen Schaltungen !!"##sind nach dem BrĂźckengleichrichter immer Glättungskondensatoren = 0,8. 0,8 Werden Gleichung {3.6} !"## vorgesehen. Deshalb gilt der! Wert fĂźr den Betrieb der Schaltung z.B. 9 V benĂśtigt, dann !!" = 0,8 Gleichung {3.6} In elektronischen Schaltungen sind nach dem BrĂźckengleichrichter immer Glättungskon!" effektive Sekundärspannung von mindestens 7,2 V aufweisen. Diese muss der Netztransformator ! eine densatoren vorgesehen. Deshalb gilt der Wert 0,8. Werden fĂźr den Betrieb der Schaltung Spannung ist allerdings im Leerlauf hĂśher. In [3] wurde in Reihenuntersuchungen festgestellt, dass Inz.B. elektronischen Schaltungen sindder nach dem BrĂźckengleichrichter immer Glättungskondensatoren 9 V benĂśtigt, dann muss Netztransformator eine effektive Sekundärspannung besondersSchaltungen bei Transformatoren kleiner Leistung die Leerlaufspannungvon deutlich In elektronischen sind nachmit demBlechpaketen BrĂźckengleichrichter immer Glättungskondensatoren vorgesehen. Deshalb gilt der WertDiese 0,8. Werden fĂźr den der Schaltung z.B. 9 V benĂśtigt, dann mindestens 7,2 V Spannung ist Betrieb allerdings Leerlauf hĂśher. [3] wurde hĂśher ist alsaufweisen. die Spannung bei Werden Nennbelastung. vorgesehen. Deshalb gilt der Wert 0,8. fĂźr den Betrieb derim Schaltung z.B. 9 V In benĂśtigt, dann muss der Netztransformator eine effektive Sekundärspannung vonTransformatoren mindestens 7,2 V aufweisen. Diese in Reihenuntersuchungen festgestellt, dass besonders bei Blechpakemuss der Netztransformator eine effektive Sekundärspannung von mindestens 7,2 Vmit aufweisen. Diese Spannung ist allerdings im Leerlauf hĂśher. In [3] wurde in Reihenuntersuchungen festgestellt, dass Beispiel: Eine die Schaltung benĂśtigt und zieht in maximal Strom vonfestgestellt, 500bei mA.NennbeDie Schaltung soll ten kleiner deutlich hĂśher isteinen als die Spannung Spannung istLeistung allerdings im Leerlaufspannung Leerlauf hĂśher. 9InV[3] wurde Reihenuntersuchungen dass besonders bei Transformatoren mit Blechpaketen kleiner Leistung die Leerlaufspannung deutlich mit Standard-Netzteil, bestehend aus Netztransformator, BrĂźckengleichrichter und besonders beieinem Transformatoren mit Blechpaketen kleiner Leistung die Leerlaufspannung deutlich lastung. hĂśher ist als die Spannung bei Nennbelastung. versorgt werden. Zwischen Netzteil und Schaltung ist ein Linearregler hĂśher ist Glättungskondensator als die Spannung bei Nennbelastung. vorgesehen. Beispiel: Eine Schaltung benĂśtigt maximal von 500 mA. Die SchalBeispiel: Eine Schaltung benĂśtigt 9 V9 V undund ziehtzieht maximal eineneinen StromStrom von 500 mA. Die Schaltung soll Beispiel: Eine Schaltung benĂśtigt 9 V und zieht maximal einen Strom von 500 mA. Die Schaltung soll tung sollStandard-Netzteil, mit einem Standard-Netzteil, bestehend aus Netztransformator, mit einem bestehend aus Netztransformator, BrĂźckengleichrichter BrĂźckengleichund der Netztransformator auf der Sekundärseite mindestens Die Leistung PTrafo, die mit einem Standard-Netzteil, bestehend aus Netztransformator, BrĂźckengleichrichter und liefern muss, ist somit Glättungskondensator versorgt werden.versorgt Zwischenwerden. Netzteil Zwischen und Schaltung ist ein Linearregler richter und Glättungskondensator Netzteil und Schaltung ist ein nach Gleichung {3.4}:werden. Zwischen Glättungskondensator versorgt Netzteil und Schaltung ist ein Linearregler vorgesehen. Linearregler vorgesehen. vorgesehen. đ?‘ƒđ?‘ƒ

