1. Anforderungen an Netzteile

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Klara Berger
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1 Stromversorgung 1

2 1. Anforderungen an Netzteile Problem: Netzspannung 230V AC - Elektronische Schaltungen benötigen Gleichspannung (DC) Typische Spannungsebenen: V 2

3 Einteilung der Netzteile: 3

Dioden Glättung der gleichgerichteten Spannung

4 2. Funktionsgruppen in einem Netzteil Transformation der Spannung auf gewünschte Ebene Transformator oder elektronischer Schalter Gleichrichtung der Wechselspannung Dioden Glättung der gleichgerichteten Spannung Elektrolytkondensato ren Stabilisierung der Spannung Z-Dioden, IC s 4

5 3. Lineare Netzteile 3.1 Trafo auswählen E-I-Kern M - Kern 5

6 Kenngrößen für Trafo: Primärspannung U 1 =230V Sekundärspannung U 2 (2 bis 5 V höher als gewünschte Betriebsspannung der Schaltung) Sekundärstrom (Drahtquerschnitt Wicklung) Leistung (Abmessungen Eisenkern) 3.2 Gleichrichtung a) Einweggleichrichtung 6

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9 b) Zweiweggleichrichtung Brücken- oder Graetzschaltung)

10 3.3 Glättung a) Einweggleichrichtung 10

11 11

12 b) Zweiweggleichrichtung 12

13 3.4 Stabilisierung a) mit Z-Diode 13

14 Gegeben ist folgende Ausgangssituation: Betriebsspannung U ges = 12 V Daten der zu versorgenden Schaltung: U L =5V; I L =50mA Z-Diode: U Z = 5,1 V und P V =500 mw. In Praxis I Zmin etwa 0,1I Zmax I I Z max Z max P = U tot Z 0,5W = = 5,1V 98mA I = I + I ges Z min L I = 9,8mA + 50mA = 59,8mA ges 14

15 Vorwiderstand R V : begrenzt den Strom auf den Gesamtstrom der Schaltung und soll in der Hauptsache die Z-Diode vor der Zerstörung schützen R V Uges UZ 12V 5,1V = = = 115,4Ω I 59,8mA ges Welchen Widerstand auswählen? E24-120Ω Welche Leistung im Widerstand? I ges Uges UZ 12V 5,1V = = = R 120Ω V 57,5mA 15

16 ( ) P = U U I RV ges Z ges P = (12V 5,1 V ) 57,5mA = 396,75mW RV Verlustleistung im Standardwiderstand P v = 1/10 W, hier mindestens 0,5 W Widerstand erforderlich 16

17 b) mit integriertem Schaltkreis: Integrierte Festspannungsregler (78xx/79xx) Liefern genauere und stabilere Spannungswerte als Z-Dioden Schaltungen interne Strombegrenzung, die bei Überlastung und Kurzschluss einsetzt Bei einem Kurzschluss regelt der Festspannungsregler seine Ausgangsspannung automatisch herunter Wird der Kurzschluss aufgehoben, stabilisiert sich die Ausgangsspannung wieder auf ihren festen Wert. Eine thermische Schutzschaltung verhindert die Zerstörung des ICs durch Überhitzung. 17

Ausgangsspannung liegen Maximale Eingangsspannung nicht mehr als 36 V Differenz der

18 78xx-Serie für positive 79xx-Serie für negative Spannungen Ausgangsspannungen dieser Serien: 5, 6, 8, 9, 12, 15, 18 oder 24 V Eingangsspannung muss mindestens zwischen 2 bis 3 V über der Ausgangsspannung liegen Maximale Eingangsspannung nicht mehr als 36 V Differenz der Eingangsspannung zur Ausgangsspannung sollte nicht viel höher sein als 3 V Kühlung durch Kühlkörper erforderlich 18

19 Bezeichnung 78Lxx 78Mxx 78xx 78Sxx 78Txx 78Hxx Stromentnahme bei Kühlung 0,1 A 0,5 A 1 A 2 A 3 A 5 A Pinbelegung Pins 78xx 79xx 1 E GND 2 GND E 3 A A 19

