14.07.2016

EPCOS: Kapazitive Stromversorgungen entwickeln

Alles aus einer Hand f√ľr kapazitive Stromversorgungen

F√ľr Stromversorgungen mit geringer Leistung eignen sich Designs auf Basis kapazitiver Topologien besonders gut. Sie sind einfach, kompakt und kosteng√ľnstig. Neben den Kondensatoren ‚Äď und damit den Schl√ľsselbauelementen ‚Äď bietet TDK f√ľr diese Designs nahezu alle weiteren passiven Bauelemente.



Autor: Christoph Jehle, EPCOS AG

 

Entwickler stehen vor der Aufgabe, Ger√§te und Systemeinheiten immer h√§ufiger nur mit kleinen Spannungen und Str√∂men im Milliampere-Bereich aus dem Netz zu versorgen. Typische Beispiele sind kleine Displays f√ľr Messdaten oder Zeitangaben, Microcontroller-basierte Messsysteme sowie einfache Regelungen und Steuerungen. √Ąhnliche Herausforderungen stellen sich, wenn Ger√§te an Funknetze angebunden werden m√ľssen ‚Äď etwa bei Smartmetern, deren Z√§hlerst√§nde √ľber Funk ausgelesen werden, oder im Fall netzbetriebener Ger√§te f√ľr das Internet of Things.

 

Konventionelle Stromversorgungs-Designs haben im Kleinleistungsbereich etliche Nachteile. L√∂sungen mit Transformatoren oder getaktete Schaltungen ben√∂tigen viel Platz und sind kostspielig, au√üerdem sind die Kupfer- und Eisenverluste bezogen auf die geringe Ausgangsleistung √ľberproportional hoch. Die einfachste L√∂sung ‚Äď das Vorschalten eines Ohmschen Widerstands ‚Äď ist zwar kosteng√ľnstig, erzeugt aber hohe Verluste und steht so den geforderten hohen Wirkungsgraden entgegen.

 

Blindwiderstand von Kondensatoren sinnvoll nutzen

Eine elegante wie auch einfache und kosteng√ľnstige M√∂glichkeit, kleine Lasten aus dem Wechselspannungsnetz zu versorgen, besteht in der Serienschaltung aus Kondensator und Last. Dabei wird der sonst unerw√ľnschte Effekt der Phasenverschiebung genutzt: An einem Kondensator tritt die Spannung um 90 Grad phasenversetzt zum Strom auf; er wirkt als reiner Blindwiderstand, an dem praktisch keine realen Verluste entstehen. Somit ist ein als Vorwiderstand eingesetzter Kondensator die ideale L√∂sung. Abbildung 1 zeigt das Prinzipschaltbild sowie das dazugeh√∂rige Zeigerdiagramm der Spannungen. Im Gegensatz zu konventionellen Designs sind kapazitive Stromversorgungen am Ausgang kurzschlussfest.

Abbildung 1: Prinzipschaltbild einer kapazitiven Stromversorgung. Das Zeigerdiagramm macht es deutlich: Der Gro√üteil der Eingangsspannung f√§llt am Blindwiderstand des Kondensators ab. Dabei entsteht im Kondensator praktisch keine Verlustleistung.

 

Da der Kondensator direkt am Netz liegt, werden an seine Zuverl√§ssigkeit sehr hohe Anforderungen gestellt. Daher empfiehlt es sich, f√ľr kapazitive Stromversorgungen ausschlie√ülich X2-Kondensatoren mit Sicherheitszulassungen nach UL und ENEC zu verwenden.

 

TDK bietet hierf√ľr ein breites Spektrum von EPCOS X2-Kondensatoren wie die neuen Serien B3292*H/J*. Um auch unter extremen klimatischen Bedingungen wie hoher Temperatur in Kombination mit hoher Luftfeuchtigkeit einen zuverl√§ssigen Betrieb mit stabilen Kapazit√§tswerten zu erm√∂glichen, wurde die X2-Heavy-Duty-Serie (B32932* bis B32936*) entwickelt. Diese Bauelemente weisen bei einem 1000-Stunden-Test mit 85 ¬įC und 85 Prozent relativer Luftfeuchte eine Kapazit√§tsdrift von maximal 10 Prozent auf. Ein weiterer Vorteil dieser Kondensatoren: Sie sind selbstheilend. Das hei√üt, dass kleinere Durchschl√§ge zu einer lokal begrenzten Verdampfung der Metallisierung f√ľhren, ohne dass sich ein Kurzschluss bildet und die Funktion des Kondensators erhalten bleibt.