= 9đ?‘‰đ?‘‰ ∙ 0,5đ??´đ??´ + 3đ?‘‰đ?‘‰ ∙ 0,5đ??´đ??´ + 1,4đ?‘‰đ?‘‰ ∙ 0,5đ??´đ??´

!"#$% , die, der Netztransformator auf der Sekundärseite mindestens liefern muss, ist somit Die PTrafo der Netztransformator auf der Sekundärseite DieLeistung Leistung PTrafo , die die der Netztransformator auf der Sekundärseite liefern muss, liefern ist somit Die Leistung PTrafo đ?‘ƒđ?‘ƒ!"#$% = 6,7đ?‘Šđ?‘Šmindestensmindestens nach Gleichung {3.4}: muss, ist somit{3.4}: nach Gleichung {3.4}: nach Gleichung

Dabei wurden 1,4 V fĂźr = den9đ?‘‰đ?‘‰ BrĂźckengleichrichter 3 V fĂźr den Standard-Linearregler. đ?‘ƒđ?‘ƒ!"#$% ∙ 0,5đ??´đ??´ + 3đ?‘‰đ?‘‰ ∙ 0,5đ??´đ??´angesetzt + 1,4đ?‘‰đ?‘‰ und ∙ 0,5đ??´đ??´ đ?‘ƒđ?‘ƒ!"#$% =wird 9đ?‘‰đ?‘‰ ∙demnach 0,5đ??´đ??´ + eine 3đ?‘‰đ?‘‰ ∙Spannung 0,5đ??´đ??´ + 1,4đ?‘‰đ?‘‰ ∙ 0,5đ??´đ??´ Am Glättungskondensator benĂśtigt von 9 V+3 V = 12 V. Die effektive đ?‘ƒđ?‘ƒ!"#$% = 6,7đ?‘Šđ?‘Š đ?‘ƒđ?‘ƒ!"#$% auf = der6,7đ?‘Šđ?‘Š Sekundärseite anbieten muss, ist also nach Gleichung Spannung UTeff, die der Transformator {3.6}: Dabei wurden 1,4 V fĂźr den BrĂźckengleichrichter angesetzt und 3 V fĂźr den Standard-Linearregler. Dabeiwurden wurden fĂźr BrĂźckengleichrichter den BrĂźckengleichrichter angesetzt und fĂźr den StandardDabei 1,41,4 V V fĂźr den angesetzt und 3 V fĂźr den3 V Standard-Linearregler. Am Glättungskondensator wird demnach eine Spannung benĂśtigt von 9 V+3 V = 12 V. Die effektive Am Glättungskondensator wird demnach eineđ?‘ƒđ?‘ƒ!"## Spannung benĂśtigt von 9 Spannung V+3 V = 12 V. Die effektive = 12đ?‘‰đ?‘‰ ∙ 0,8đ??´đ??´ = 9,6đ?‘‰đ?‘‰ Linearregler. Am Glättungskondensator wird demnach eine benĂśtigt von Gleichung Spannung UTeff, die der Transformator auf der Sekundärseite anbieten muss, ist also nach der effektive Transformator auf derUSekundärseite anbieten muss, ist also nach Gleichung Spannung UTeff, dieDie , die der Transformator auf der Sekundärseite 9 V+3 V = 12 V. Spannung Teff {3.6}: 93 {3.6}: anbieten muss, ist also nach Gleichung {3.6}:

đ?‘ƒđ?‘ƒ!"## = 12đ?‘‰đ?‘‰ ∙ 0,8đ??´đ??´ = 9,6đ?‘‰đ?‘‰ đ?‘ƒđ?‘ƒ!"## = 12đ?‘‰đ?‘‰ ∙ 0,8đ??´đ??´ = 9,6đ?‘‰đ?‘‰

