Transformatorlose Wechselstromversorgungen

Kapazitiv gekoppelter AC/DC-Wandler

Dies ist eine der einfachsten Ausführungen von Wechselstromversorgungen. Ein Tropfwiderstand würde zu viel Strom abführen und sehr heiß werden, aber man kann die Wechselstromreaktanz eines Reihenkondensators verwenden, um die Eingangsspannung zu verringern, ohne zu viel Energie abzuleiten.



Die Reaktanz des Tropfkondensators beträgt:



Für einen 115-VAC-Eingang und den oben gezeigten 680-nF-Kondensator ergibt sich ein Xc-Wert von etwa 3,9 kOhm für 60 Hz-Netze und 4,6 kOhm für 50 Hz-Netze. Das ist viel weniger als 470 k, also kann der Parallelwiderstand für die verbleibenden Berechnungen ignoriert werden (es ist erforderlich, den Kondensator zu entladen, wenn der Strom abgeschaltet ist, und als primitiver EMI-Filter zu agieren zur Reduzierung der Oberschwingungen).

Der Tropfkondensatorstrom kann abgeleitet werden aus:



Daher ist für einen 115 VAC/60 Hz Eingang, I_rms = 43354 C ≈ 40 mA/μF und für einen 230 V/50 Hz Eingang, I_rms = 72257 C ≤ 70 mA/μF.

Die obige Schaltung hat einen maximalen Ausgangsstrom von 47 mA für eine 230-V-Wechselstromversorgung oder 27 mA für Eine 115-V-Wechselstromversorgung, daher muss die Zenerdiode eine Nennleistung von 1 W haben, um einen Leerlaufzustand zu überstehen (12 V × 0,047 A = 564 mW).

Der Metalloxid-Varistor (MOV) ist erforderlich, um Spannungsspitzen zu vermeiden, die die Nennspannung des Tropfkondensators überschreiten. Der Schmelzwiderstand hat zwei Funktionen: Er dient als Sicherung für Fehlfunktionen im Stromkreis oder bei Kurzschluss im Ausgang und als Widerstand, um sowohl den Einschaltstrom als auch den MOV-Strom zu begrenzen.

Praktischer Tipp:Der Anstieg der Ausgangsspannung erfolgt nicht sofort. Mit jeder Spitzenhalbwelle Haupteingangs, fließt Strom in den Ausgangskondensator, aber während der Übergangszeit fl ießt sehr wenig Ladestrom. Somit steigt der Ausgang in kleinen Schritten an, bis die Spannungsgrenze der Zenerdiode erreicht ist. Das Erhöhen der Last verlangsamt die Anstiegszeit, so dass jede anstiegszeitempfindliche Schaltungsanordnung, die mit solchen Netzteilen betrieben wird, entweder eine Unterspannungssperre oder eine lange Einschaltverzögerung aufweisen sollte.



Typische transformatorlose Anwendungen umfassen passive IR-Bewegungsmelder oder Relaiszeiten Verzögerungsschaltungen (die Relaisausgangskontakte sorgen für die notwendige Trennung des Ausgangs von der Netzversorgung, und ein 555 Timer reagiert nicht zu empfindlich auf die Eingangsspannungsregelung).



Nicht isolierter Abwärtsregler

Die Nachteile eines begrenzten Ausgangsstroms und der langsamen Stabilisierungszeit für die kapazitiv gekoppelte transformatorlose Stromversorgung können mit einem nicht isolierten Hochspannungs-Abwärtswandler überwunden werden. Der AC-Eingang wird gleichgerichtet und geglättet, um einen Hochspannungs-DC-Bus bereitzustellen, der dann effizient in einen Niederspannungsausgang heruntergewandelt werden kann.

Die Ausgangsstrombegrenzung wird aufgehoben, so dass höhere Leistungsauslegungen erzielt werden können; und er sehr große Eingangsspannungsbereich des Abwärtswandlers bedeutet, dass ein viel kleinerer Stützkondensator verwendet werden kann im Vergleich zu äquivalenten isolierten Designs (siehe Eingangsstufe unten, wo ein 2,2 μF Stützkondensator alles ist, was für ein 2,5-W-Design benötigt wird).