20 Anwenderschaltung: C 3 = 470 bis 2200 µf C 5 = 1 bis 10 µf C 4 = 330 nf 20

21 4. Schaltnetzteile 4.1 Prinzip Lineare Netzteile haben schlechten Wirkungsgrad (η = 0,3 bis 0,5) Abhilfe Schaltnetzteil η = 0,8 bis 0,9 21

22 Last wird periodisch zugeschaltet Veränderung von U a und I a möglich Regelung über Tastverhältnis 22

23 In Praxis kein Umschalter Diode ersetzt den zweiten Schaltkontakt Schalter kann leicht durch Rechteckspannung ersetzt werden U e grün U a rot 23

24 4.2 Aufbau eines Schaltnetzteils mit Transformator 50 khz 100 khz Schaltfrequenz 50 khz 24

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28 5. Absicherung von Netzteilen 5.1 Allgemeines Überstromschutzeinrichtungen: Schutz bei Überlast Schutz bei Kurzschluss Ziel: Unterbrechung des Stromes und Verhinderung der Überhitzung der Leiter und Baugruppen Voraussetzung: Strombelastbarkeit der Leitung oder baugruppe ist bekannt Erwärmung ist abhängig: 1. vom Aufbau 2. von den Werkstoffeigenschaften 3. von den Betriebsbedingungen (Umgebung) 28

5.2 Bauarten von Sicherungen Schmelzsicherung Elektronische Sicherung Selbstrückstellende Sicherung, typischerweise Kaltleiter, eine Form von lastabhängigen Widerstand Leitungsschutzschalter

29 5.2 Bauarten von Sicherungen Schmelzsicherung Elektronische Sicherung Selbstrückstellende Sicherung, typischerweise Kaltleiter, eine Form von lastabhängigen Widerstand Leitungsschutzschalter Schmelzsicherung Geräteschutzsicherungen (Feinsicherungen) G-Sicherungen werden für Nennströme von 0, A eingesetzt. Es gibt sie in verschiedenen Längen und Durchmessern. In Europa am gebräuchlichsten ist das Format 5 20 mm, in den USA ¼ 1¼ Zoll (6,3 32 mm). Einsatzgebiet: Geräteschutz (oft in handelsüblichen Netzteilen zu finden) und (seltener) Kfz-Elektrik. 29

Seltener ist eine Farbcodierung gebräuchlich.

30 Kennzeichnung: Auf den Metallkappen sind der Nennstrom, die maximale Spannung und die (Auslöse-)Charakteristik eingeprägt Seltener ist eine Farbcodierung gebräuchlich. Prägung FF F M T TT Charakteristik superflink flink mittelträge träge superträge Sicherungshalter: 30

31 Auslöseverhalten: flink träge 31

32 Flachstecksicherungen 1976 entwickelt, wird nur für Kleinspannungen, hauptsächlich in Kraftfahrzeugen verwendet Baugrößen: niedrige Mini-Stecksicherung (low-profile mini fuse) Mini-Stecksicherung (mini fuse) Standard-Stecksicherung (ATO fuse) Maxi-Stecksicherung (maxi fuse) Bemessungsstromstärke von Standard- und Mini-Flachstecksicherungen wird durch die Farbe ihres Kunststoffkörpers gekennzeichnet Farbkodierung von KFZ-Flachstecksicherungen: 32

Schraubsicherungen Für Deutschland gilt bei Neuinstallation (DIN 18015-1): Im Stromkreisverteiler von

werden. Schmelzsicherungen sind nur noch zulässig für fest angeschlossene Geräte (z.b.

