Abbildung 2.1 zeigt eine ungeregelte AC/DC-Stromversorgung, die zu Beginn meiner Karriere üblich war.
Abb. 2.1: Einfache lineare AC/DC-Stromversorgung
Der Transformator hat zwei Primärwicklungen von 115 V, die parallel oder in Reihe mit dem Eingangsspannungswahlschalter geschaltet werden können. Die beiden 6 V-Sekundärwicklungen sind in Reihe geschaltet, um einen Nennwert von 12 Vac zu generieren, der dann vom Brückengleichrichter BR gleichgerichtet und vom Ausgangskondensator C geglättet wird, um eine typische Ausgangsspannung von etwa 14 V DC zu liefern. Ein Brückengleichrichter verwendet vier Dioden, aber es gibt noch andere Optionen für die Sekundärgleichrichtung mit dem gleichen Transformator und weniger Dioden:
Abb. 2.2: Alternative Ausgangsgleichrichter-Optionen; oben: Mittelabgriff, unten: Halbwelle
Wenn Vs die Nennspannung für jede Sekundärwicklung ist, kann anhand der Tabelle 2.1 die äquivalente Ausgangsgleichspannung ermittelt werden (Vf ist der Durchlassspannungsabfall durch eine Leistungsdiode ≈ 0,7 V):
Das in Abbildung 2.2 gezeigte einfache Beispiel mit 50 Hz Netz und 2x 6 VAC Effektivwert Sekundärteile ergibt:
Dieser mittlere DC-Ausgangswert wird ohne Glättungskondensator und ohne Last berechnet. Je größer der Kondensator ist, desto näher liegt der gemessene Gleichstromausgang an der Spitzenspannung. Andererseits ist die gemessene Ausgangsgleichspannung umso niedriger, je höher die Last ist. Um die effektive Ausgangsspannung zu bestimmen, müssen wir die Last und die Ausgangskapazität kennen, um die Ausgangswelligkeit zu berechnen.
Um auf die ursprüngliche brückengleichgerichtete Konstruktion zurückzugreifen, können wir die unten gezeigte Ausgangssignalform hinzufügen:
Abb. 2.3: Spannung und Strom der Ausgangskondensatoren
Zu Beginn jedes Halbzyklus steigt die Ausgangsspannung von null bis zur Spitzenspannung C.
Oberhalb von Punkt B (die Restspannung, die am Ausgangskondensator gespeichert ist) beginnt der Strom, die Last zu versorgen und den Ausgangskondensator aufzuladen. Der Strom (in Blau dargestellt) steigt stark an. Sobald die Sekundärspannung unter Peak-2Vf sinkt, hält der Ausgangskondensator die Ausgangsspannung höher als die Versorgungsspannung und der Brückengleichrichter hört auf, Strom durchzulassen. Der Sekundärstrom fällt auf null. Der ausgegraute Teil der Wellenform von Punkt C bis Punkt D zeigt, wo nur der Kondensator den Laststrom liefert. Der Eingangsstrom ist somit sehr diskontinuierlich mit einer sehr hohen harmonischen Verzerrung.
Linie C-D ist im Diagramm als gerade Linie dargestellt, obwohl es sich tatsächlich um eine exponentielle Abklingkurve mit folgender Beziehung handelt:
Für praktische Schaltungen mit großen Ausgangskondensatoren kann diese Gleichung jedoch folgendermaßen approximiert werden:
Mit einer Spitze-Spitze-Wellungsspannung von:
Und einer durchschnittlichen DC-Ausgangsspannung von:
Für eine 50 Hz-Netzversorgung mit einer 1kΩ-Last und einem 100μF-Kondensator könnten wir also eine gemessene DC-Ausgangsspannung wie die folgende erwarten:
Mit einer Spitze-zu-Spitze-Welligkeit von ungefähr:
Abb. 2.4: Spannung am Ausgangskondensator C unter Last R.
Da sich die Ausgangsspannung bei Last ändert und eine hohe Restwelligkeit zeigt, ist es üblich, einen linearen Nachregler zu verwenden, um die Ausgangsspannung zu stabilisieren und einen Kurzschluss-Schutz anzubieten. Für dieses Beispiel wäre ein 12 V-Längsregler am besten geeignet, da die minimale Versorgungsspannung bei etwa 14 V liegen würde, was 2 V Spielraum für den Linearregler ergibt.