93 93 Einen Transformator mit diesen Werten gibt es natßrlich nicht zu kaufen. Man wählt einen Transformator mit den nächst hÜheren Werten. Hier etwa einen Transformator, der mindestens eine Leistung von 8 VA oder 10 VA abgeben kann. Bei Transformatoren erfolgt die Angabe der Leistung in VA, da er Scheinleistung aufnimmt - mit mehr oder weniger hohem Wirkleistungsanteil.

Die Sekundärspannung des Transformators sollte nicht wesentlich grĂśĂ&#x;er sein als der errechnete Wert. Andernfalls steigt die Verlustleistung im Regler unnĂśtig an. Eine Sekundärspannung von 10 V wäre in diesem Beispiel angemessen.

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Stromversorgung ohne Stress, Band 2

Kapitel 4 • Dies und Das In diesem Kapitel sind die Themen untergebracht, die in keines der anderen Kapitel passten oder kapitelübergreifend anzusehen sind. 4.1 Programmierung der Mikrocontroller MSP430 Die Programmierung der in diesem Buch verwendeten Mikrocontroller (Typ MSP430) erfolgt im einfachsten Fall über den seriellen Bus "Spy-Bi-Wire". Man benötigt dazu ein USB-to-SpyBiWire-Adapter. Diese kann man von der Firma "Texas Instruments" kaufen. Bild 4.1 zeigt ein Exemplar. Diese Art Adapter haben jedoch viele Nachteile: • Sie verlangen einen Online-Zugang. Es werden sehr häufig automatische "Updates" durchgeführt. Nach meinen Erfahrungen muss man bei ca. jedem zweiten Programmiervorgang warten, weil ein "Update" durchgeführt wird. Wenn ein Update fehlgeschlagen ist, dann wird es beim nächsten Programmierversuch erneut gestartet. Es wird dann irgendwann ein Update geben, welches verhindert, dass weiterhin der gerade verwendete Mikrocontroller-Typ programmiert werden kann. Spätestens dann ist man gezwungen sich in einen neuen Typ Mikrocontroller einzuarbeiten. • Sie machen das Anfertigen von individuellen Anschlusssteckern bzw. weitere passiver Adapter nicht überflüssig (im Bild 4.1 ist an der rechten Seite ein passiver Adapter zu sehen, mit dem man dann auf dem Zielboard andockt). • ein weiterer Nachteil ist der hohe Preis der Adapter.

Bild 4.1: Programmieradapter für die MSP-Mikrocontroller der Firma Texas Instruments. Rechts ein selbst angefertigter passiver Adapter, um am Zielboard andocken zu können. Wesentlich preiswerter und einfacher in der Handhabung ist es, wenn man sich eines der preiswerten LaunchPads anschafft und dort den Spy-Bi-Wire-Bus anzapft. Zum Beispiel das im Bild 4.2 dargestellte LaunchPad MSP-EXP430G2. Auf diesem ist eine USB-Anschlussbuchse und ein Umsetzer USB nach Spy-Bi-Wire enthalten. Der Spy-Bi-Wire-Bus besteht nur aus drei Leitungen, hinter denen sich die folgenden Funktionalitäten verbergen:

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Kapitel 4 • Dies und Das

TEST: RST: GND:

