Im Jahr 2003 kam erstmals die gedruckte Version des Netzteil- und Konverter-Handbuches in den Buchhandel. Nach meinem Ausstieg aus der Firma Trifolium habe ich mich entschlossen, in einer Art Modellprojekt eine verbesserte und erweiterte Auflage des Buches als Online-Publikation frei zugänglich zu machen und den Inhalt auch weiterhin nach und nach zu überarbeiten. Anregungen und Kritik kann ich dabei zur Korrektur und Verbesserung des Inhaltes verwenden.
In diesem Buch dreht es sich um das große Thema
Stromversorgung. Dabei geht es weniger um die großräumige
Energieversorgung als viel mehr um „haustechnische“ Größenordnungen für
private und gewerbliche Anwendungen, die sich meistens im Bereich unter
1 kW bewegen. Neben den klassischen Stromversorgungen, die sich durch
schlechten Wirkungsgrad, großes Bauvolumen und Gewicht auszeichnen,
möchte ich vor allem auf die getakteten Spannungswandler eingehen.
Durch die Entwicklung neuer preiswerter Leistungshalbleiter und ICs
werden getaktete Stromversorgungen immer interessanter. Wer schon
einmal verschiedene Schaltnetzteile näher untersucht hat, wird
festgestellt haben, dass eine Standardisierung der verwendeten
Schaltungen in weiter Ferne liegt. Der Aufwand für Steuer- und
Überwachungsfunktionen, der in vielen dieser Geräte getrieben wird, ist
erschreckend hoch. Nicht zuletzt deshalb ist heutzutage kaum noch ein
Techniker in der Lage, solche Netzteile zu reparieren. Ich will in
diesem Buch zeigen, dass man selbst bei hohen Wandlerleistungen mit
einfachen und übersichtlichen Schaltungen auskommen kann und dass die
häufigen Berührungsängste von Technikern und Ingenieuren mit getakteten
Wandlern in vielen Fällen unbegründet sind. Während sekundär getaktete
Stromversorgungen auch beim Selbstbau für Amateurelektroniker einen
leichten Einstieg in die Welt der Schaltnetzteile bieten, bleiben
primär getaktete Netzteile nur fortgeschrittenen Technikern und Profis
vorbehalten. Primär getaktete Netzteile sind bzw. enthalten
sicherheitsrelevante Baugruppen, deren Bau viel Erfahrung und
Fachwissen erfordert, das ich in diesem Buch nicht vermitteln will.
Hier rate ich dringend, zunächst zumindest Reparatur- oder
Umbauerfahrungen zu sammeln, um einen Einblick zu erhalten, worauf man
beim Aufbau achten muss, soweit es in diesem Buch nicht beschrieben
ist.
Mir geht es mehr darum zu zeigen, wie man mit
geringstmöglichen Schaltungsaufwand funktionierende Stromversorgungen
aufbauen kann. Eine ausführliche Schaltungsbeschreibung sollte es dem
versierten Techniker leicht ermöglichen, die Schaltungen an seine
eigenen Bedürfnisse anzupassen. Sie werden sehen, dass bestimmte
Schaltungsmodule immer wieder eingesetzt und vielfältig kombiniert
werden können. Für Leser mit theoretischen Vorkenntnissen haben ich
auch einiges theoretisches Hintergrundwissen aufgeschrieben. Dadurch
sollten viele Berechnungen und Formeln nachvollziehbar und überprüfbar
sein. Dieses Wissen ist zum Bau der meisten Schaltungen nicht
erforderlich und sollte den praktischen Anwender nicht abschrecken. Da
dieses Buch in erster Linie für die praktische Anwendung gedacht ist,
habe ich mich bei den theoretischen Erklärungen auf das Nötigste
beschränkt. Bei Bedarf müssen nur die angegebenen Berechnungsformeln
angewendet werden. Die wichtigsten Formeln habe ich am Ende des Buches
noch einmal zusammengefasst.