Der Controller IC ist ein Standard-Abwärtswandler-Controller, der mit einer 5-V-Versorgung betrieben wird; ist es nicht erforderlich, ein Hochspannungsteil zu haben, obwohl dieses Design nicht isoliert ist. Der gleichgerichtete 115 V- oder 230 VAC-Netzeingang (160 VDC oder 325 VDC) wird verwendet, um die Versorgungsspannung bei der Inbetriebnahme über den 300 k-Vorwiderstand und den 5,1 V-Zener bereitzustellen. Wenn die Stromversorgung zur Verfügung steht, wird der 5-V-Ausgang über die Schottky-Diode (D2) zurückgespeist, um die Versorgungsspannung vom Ausgang zu laden.

Der Transistor Q1 wirkt als Konstantstromsenke. Die Basis ist mit 5 V verbunden und zwingt den Emitter dazu, einen Verbindungsabfall niedriger zu sein, bei 5 V - 0,7 V = 4,3 V. Wenn der Reglerausgang SW hoch ist, dann fließt kein Strom durch Q1, wenn er in Sperrrichtung vorgespannt ist. Wenn der Reglerausgang niedrig ist, beträgt der aus dem Emitter fließende Strom 4,3 V/50 R = 86 mA. Der Strom, der in den Kollektor fließt, muss der gleiche sein wie der aus dem Emitter fließende Strom, also beträgt der Strom durch den 200 R-Widerstand ebenfalls 86 mA, unabhängig von der Spannung des DC-Busses. Der Spannungsabfall über dem 200 R Widerstand beträgt 200 R x 0,086 A = 17,2 V. Das Tastverhältnis der Steuerung wird sehr kurz, wenn geregelt wird, so dass dieser relativ hohe Strom nur 1,5 % der Zeit fließt; ein ¼ W Widerstand reicht aus.

Das Push-Pull-Transistorpaar Q2 und Q3 verschiebt das PWM-Steuersignal des Controllers auf eine High-Side-Gate-Ansteuerung für den P-Kanal-FET Q4, der umschaltet zwischen der Hochspannungs-DC-Versorgung und einer Spannung, die 12 V niedriger ist als die, die von der 12 V-Zenerdiode in Reihe mit einem 100 k Widerstand gegen die Masse eingestellt wird. Der Ausgang wird dann durch die Ausgangsinduktivität und den Kondensator geglättet, um eine geregelte 5 VDC-Versorgung bereitzustellen.

Q2 und Q3 sind Allzweck-Bipolartransistoren, nur Q1 und Q4 müssen die gesamte DC-Bus-Spannung aushalten. Eine Spice-Simulation (ohne Rückkopplung simuliert) zeigt, dass sich der Ausgang bald einpendelt auf 5,0 VDC. In Abbildung 9.5 ist die blaue Kurve die Ausgangsspannung, bezogen auf die Masse; die rote Kurve ist das Gate-Ansteuersignal und die grüne Kurve die 12-V-Zenerdiodenspannung (beide bezogen auf die HV-Busversorgung).



Aufgrund dieses Hochspannungs-Abwärtswandler-Designs gibt es eine Reihe von konstruktiven Einschränkungen wegen der extrem kurzen Zeit des Eingeschaltetseins. Die Betriebsfrequenz ist auf ca. 30 kHz beschränkt durch die langsame Ansprechzeit der Leistungstransistoren. Dies bedeutet, dass ein Controller-IC mit einer einstellbaren Frequenz ausgewählt werden muss, da die meisten Standard-Tiefsetzsteller-ICs bei viel höheren Frequenzen arbeiten. Zum anderen weist der Abtrieb eine starke Sägezahnwelligkeit auf, selbst bei starker Filterung. Der größte Vorteil ist, dass der Ausgangsstrom nur begrenzt wird von der Nennleistung des P-Kanal-FETs und den Grenzwerten für die Verlustleistung der Ausgangsinduktivität.

Hochspannungslinearregler

Eine Alternative zum kapazitiven Dropper oder dem diskreten Abwärtswandler AC/DC ist die Verwendung eines hohen Eingangsspannungslinearreglers oder Schaltreglers. Bei einem Linearregler ist der Ausgangsstrom auf 10 mA oder weniger begrenzt, dies ist jedoch für viele Mikrocontroller und Internet-of-Things-Anwendungen (IoT) ausreichend.