 

Berechnung einer kapazitiven Stromversorgung

In der Praxis werden meist Stromversorgungen ben√∂tigt, die am Ausgang eine Gleichspannung zur Verf√ľgung stellen. Die einfachste L√∂sung besteht in der einpulsigen Gleichrichtung wie in Abbildung 2 dargestellt; f√ľr das Berechnungsbeispiel soll eine Ausgangsspannung von rund 9 V DC bei einem maximalen Laststrom von 15 mA erzeugt werden.

 

Abbildung 2: Einfache kapazitive Stromversorgung

 

Zur Funktion der Zenerdiode: W√§hrend der positiven Halbwelle arbeitet D1 als spannungsbegrenzendes Bauelement. Um die geforderte Ausgangsspannung von 9 V zu erreichen, m√ľsste die Zenerspannung bei 9,7 V liegen, weil an D2 rund 0,7 Volt abfallen. Da Zenerdioden mit diesem Wert aber nicht verf√ľgbar sind, wird eine Diode mit einem Wert von 10 V mit einer maximalen Verlustleitung von 1,3 W gew√§hlt. Wird die Stromversorgung im Scheitelpunkt der Netzspannung eingeschaltet, w√ľrde ein unzul√§ssig hoher Strom durch D1 flie√üen, was deren Zerst√∂rung zur Folge h√§tte. Zur Strombegrenzung ist daher R1 vorgeschaltet. Zenerdioden mit einer Verlustleistung von 1,3 W k√∂nnen in der Regel kurzfristige Str√∂me von etwa 1 A bew√§ltigen. Somit kann der Wert von R1 berechnet werden: 

Der n√§chstgelegene Normwert sind 330 ‚Ą¶. R1 wird im Betrieb st√§ndig mit dem gesamten Laststrom beaufschlagt. Zu dessen Berechnung muss das Verh√§ltnis von Wechselstrom-Effektivwert und Gleichstrom-Mittelwert ber√ľcksichtigt werden. Da es sich um eine einpulsige Gleichrichtung handelt, liegt der Formfaktor bei 2,22. Mit den geforderten 15 mA Ausgangsstrom ergibt sich somit ein Strom durch R1 von 33,3 mA und in der Folge eine Verlustleistung von:

Gew√§hlt wird ein Widerstand mit einer Belastbarkeit von 0,5 W. Der Spannungsabfall √ľber dem Widerstand betr√§gt knapp 11 V.

 

Aus den bisher ermittelten Daten kann nun der erforderliche Blindwiderstand des Kondensators C1 berechnet werden. Um eine sichere Versorgung der Last auch bei Unterspannung sicherzustellen, sollte die Berechnung mit einem Spannungsabfall der Netzspannung von mindestens 10 Prozent durchgef√ľhrt werden, au√üerdem ist der Spannungsabfall √ľber R1 und D1 zu ber√ľcksichtigen. Somit ergibt sich der Blindwiderstand zu:

Daraus l√§sst sich bei der √ľblichen Netzfrequenz von 50 Hz die erforderliche Kapazit√§t berechnen:

Als n√§chster Normwert ergibt sich folglich eine Kapazit√§t von 0,68 ¬ĶF. Abh√§ngig von den klimatischen Rahmenbedingungen geeignet sich zum Beispiel damit der EPCOS X2-Kondensatortyptyp B32933A3684K* aus der Heavy-Duty-Serie. Er hat ein Rasterma√ü von 22,5 mm und ist f√ľr eine Effektivspannung von 305 V AC bei einer h√∂chst zul√§ssigen Betriebstemperatur von 105 ¬įC ausgelegt. Alternativ eignet sich Typ B32923H3684K*, der sogar f√ľr 110 ¬įC ausgelegt ist, ebenfalls im Rasterma√ü 22,5 mm. Beide Typen weisen eine Kapazit√§ts-Toleranz von ¬Ī10% auf. 

Abbildung 3: EPCOS Kondensatoren f√ľr kapazitive Stromversorgungen. Zwei typische EPCOS X2 Kondensatoren, die sich f√ľr kapazitive Stromversorgungen eignen. Links ein Typ aus der Heavy Duty Serie, rechts ein Typ aus der Serie B3292*H/J.

 

F√ľr die Diode D2, die f√ľr die einpulsige Gleichrichtung sorgt, gen√ľgt der kosteng√ľnstige Standardtyp 1N4001 (50 V, 1A). Diese Diode wird von etlichen Halbleiterherstellern angeboten.