Ich habe versucht in den Schaltungen möglichst nur Standard-Bauteile zu verwenden, von denen anzunehmen ist, dass sie in den nächsten 10-20 Jahren noch verfügbar sind. Natürlich kann man sich da nie sicher sein, aber ich habe den Markt seit längerem beobachtet und bin der Meinung, dass die verwendeten ICs noch eine Weile beschaffbar sind. Bei den Transistoren ist das sowieso unproblematisch. Diese können fast immer durch modernere Typen mit besseren Daten ersetzt werden.
Viele der beschriebenen Schaltungen arbeiten mit
lebensgefährlichen Spannungen. Dies betrifft vor allem netzbetriebene
Schaltungen und Hochvoltgeneratoren höherer Leistung. Auch Spannungen
über 60 Volt sind prinzipiell bereits als gefährlich anzusehen.
Hochspannungsgeneratoren, die Kurzschlussströme unter 5 mA liefern,
sind
dagegen für gesunde Menschen relativ ungefährlich. Zu beachten ist
allerdings, dass aufgeladene Siebkondensatoren auch bei
Hochvoltgeneratoren kleiner Leistung kurzzeitig wesentlich größere
Ströme abgeben können. Zur Warnung habe ich in alle Schaltungen, bei
denen mit hoher Wahrscheinlichkeit lebensgefährliche Spannungen
auftreten, ein kleines Totenkopfsymbol eingefügt. Natürlich können auch
an vielen anderen Schaltungen bei entsprechender Dimensionierung
gefährliche Spannungen auftreten. Diese Schaltungen dürfen nur von
qualifizierten Technikern bearbeitet und aufgebaut werden, die über
ausreichende Kenntnisse über Sicherheitsbestimmungen und den Umgang mit
lebensgefährlichen Spannungen verfügen.
Die abgebildeten Schaltungen sind keine Bauanleitungen für komplette
Geräte, sondern stellen nur Lösungsvorschläge für Teilschaltungen dar.
Wer diese Schaltungen in seinen Geräten benutzt, muss dafür sorgen,
dass die Stromversorgungen ausreichend abgesichert sind, sodass keine
Gefahren jeglicher Art davon ausgehen können. Das betrifft vor allem
die Absicherung der Stromkreise mit geeigneten Sicherungen, die nicht
immer in den einzelnen Schaltungen eingezeichnet sind, und den
Berührungsschutz vor hohen Spannungen. Weiterhin muss der Anwender bei
allen dargestellten getakteten Stromversorgungen für geeignete
Störschutzmaßnahmen sorgen. Diese sind i.d.R. nicht in den Schaltungen
enthalten.
Der Autor übernimmt keine
Haftung für Schäden aller Art, die durch Verwendung einer der
abgebildeten Schaltungen entstehen.
Allgemeine Hinweise zu den abgebildeten Schaltbildern
Die beschriebenen Schaltungen sind prinzipiell getestet und funktionsfähig. Dennoch ist nicht auszuschließen, dass sich noch Beschriftungs- oder Zeichnungsfehler eingeschlichen haben. Weiterhin ist es auch möglich, dass die Schaltungen aufgrund ungünstiger Auswirkungen von Bauteiltoleranzen nicht oder nicht einwandfrei funktionieren. Ich werde mich bemühen, alle nach Erscheinen des Buches bekannt gewordenen Fehler und Verbesserungen in der Online-Ausgabe zu korrigieren.
Um die Schaltbilder nicht mit unnötig vielen Informationen
vollzustopfen, die die Übersichtlichkeit behindern würden, habe ich
einige Beschriftungen weggelassen. Dies bezieht sich hauptsächlich auf
Angaben von Bauteilen, die aufgrund ihrer Funktion offensichtlich sind.
Bei Widerständen handelt es sich, soweit nichts anderes angegeben ist,
um normale ¼-Watt-Typen. Sollen Widerstände mit deutlich geringerer
Belastbarkeit verwendet werden, ist dies im Einzelfall zu überprüfen.