Eines der Merkmale des IoT ist, dass die Datenverbindungen drahtlos sind; die einzelnen Knoten benötigen nur einen Stromversorgungseingang ohne Ausgangsanschlüsse und können permanent versiegelt werden. Eine isolierte interne Stromversorgung ist daher nicht erforderlich. Obwohl sie sehr ineffizient sind (< 3 %!), bieten Hochspannungs-Linearregler eine enge Regelung, einen niedrigen Ruhestrom und einen breiten AC-Eingangsbereich von 85 VAC bis 250 VAC oder eine DC-Versorgungsspannung von ca. 60 V bis zu 450 V. Die Ausgangsspannung kann auch über einen größeren Bereich eingestellt werden als bei den meisten anderen Lösungen. Hochspannungslinearregler sind auch als SMD-Bauteile erhältlich, die sehr kompakte und kostengünstige Lösungen möglich machen.



Offline-Regler-IC

Für etwas höhere Ausgangsströme (bis zu 175 mA) kann ein sehr kompakter und kostengünstiger, nicht isolierter Offline-AC/DC-Wandler mit einem integrierten Switcher-IC aufgebaut werden, der eine integrierte Schaltung enthält, einen Hochspannungsschalttransistor, eine Hochspannungsstromquelle für die interne Stromversorgung und einen PWM-Regler mit minimaler Ausschaltzeit mit Überstrom-, Kurzschluss- und Übertemperaturschutz, alles in einem integrierten monolithischen Paket. Weiterentwickelte ICs umfassen auch Frequenzschwankungen, um die EMV-Signatur und das Überspringen von Zyklen zu reduzieren, damit der Leerlaufverbrauch gesenkt werden kann.



Der Eingang wird durch die Dioden D1 und D2 halbwellengleichgerichtet, gefolgt von einem einfachen EMV-Filter, gebildet aus C1, L1, C2; die Ferritperle (D2) ist optional, verbessert aber die Stehstoßspannung ). Der Schmelzwiderstand begrenzt die Einschalt- und Eingangswellenströme und wirkt als Sicherungseingang im Fall eines Ausfalls. Da der Controller-IC nur mit einem direkten Anschluss an den Hochspannungseingang schwimmt, ist ein „Trick“ erforderlich, damit die Schaltung funktioniert.

Der Trick ist die Kombination von D3, D4 und C4. Wenn D3 und D4 dasselbe Teil sind mit denselben Eigenschaften, dann ist die resultierende Spannung an C4 die gleiche wie die an C5. Mit anderen Worten, die Ausgangsspannung wird an C4 reflektiert. Die Ausgangsspannung kann somit geregelt und bestimmt werden durch das Verhältnis von R1 und R2, die über C4 verbunden sind, obwohl die gemeinsame Ader von C4 nicht an den Ausgang angeschlossen ist. Die auf den Source-Pin bezogene Spannung an C4 erlaubt es auch, dass der interne Shunt-Regler mit hoher Eingangsspannung umgangen werden und der IC über R3 gespeist werden kann, sobald er angelaufen ist.

Für viele IoT-Anwendungen ist es nützlich, eine 5-V-Hauptversorgung für den 2,4-GHz-Funk oder eine 12-V-Versorgung für eine Relaisspule zu haben sowie eine 3,3-V-Versorgung für den Mikrocontroller und die Sensoren. Das Hinzufügen eines kostengünstigen LDO-Regler für den 5-V- oder 12-V-Hauptausgang fügt einen zusätzlichen 3,3-V-Ausgang mit sehr geringem Stromverbrauch hinzu, ohne Erhöhung der Stückkosten oder der Gesamtgröße der Lösung.

Der Gesamtwirkungsgrad ist hoch, da keine Transformatorverluste auftreten:



Bei Controller-ICs mit Puls-Skipping-Modus ist der Stromverbrauch im Leerlauf ebenfalls sehr niedrig.



Tabelle 1: Gemessener Leerlaufstromverbrauch (mW). Dunkelgrüne Felder zeigen die Einhaltung der 5I Leistungsaufnahme ohne Lastgrenzen (≤ 0,03 W). Hellgrüne Felder zeigen 4 Compliance (≤ 0,15 W).

Schließlich kann die Leiterplatte sehr klein gebaut werden, was sie ideal für den Einbau in IoT-Anwendungen macht:



Trotz seiner geringen Größe (33 x 17 mm) verfügt dieser Offl ine-Vorführtyp über einen universellen Eingangsspannungsbereich, doppelt geregelte Ausgänge, die kurzschlussfest sind und den EMV-Vorschriften entsprechen ohne irgendwelche externen Komponenten.