 

Sichere Versorgung durch gute Glättung

C2 ist f√ľr die Gl√§ttung der Ausgangsspannung zust√§ndig. Da es sich um eine einpulsige Gleichrichtung handelt, muss w√§hrend der negativen Halbwelle der gesamte Ausgangsstrom von C2 zur Verf√ľgung gestellt werden. Dessen erforderliche Kapazit√§t h√§ngt von der zul√§ssigen Welligkeit der Ausgangsspannung ab. F√ľr die Beispielschaltung ist ein Maximalwert von 1 V gefordert. Bei der maximalen Stromaufnahme der Last von 15 mA bei 9 V ergibt sich ein Lastwiderstand von 600 ‚Ą¶. Mit einer Netzfrequenz von 50 Hz (10 ms pro Halbwelle) kann somit die Mindestkapazit√§t von C2 bestimmt werden:

 

Gew√§hlt wird ein single-ended Aluminium-Elektrolyt-Kondensator mit einer Kapazit√§t von 1500 ¬ĶF und einer zul√§ssigen Spannung von 25 V DC. Um eine m√∂glichst hohe Lebensdauer zu erreichen, sollte dieser Kondensator f√ľr eine Temperatur von mindestens 105 ¬įC ausgelegt sein.

 

Optional kann zu C2 zus√§tzlich ein Keramik-Kondensator parallel geschaltet werden (C3). Er dient der Rauschunterdr√ľckung und dem Abblocken von Spannungs-Peaks. F√ľr diese Funktion kommt zum Beispiel ein TDK MLCC mit einer Kapazit√§t von 0,1 ¬ĶF in Frage. Gew√§hlt wurde dabei der Typ C1608X7R1E104K080AA mit einer Nennspannung von 25 VDC in der Baugr√∂√üe 1608 (IEC) und der Temperaturcharakteristik X7R (-55 bis +125¬ļC, ¬Ī15%).

 

Schaltungsschutz ist ein Muss

Beim Ausschalten ohne Last kann es im ung√ľnstigsten Fall passieren, dass C1 mit der Scheitelspannung von 325 V geladen bleibt. R2 hat dann die Aufgabe, den Kondensator m√∂glichst schnell zu entladen. Bei der Festlegung des Widerstandswerts muss ein Kompromiss zwischen Verlustleistung und Entladezeitkonstante eingegangen werden. Gew√§hlt wurde in diesem Fall der Wert von 470 k‚Ą¶. Dabei tritt eine Verlustleistung von ca. 0,1 W auf und die Entladezeit auf eine maximal zul√§ssige Ber√ľhrungsspannung von 50 V betr√§gt rund 0,5 s. Ist die Stromversorgung st√§ndig fest mit dem Netz verbunden, kann auf diesen Widerstand allerdings verzichtet werden.

 

Wichtig ist nat√ľrlich auch der √úberspannungsschutz am Netzeingang (RV1). Hierf√ľr bietet TDK verschiedene Serien von EPCOS Varistorl√∂sungen an. F√ľr die genannte Schaltung eignen sich Typen aus der EPCOS StandarD-Serie, die ein breites Spektrum an Spannungen von 11 VRMS bis 1100 VRMS abdeckt. Verf√ľgbar sind diese Schutzbauelemente mit Scheibendurchmessern zwischen 5 mm und 20 mm entsprechend der geforderten Sto√üstrombelastbarkeit und Energieabsorption. In diesem Fall eignet sich beispielsweise der kompakte Typ B72205S0231K101 mit einem Scheibendurchmesser von 5 mm, der bei einem Impuls von 8/20 ¬Ķs eine Sto√üstrombelastbarkeit von 400 A aufweist.

 

Zus√§tzlich kann auch der Ausgang der Schaltung noch gegen √úberspannung gesch√ľtzt werden (RV2), etwa mit der hier gew√§hlten EPCOS SMT CeraDiode¬ģ B72590D0150A060 mit einer DC-Spannung von 15 V.

 

F√ľr die Strombegrenzung am Netzeingang schlie√ülich sorgt ein EPCOS PTC B59873C0120A570 (RT1), der f√ľr einen maximalen Laststrom von 90 mA bei 25 ¬įC ausgelegt ist. Sollte in der Schaltung ein Fehler auftreten, der zu erh√∂htem Stromfluss f√ľhrt, erw√§rmt sich der PTC, wodurch sein Widerstand sehr stark ansteigt und der Strom auf unkritische Werte begrenzt wird.

 

Abbildung 4: EPCOS Schutzbauelemente f√ľr Stromversorgungen. Von links nach rechts: Scheibenvaristor f√ľr den √úberspannungsschutz am Netzeingang und CeraDiode¬ģ f√ľr den Schutz des Ausgangs, PTC zur √úberstrombegrenzung am Netzeingang.

 

Mit dem umfassenden TDK Bauelemente-Spektrum lassen sich kapazitive Stromversorgungen mit anderen Spannungs- und Stromwerten realisieren. 


 


--> -->