Widerstände, an denen permanent Spannungen von über 150 Volt anliegen
können, sollten in mehrere in Serie geschaltete Einzelwiderstände
aufgeteilt werden, auch wenn das im Schaltbild nicht immer ausdrücklich
angegeben ist. Alternativ ist auch die Verwendung höher belastbarer
Metalloxid-Widerstände möglich. Bei den Wertangaben habe ich die
Einheit weggelassen. Reine Zahlenangaben sind Werte in Ohm. Ein
nachgestelltes kleines k bedeutet kOhm und ein großes M steht für MOhm.
Bei den Kondensatoren sind die Einheiten meistens beschriftet. Bei
reinen Zahlenwerten ist der Wert in pF angegeben. Spannungsangaben habe
ich in Steuerschaltungen sehr oft weggelassen, da sie sich aus der
Anwendung heraus ergeben und meistens die kleinsten marktüblichen
Spannungswerte ausreichend sind. Bei Anwendungen in Zeitgliedern, wo es
auf geringe Toleranz und große Temperaturstabilität ankommt, sollten
immer Folienkondensatoren zum Einsatz kommen. Bei sehr kleinen
Kapazitätswerten sind dafür auch hochwertige Keramikkondensatoren
geeignet. In Schwingkreisen mit hohen Leistungen und Frequenzen werden
meistens Kondensatoren vom Typ MKP oder die noch höher belastbaren
FKP-Typen eingesetzt. Da dies für eine einwandfreie Funktion unbedingt
erforderlich ist, habe ich solche Kondensatoren in den Schaltbildern
entsprechend gekennzeichnet.
Die in Schaltnetzteilen aller Art verwendeten Elkos sind einer
besonders hohen Wechselstrombelastung ausgesetzt. Dies betrifft vor
allem die Elkos, die sich direkt vor oder hinter den Leistungsschaltern
(Dioden und Transistoren) befinden. Um unnötige Verluste und eine
unzulässige Erwärmung der Elkos zu vermeiden, empfiehlt es sich in
solchen Fällen sogenannte Low-ESR-Elkos einzusetzen (ESR = Equivalent
Series Resistance). Das sind Elkos mit sehr niedrigem Innenwiderstand,
die man oft an ihrer besonders schlanken Bauform erkennt. Alternativ
lässt sich der Innenwiderstand auch durch Parallelschalten mehrerer
kleiner Elkos reduzieren, was meistens billiger ist. Probleme mit zu
hohen Innenwiderständen treten vorwiegend bei Niedervoltelkos auf, da
hier die Strombelastung besonders hoch ist und bereits geringe
Verlustspannungen den Wirkungsgrad des Wandlers erheblich verringern.
Bei den Dioden fehlen sehr häufig nähere Angaben. Einfache Dioden im
Kleinleistungsbereich sind, soweit nichts anderes angegeben ist, immer
Universaldioden vom Typ 1N 4148. Bei Leistungsdioden in getakteten
Wandlern sollten immer ultraschnelle Dioden mit Sperrverzugszeiten
unter 100 ns verwendet werden. Sperrspannung und maximale
Strombelastbarkeit ergeben sich aus dem jeweiligen Anwendungsfall.
Bei Drosseln habe ich häufig nur die Induktivität angegeben. Bei
Spulen, die vorwiegend mit hochfrequenten Wechselströmen belastet
werden, muss ein Ferritkern mit Luftspalt verwendet werden. Dies
betrifft vor allem die Resonatorspule der Resonanzwandler, der
einfachen Hilfsspannungsgeneratoren und die Vorschaltdrosseln der
elektronischen Lampen-Vorschaltgeräte. Alternativ können hier auch
Luftspulen oder Spulen auf Ferrit-Stab- oder Rollenkernen verwendet
werden. Die kleinste Baugröße bei gegebenen Anforderungen lässt sich
aber
immer bei einem Kern mit Luftspalt erreichen, der gerade nicht in die
Sättigung gerät.