serieller Takt (Clk) Daten (TDO/TDI) Masse, gemeinsames Bezugspotential

Vorgehensweise: Man entfernt den Mikrocontroller auf dem LaunchPad aus der Fassung und verbindet die drei Leitungen mit dem zu programmierenden Board. Am einfachsten lötet man die Anschlüsse an das Launchpad (Bild 4.2b) – und auf der anderen Seite an den zu programmierenden Controller bzw. an das zu programmierende Board. Will man den Mikrocontroller in der Fassung belassen, so entfernt man am besten alle 5 Jumper, die zwischen dem "Programmierchip" und dem Launchboard angeordnet sind (Bild 4.2c). Man kann dann den Spy-Bi-Wire-Bus, wie im Bild 4.2d zu sehen, anlöten. Auf diese Weise konnte ich sehr unproblematisch alle hier vorgestellten Mikrocontroller-Projekte (mit MSP430F2xxx und MSP430G2xxx) programmieren. Als Programmierumgebung verwendet man am besten den "CodeComposer". Diesen gibt es auch in einer Freeware-Version. Bei dieser Version ist lediglich die Codelänge eingeschränkt. Dies hat jedoch für die in diesem Buch vorgestellten Projekte keine Relevanz. Ein großer Vorteil des "CodeComposers" ist, dass er weit verbreitet ist und folglich im Internet viele Foreneinträge dazu zu finden sind, die einem weiterhelfen können.

Bild 4.2: Texas Instruments LaunchPad MSP-EXP430G2 mit angezapftem Spi-Bi-Wire-Bus.

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4.2a: IC1 entfernt – sonst keine Änderung. 4.2b: Von oben nach unten: GND, TEST, RST 4.2c: Jumperstellung für getrennte Verbindungsleitungen. IC1 könnte jetzt in der Fassung bleiben 4.2d: Von links nach rechts: TEST, RST, GND. 4.2 Parallelschaltung von Spannungsreglern Spannungsregler lassen sich ohne Selektion nicht parallel schalten, weil zu große Stromunterschiede durch Streuungen der Referenzwege im IC auftreten. Nur bei einer verhältnismäßig engen Selektion sind sie im Parallelbetrieb einsatzfähig. Eine einfache Lösung stellt die Symmetrierung durch ein Symmetrier-Potentiometer im Fußpunkt dar. Bei dieser Schaltung (Bild 4.3) kann auf eine Selektion verzichtet werden. Der Innenwiderstand der Gesamtschaltung wird dadurch nur geringfügig größer als der Innenwiderstand eines einzelnen ICs (die Ausgangsspannung wird etwas "weicher"). Die Kondensatoren von 100 nF am Eingang der Spannungsregler haben sich als erforderlich erwiesen. Ohne diese Kondensatoren gibt es am Eingang Schwingungen, die bei Lastwechsel ein sprunghaftes (Hysterese) Verhalten verursachen. Die Strommesser dienen zum Abgleich der Schaltung mit dem Trimmpotentiometer R1. Man schließt am Ausgang (J3 und J4) einen Lastwiderstand an und stellt R1 so ein, dass beide Strommesser den gleichen Strom anzeigen.

Bild 4.3: Parallelschaltung von Festspannungsreglern. 4.3 Sanftanlauf Die Glühlampen wurden von LEDs verdrängt. Zwischenzeitlich haben Glühlampen kaum noch eine Bedeutung. Bei einer Anwendung in unserem Institut wurden kleine Glühlämpchen in erster Linie als Heizelement verwendet. Sie sollen Temperatursensoren aktivieren. Die Lichtabstrahlung war dabei lediglich eine praktische Beigabe: Man erkennt, welcher Sensor gerade aktiviert wird. Die Verwendung von Glühlampen als Heizelement hat viele Vorteile: Glühlampen sind für hohe Temperaturen vorgesehen – man muss in dieser Hin-