Lineare Stromversorgungen werden immer noch eingesetzt, wenn ihre Vorteile die Nachteile überwiegen:
Abb. 2.1: Einfache lineare AC/DC-Stromversorgung
Der Transformator hat zwei Primärwicklungen von 115 V, die parallel oder in Reihe mit dem Eingangsspannungswahlschalter geschaltet werden können. Die beiden 6 V-Sekundärwicklungen sind in Reihe geschaltet, um einen Nennwert von 12 Vac zu generieren, der dann vom Brückengleichrichter BR gleichgerichtet und vom Ausgangskondensator C geglättet wird, um eine typische Ausgangsspannung von etwa 14 V DC zu liefern. Ein Brückengleichrichter verwendet vier Dioden, aber es gibt noch andere Optionen für die Sekundärgleichrichtung mit dem gleichen Transformator und weniger Dioden:
Abb. 2.2: Alternative Ausgangsgleichrichter-Optionen; oben: Mittelabgriff, unten: Halbwelle
Wenn Vs die Nennspannung für jede Sekundärwicklung ist, kann anhand der Tabelle 2.1 die äquivalente Ausgangsgleichspannung ermittelt werden (Vf ist der Durchlassspannungsabfall durch eine Leistungsdiode ≈ 0,7 V):
| Rektifikations-methode | Anzahl der Dioden | Ausgangsfrequenz | Vpeak | VDC, av |
|---|---|---|---|---|
| Brückengleichrichter | 4 | 2Fin | 2√2Vs – 2Vf | 2 Vpeak/ π |
| Mittelabgriff | 2 | 2Fin | √2Vs – Vf | 2 Vpeak/ π |
| Halbwelle | 1 | Fin | √2Vs – Vf | Vpeak /π |
Table 2.1: Tabelle 2.1: Vergleich der gleichgerichteten Gleichstromausgänge für verschiedene Gleichrichtungsmethoden
Das in Abbildung 2.2 gezeigte einfache Beispiel mit 50 Hz Netz und 2x 6 VAC Effektivwert Sekundärteile ergibt:
| Rektifikations-methode | Anzahl der Dioden | Ausgangsfrequenz | Vpeak | VDC, av |
|---|---|---|---|---|
| Brückengleichrichter | 4 | 100Hz | 15.6V | 10V |
| Mittelabgriff | 2 | 100Hz | 7.8V | 5V |
| Halbwelle | 1 | 50Hz | 7.8V | 2.5V |
Tabelle 2.2: Ergebnisse der Berechnungen in Tabelle 2.1 mit 2x 6 V Sekundärwicklungen
Dieser mittlere DC-Ausgangswert wird ohne Glättungskondensator und ohne Last berechnet. Je größer der Kondensator ist, desto näher liegt der gemessene Gleichstromausgang an der Spitzenspannung. Andererseits ist die gemessene Ausgangsgleichspannung umso niedriger, je höher die Last ist. Um die effektive Ausgangsspannung zu bestimmen, müssen wir die Last und die Ausgangskapazität kennen, um die Ausgangswelligkeit zu berechnen.
Um auf die ursprüngliche brückengleichgerichtete Konstruktion zurückzugreifen, können wir die unten gezeigte Ausgangssignalform hinzufügen:
Abb. 2.3: Spannung und Strom der Ausgangskondensatoren
Zu Beginn jedes Halbzyklus steigt die Ausgangsspannung von null bis zur Spitzenspannung C.
Oberhalb von Punkt B (die Restspannung, die am Ausgangskondensator gespeichert ist) beginnt der Strom, die Last zu versorgen und den Ausgangskondensator aufzuladen. Der Strom (in Blau dargestellt) steigt stark an. Sobald die Sekundärspannung unter Peak-2Vf sinkt, hält der Ausgangskondensator die Ausgangsspannung höher als die Versorgungsspannung und der Brückengleichrichter hört auf, Strom durchzulassen. Der Sekundärstrom fällt auf null. Der ausgegraute Teil der Wellenform von Punkt C bis Punkt D zeigt, wo nur der Kondensator den Laststrom liefert. Der Eingangsstrom ist somit sehr diskontinuierlich mit einer sehr hohen harmonischen Verzerrung.