Bei HF-Drosseln höherer Leistung können erhebliche
Verluste durch den Proximity-Effekt in massiven Kupferdrähten mit
großem
Leiterquerschnitt auftreten. In solchen Fällen ist es notwendig, die
Spule mit HF-Litze zu wickeln. Die Abkürzung „Cul“ steht für
Kupferlackdraht und die vorgestellte Zahl gibt den Drahtdurchmesser in
mm an. Bei HF-Litze ist Anzahl und Durchmesser der Einzellitzen
angegeben.
Für „normale“ Speicherdrosseln reichen meistens preiswerte
Pulverringkern-Drosseln. Diese sind geeignet für die Drosselwandler aus
Kapitel 6, die Flusswandler und als Stromzuführungsdrossel für die
Gegentakt-Sinuswandler.
Bei den verwendeten Trafos sind teilweise auch die konkreten Kern- und
Spulendaten mit angegeben. Diese sollen aber nur als Beispiel dienen
und können im Einzelfall für die jeweilige Anwendung in einem Wandler
optimiert werden. Die wichtigsten Formeln dafür habe ich noch einmal in
der Formelsammlung im Anhang zusammengefasst.
Für den Bau von Einzelstücken wird es sich nicht vermeiden lassen, die
benötigten Trafos selbst herzustellen. Beim Bau eines Wandlertrafos
sind einige Dinge zu beachten. Bei Spulen oder Trafos, die mit einer
Isolation zwischen den Spulen oder Lagen versehen werden sollen, ist
darauf zu achten, dass die Isolationsfolie 2-3 mm breiter ist als der
Spulenkörper und die seitlichen Ränder der Folie im Abstand von wenigen
mm 1-2 mm eingeschnitten sind. Dadurch wölbt sich der Rand der Folie
nach oben und verhindert, dass der Spulendraht zwischen Spulenkörper
und Folienrand in die unteren Lagen durchrutscht und dort womöglich
einen Windungsschluss verursacht Besonders kritisch ist das bei
Netztrafos, da hier u.U. die Schutztrennung zwischen Netz- und
Niederspannungsseite verloren geht. Bei Netztrafos, egal ob 50-Hz- oder
Hochfrequenztrafos, muss die Isolation zwischen Netz- und
Niederspannungsseite mindestens 4 kV Prüfspannung vertragen.
Dementsprechend muss die Isolationsfolie zwischen den Spulen von diesen
Seiten jeweils besonders dick ausfallen. Je nach Folienstärke sollte
diese dann mindestens dreifach gewickelt werden. Insgesamt sollten
solche Spulen durch ca. 0,5 mm Isolierfolie voneinander getrennt sein.
Außerdem sollten die Lagen zumindest im Bereich der Schutztrennung
nicht ganz bis zum Rand des Spulenkörpers gewickelt werden. Hier
könnten sonst besonders leicht Überschläge zwischen den Spulen
auftreten. Die Folie selbst muss bis min. 200°C hitzebeständig sein,
damit auch bei überhöhter Betriebstemperatur die Schutzisolation nicht
gefährdet ist. Sehr praktisch ist eine zusätzliche Papierlage, die auch
bei sehr hohen Temperaturen ihre Festigkeit beibehält.
Bei größeren Hochfrequenztrafos werden die Spulen meistens freitragend ohne einen kompletten Spulenkörper hergestellt. Wegen der niedrigen Windungszahlen und der großen Drahtquerschnitte ist dort ein normaler Spulenkörper ohnehin nicht sehr hilfreich. Im Wesentlichen treten dort drei Probleme bei der Herstellung auf:
1. Der Spulenträger
Dieser muss zunächst hergestellt werden. Hierfür eignen sich sehr gut
Kunststoffrohre. Sind keine passenden Rohre zu bekommen oder hat der
Kern einen rechteckigen Querschnitt, kann man sich den Träger auch aus
mehreren Lagen einer stabilen Folie herstellen. Dabei ist auf
großzügiges Spiel zwischen Kern und Spulenträger zu achten. Beim
Bewickeln verengt sich der Träger leicht und passt sonst u.U. nicht
mehr über den Kern.