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Kapitel 4 • Dies und Das

sicht nicht sorgfältig das Einsatzgebiet mit den Eigenschaften von z.B. Heizwiderständen abwägen. AuĂ&#x;erdem erzeugen sie nicht nur Wärme Ăźber Konvektion sondern senden auch Infrarot-Strahlung aus. Reagiert der Sensor stark auf diese Strahlung, dann kommt man mit wesentlich weniger Leistung aus als wenn man Heizwiderstände einsetzen wĂźrde. Die Nutzungsdauer einer GlĂźhlampe, die mit ihrer Nennspannung betrieben wird, ist typischerweise mit 1000 h angegeben bzw. garantiert. Tatsächlich werden die GlĂźhfäden der GlĂźhlampen vor allem durch den sehr hohen Einschaltstrompuls zerstĂśrt. Im Einschaltaugenblick nimmt die GlĂźhlampe einen Strom auf, der ca. 10fach grĂśĂ&#x;er ist als der Nennstrom. Ursache ist, die aus Wolfram bestehende GlĂźhwendel, die einen hohen positiven Temperaturbeiwert aufweist. Mit zunehmender Temperatur wird der Widerstand der GlĂźhwendel dann grĂśĂ&#x;er und der Strom sinkt auf den Nennwert ab. Durch eine langsam ansteigende Versorgungsspannung kann der hohe Einschaltstrompuls vermieden werden. Im Bild 4.4 ist ein Schaltungsvorschlag zu sehen, der erfolgreich zum schonenden Anlaufen von 6-V-GlĂźhlämpchen verwendet wurde. Gleichzeitig ist die Schaltung so ausgelegt, dass die GlĂźhlämpchen nicht mit der Nennspannung von 6 V betrieben werden, sondern mit ca. 5,2 V. Mit abnehmender Betriebsspannung steigt die Nutzungsdauer von GlĂźhlampen aber exponentiell an. Beide MaĂ&#x;nahmen zusammen erhĂśhen deshalb die Nutzungsdauer signifikant. Kern der Schaltung ist der lineare Spannungsregler LM317. Manche Bauteile bleiben Ăźber Jahrzehnte bei den beliebt. Dazu zählt auch dieserBauteile Spannungsregler. ältesKern der Schaltung istEntwicklern der lineare Spannungsregler LM317. Manche bleiben ĂźberDie Jahrzehnte tenden Unterlagen, diebeliebt. ich Ăźber dieses gefunden habe, stammen aus dem Jahre 1977. bei Entwicklern Dazu zählt Bauteil auch dieser Spannungsregler. Die ältesten Unterlagen, die ich Das dieses Bauteil wird gefunden auch heute eingesetzt, wenn1977. ein universell linearer Ăźber Bauteil habe,noch stammen aus dem Jahre Das Bauteileinsetzbarer wird auch heute noch eingesetzt, wenn einbenĂśtigt universellwird. einsetzbarer Spannungsregler benĂśtigt wird. So auch im Spannungsregler So auchlinearer im vorliegenden Projekt.

vorliegenden Projekt. Der beiden Widerstände R6 und gebildete Spannungsteiler stellt die Ausgangsspannung Derdurch durchdiedie beiden Widerstände R6R7und R7 gebildete Spannungsteiler stellt die Ausam Kondensator C2 ein auf: gangsspannung am Kondensator C2 ein auf:

đ?‘ˆđ?‘ˆ!! ≈ 1,25 đ?‘‰đ?‘‰ 1 +

��! 2400�� = 1,25 �� 1 + ��! 560��

≈ 6,6 đ?‘‰đ?‘‰

Parallel zu R7 liegt aber die Emitter-Kollektor-Strecke von T3 sowie die Reihenschaltung aus R8 und Parallel zu R7 liegt aber die Emitter-Kollektor-Strecke von T3 sowie die Reihenschaltung aus C1. Beim Einschalten ist C1 leer, so dass die Basis von T3 auf Massepotential liegt. T3 leitet daher R8 und C1. Beim Einschalten ist C1 leer, so dass die Basis von T3 auf Massepotential liegt. und schlieĂ&#x;t R7 kurz. Der mittlere Anschluss des Spannungsreglers liegt daher ebenfalls an Masse. T3 leitet daher und schlieĂ&#x;t R7 kurz. Der mittlere Anschluss des Spannungsreglers liegt Die Spannung am Ausgang des LM317 setzt sich zusammen aus der 1,25-V-Referenzsspannung (die daher zwischen ebenfallsdem an Masse. DieOUT Spannung am Ausgang sich zusammen aus immer Anschluss und ADJ anliegt, weildes das LM317 IC diesesetzt Spannung konstant hält) der 1,25-V-Referenzsspannung (dieUimmer zwischen dem Anschluss OUT und ADJ anliegt, des Transistors: zuzĂźglich der Basis-Emitter-Spannung BE weil das IC diese Spannung konstant hält) zuzĂźglich der Basis-Emitter-Spannung UBE des Transistors: UOUT = UREF + UBE = 1,25V + 0,65V = 1,9V