Schmelzsicherungen dürfen noch verwendet werden, auch für Steckdosen- und Lichtkreise, jedoch muss

33 Schraubsicherungen Für Deutschland gilt bei Neuinstallation (DIN ): Im Stromkreisverteiler von Wohnungen dürfen für Beleuchtungs- und Steckdosenstromkreise nur Leitungsschutzschalter verwendet werden. Schmelzsicherungen sind nur noch zulässig für fest angeschlossene Geräte (z.b. Durchlauferhitzer) oder als Vorsicherung für Unterverteilungen. Schmelzsicherungen dürfen noch verwendet werden, auch für Steckdosen- und Lichtkreise, jedoch muss bei Steckdosenkreisen ein Fehlerstromschutzschalter (FI- Schalter) zwischengeschaltet sein. Bei Lichtkreisen ist das nicht erforderlich. Aufbau D-Sicherung: 33

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35 elektronische Sicherung 35

Selbstrückstellende Sicherung Bauelement in Form eines Kaltleiters auf Polymerbasis erwärmt sich bei hohen elektrischen Strömen, wie bei einem Kurzschluss und wird dadurch hochohmig nach Abkühlung

36 Selbstrückstellende Sicherung Bauelement in Form eines Kaltleiters auf Polymerbasis erwärmt sich bei hohen elektrischen Strömen, wie bei einem Kurzschluss und wird dadurch hochohmig nach Abkühlung wird es von selbst wieder niederohmig, was einer Funktion ähnlich wie einer Sicherung mit selbständiger Wiedereinschaltung gleich kommt Ansprechzeit: mehrere Sekunden, extrem träge Anwendung: meist in kleineren Elektrogeräten im Niedervoltbereich als preiswerter, wartungsfreier Kurzschlussschutz und Überlastschutz direkt auf den Leiterplatten im Gerät 36

Leitungsschutzschalter Funktionsweise Der Abschaltmechanismus kann auf vier Arten ausgelöst werden: Auslösung bei Überlast: wenn der vorgegebene Nennwert des durch den Leitungsschutzschalter

Zur Auslösung wird ein Bimetall verwendet, das sich bei Erwärmung durch den durchfließenden Strom verbiegt und den Abschaltmechanismus auslöst (thermische Auslösung) Elektromagnetische Auslösung:

37 Leitungsschutzschalter Funktionsweise Der Abschaltmechanismus kann auf vier Arten ausgelöst werden: Auslösung bei Überlast: wenn der vorgegebene Nennwert des durch den Leitungsschutzschalter fließenden Stromes längere Zeit erheblich überschritten wird, erfolgt die Abschaltung. Zur Auslösung wird ein Bimetall verwendet, das sich bei Erwärmung durch den durchfließenden Strom verbiegt und den Abschaltmechanismus auslöst (thermische Auslösung) Elektromagnetische Auslösung: tritt in einer Anlage ein Kurzschluss auf, erfolgt die Abschaltung innerhalb weniger Millisekunden durch einen vom Strom durchflossenen Elektromagneten Manuelle Auslösung: mit Kippschalter oder ein Auslöseknopf auf der Frontseite Auslösung durch Zusatzmodule: ansteckbare Unterspannungsauslöser, FI-Module, Störlichtbogen- Schutzeinrichtungen und motorische Antriebe (Wiedereinschaltgeräte) 37

38 Auslösecharakteristik Leitungsschutzschalter mit Charakteristik B sind standardmäßig für folgende Bemessungsströme verfügbar: Ampere 38

39 Charakteristik Bemerkung Thermischer Überlastauslöser: Mehrfaches des Nennstroms [Umgebungstemp., Auslösezeit] Magnetischer Kurzschlussauslöser (Mehrfaches des Nennstroms) AC 50 Hz A Siemens (nicht genormt); Halbleiterschutz; hohe Netzimpedanz 2 3 B Standard-Leitungsschutz 3 5 1,13 1,45 für höheren Einschaltstrom (Maschinen, [30 C, 1 Stunde] C Lampengruppen), Standard-Leitungsschutz in 5 10 (über 63 A: 2 Std.) Italien D stark induktive oder kapazitive Last: Transformatoren, Magnete, Kondensatoren E Exakt, SLS Hauptleitungsschutzschalter 1,05 1,2 [30 C, 2 Stunden] 5 6,25 Z Halbleiterschutz; hohe Netzimpedanz Leistungsschalter nach EN R K Moeller; rapid, veraltet; identisch mit Z Kraft, hoher Einschaltstrom, sensible Überlastauslösung (VDE ) 1,05 1,2 [20 C, 2 Stunden] 1,05 1,3 [30 C, 1 Stunde] DC 1,5 1,5 39

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