2. Fixierung der Drahtenden einer Spule
Damit sich der Spulenanschluss
bei mechanischer Zugbelastung nicht aus der Spule zieht, sollte er mit
einer Zugentlastung versehen werden. Hierfür kann man einen schmalen,
ca. 5 cm langen Streifen Gewebeband mit der Klebeseite nach oben etwa
bis zur Mitte unter die ersten und die letzten Windungen jeder Spule
legen. Das Klebeband wird dann hinter der ersten, bzw. letzten Windung
umgeklappt, wobei sich dann die Klebeflächen des Bandes berühren und
festkleben. Bei dünnen Drähten < 0,3 mm empfehle ich, die
Drahtenden mehrfach zu nehmen und zu einer Litze zu verdrillen. Das
erhöht die mechanische Stabilität des Anschlussdrahtes bei
freitragenden Spulen erheblich.
3. Fixierung der Lagen
Bei freitragenden Spulen neigen die oberen Lagen dazu, im Durchmesser
zu den Rändern hin abzufallen. Das führt dazu, dass die äußeren
Windungen leicht zur Seite und schließlich aus der Spule
herausrutschen. Abhilfe schafft hier die Verwendung von doppelseitigem
Klebeband als Isolation zwischen den Lagen. Der Draht wird dann von
unten und oben durch das Klebeband fixiert.
Bei Hochfrequenztrafos größerer Leistung kann es bei kleineren
Spannungen passieren, dass die benötigte Spule nur eine oder zwei
Windungen hat. Hier empfiehlt sich die Verwendung von Kupferfolie oder
dünnem Blech statt einer dicken Litze. Ein dünnes Blech hat den
Vorteil, dass auch wenige Windungen gleichmäßig über die gesamte Breite
des zur Verfügung stehenden Wickelraumes verteilt werden können, was
eine geringe Streuinduktivität bewirkt. Der Proximity-Effekt tritt
aufgrund
der großen Oberfläche in dünnen Folien ebenfalls nicht so stark in
Erscheinung.
Bei sehr großen Strömen ist es ratsam, statt eines dicken Bleches
mehrere übereinander geschichtete mit einer Lackschicht gegeneinander
isolierte Folien zu verwenden.
Bei einschenkligen Kernen, z.B. UI-Kerne, sind nur ganzzahlige
Windungen möglich. Eine Windung ist eindeutig dadurch definiert, dass
der Draht genau einmal durch den geschlossenen magnetischen Kreis
(Kern) gelegt wird. Wie der Draht genau verläuft, ist dabei völlig
unerheblich und wirkt sich allenfalls auf die Streuinduktivität aus.
Bei Kernen mit mehreren Schenkeln, z.B. EI-Kerne, kann man theoretisch
auch halbe Windungen aufbringen. Eine ganze Windung verläuft immer
durch beide Schenkel, eine halbe nur zwischen Mittel- und einem
Außenschenkel. Spulen zur Leistungsübertragung dürfen auch bei
mehrschenkeligen Kernen nur aus ganzzahligen Windungzahlen bestehen.
Bei halben Windungen, z.B. bei einem Flusswandler mit einem Kern ohne
Luftspalt, ist nicht sichergestellt, dass sich die durch den Laststrom
verursachten magnetischen Felder von Sekundär- und Primärspule genau
kompensieren. Folge können partielle Sättigungseffekte im Kern und ein
erheblicher Anstieg der Streuinduktivität sein. Sind aufgrund des
benötigten Übersetzungsverhältnisses halbe Windungen unbedingt
erforderlich, kann man sich damit behelfen, dass man jeweils eine ganze
Windung auf beiden Außenschenkeln eines EI-Kernes anbringt und diese
parallel schaltet.
Mit zunehmender
Luftspaltlänge verliert diese Einschränkung aber an Bedeutung. Bei
Rollen- und Stabkernen lässt sich die genaue Windungszahl dann ohnehin
nicht mehr so einfach bestimmen. Prinzipiell ist dann auch jeder
Bruchteil einer Windung möglich und erlaubt. Zur Spule trägt dann vor
allem
der Teil des Drahtes bei, der dicht auf den Kern gewickelt ist.