Ist R5 nicht bestĂźckt, dannUlädt C1 nach dem Versorgungsspannung Ăźber R6 und R8 = UREF + UBE = Anlegen 1,25V +der 0,65V = 1,9V OUT sich auf. Als Folge steigt die Spannung am Kondensator (und damit die Basisspannung von T3) langsam an. Spannung am Emitter folgtdem diesem Anstiegder (T3Versorgungsspannung ist als Emitterfolger Ist Die R5 nicht bestĂźckt, danndes lädtTransistors sich C1 nach Anlegen Ăźber geschaltet), wodurch auch die Ausgangsspannung des Reglers langsam zunimmt. Wenn der R6 und R8 auf. Als Folge steigt die Spannung am Kondensator (und damit die sich BasisspanKondensator voll aufgeladen hat, sperrt T3 und beeinträchtigt den Regler nicht weiter. nung von T3) langsam an. Die Spannung am Emitter des Transistors folgt diesem Anstieg Die beiden Dioden D1 und D2 sorgen mit ihrer Schleusenspannung von insgesamt 1,4 V dafĂźr, dass die 1,25-V-Mindestspannung am Ausgang blockiert wird. Die ungefähre Spannung unmittelbar nach dem Einschalten errechnet sich also an den Klemmen X1 und X2 wie folgt: â—? 207

1,9V - 1,4V = 0,5V. StromversorgungDie 2 DEAusgangsspannung V2 180821.indd 207

nach dem Hochlaufvorgang ist dann

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Franz Peter Zantis

Eines haben alle elektronischen Schaltungen und Geräte gemeinsam: Ihre Funktion steht und fällt mit der Stromversorgung. Schon deshalb muss man dieser Baugruppe besondere Aufmerksamkeit widmen. Beschäftigte sich Band 1 (erschienen bei Elektor, ISBN 9783-89576-248-2) mit den Grundlagen und Schaltungen der Stromversorgungstechnik für elektronische Geräte aus der Praxis, bietet der zweite Band neben direkt verwertbaren Grundlageninformationen eine Sammlung verschiedener praktischer Anleitungen und Applikationen sowie Bauanleitungen. Damit ist das Buch für jeden ambitionierten Elektronik-Praktiker eine wertvolle Bereicherung seiner Gestaltungsmöglichkeiten. Aus dem Inhalt: Kapitel 1 • Messungen an Spannungs- und Stromquellen Kapitel 2 • Mobile Spannungs- und Stromquellen

ISBN 978-3-89576-331-1

STROMVERSORGUNG OHNE STRESS – BAND 2

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Franz Peter Zantis ist Energieanlagenelektroniker und Ingenieur der Nachrichtentechnik. In einem Forschungsprojekt hat er sich ausführlich mit der Stromversorgung von eigensicheren Geräten auseinandergesetzt und zahlreiche Beiträge zum Thema Schaltnetzteile veröffentlicht.

OHNE STRESS – BAND 2

STROMVERSORGUNG OHNE STRESS – 2

STROMVERSORGUNG

ANWENDUNGEN, APPLIKATIONEN UND BAUANLEITUNGEN

FRANZ PETER ZANTIS

ANWENDUNGEN, APPLIKATIONEN UND BAUANLEITUNGEN

Kapitel 3 • Netzbetriebene Versorgungsgeräte

Elektor-Verlag GmbH 52072 Aachen www.elektor.de

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Kapitel 4 • Verschiedene Themen zur Stromversorgung, unter anderem auch zur drahtlosen Energieübertragung.

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