Das InterNetzteil- und Konverter-Handbuch

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.

Achtung ! Wichtige Hinweise

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.

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