Linie C-D ist im Diagramm als gerade Linie dargestellt, obwohl es sich tatsächlich um eine exponentielle Abklingkurve mit folgender Beziehung handelt:
| Eq. 2.1: |  |
|---|
Für praktische Schaltungen mit großen Ausgangskondensatoren kann diese Gleichung jedoch folgendermaßen approximiert werden:
| Eq. 2.2: |  |
|---|
Mit einer Spitze-Spitze-Wellungsspannung von:
| Eq. 2.3: |  |
|---|
Und einer durchschnittlichen DC-Ausgangsspannung von:
| Eq. 2.4: |  |
|---|
Für eine 50 Hz-Netzversorgung mit einer 1kΩ-Last und einem 100μF-Kondensator könnten wir also eine gemessene DC-Ausgangsspannung wie die folgende erwarten:
Mit einer Spitze-zu-Spitze-Welligkeit von ungefähr:
Abb. 2.4: Spannung am Ausgangskondensator C unter Last R.
Da sich die Ausgangsspannung bei Last ändert und eine hohe Restwelligkeit zeigt, ist es üblich, einen linearen Nachregler zu verwenden, um die Ausgangsspannung zu stabilisieren und einen Kurzschluss-Schutz anzubieten. Für dieses Beispiel wäre ein 12 V-Längsregler am besten geeignet, da die minimale Versorgungsspannung bei etwa 14 V liegen würde, was 2 V Spielraum für den Linearregler ergibt.
Lineare Stromversorgungen werden immer noch eingesetzt, wenn ihre Vorteile die Nachteile überwiegen:
- Da diese Art der Stromversorgung nur aus passiven Komponenten besteht, ist diese Design-Lösung geräuscharm. Eine gut entworfene linear geregelte Stromversorgung kann mit einem Ausgangsgeräuschpegel von unter 5µVRMS einen sehr glatten Ausgang haben. Lineare Netzteile werden nach wie vor in High-End-Audiosystemen und HF-Verstärkern verwendet.
- Dasselbe Design kann für sehr hohe Eingangsspannungen verwendet werden, indem einfach verschiedene primärseitige Spannungsabgriffe (z. B. 208 V / 380 V / 480 VAC) ausgewählt werden. Oder es können mit einem anderen Transformator sehr niedrige AC-Eingangsspannungen (z. B. 12 VAC) verwendet werden. Es ist heutzutage immer noch eine technische Herausforderung, ein Schaltnetzteil herzustellen, das mit einem 12 VAC-Eingang gut funktioniert.
- Es gibt wenige Komponenten. Dies reduziert die Chance, dass Fehler passieren, so dass eine gut spezifizierte lineare Stromversorgung eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren haben kann.
- Sie sind im Allgemeinen preiswert. Aber durch das hohe Produktionsvolumen von Schaltnetzteilen ist die Differenz zwischen einer linearen und einer geschalteten Lösung oft sehr gering.
Die wichtigsten Gründe, warum lineare AC/DC-Stromversorgungen vor allem von Schaltwandlern verdrängt wurden, sind die folgenden:
- Ein 50/60 Hz-Transformator ist viel sperriger und schwerer als ein Transformator, der für höhere Schaltfrequenzen ausgelegt ist. Zum Beispiel hat ein 10 VA-Netztransformator typischerweise ein Volumen von ca. 65 cm³, während ein 10 W-Schalttransformator dieselbe Leistung in einem Volumen von 2 cm³ hat – eine Einsparung um das 30-fache in Volumen und Gewicht.
- Lineare Stromversorgungen sind sehr ineffizient. Die Leistung wird nur zu den Spitzen des Netzzyklus übertragen – der verbleibende Teil des Zyklus wird nicht verwendet. Auf der Sekundärseite führen die Gleichrichterdioden eine beträchtliche Menge an Leistung aufgrund des hohen Kondensatorladespitzenstroms ab. Wenn dazu Linearregler zur Spannungsstabilisierung eingesetzt werden, sinkt der Wirkungsgrad noch weiter. Gesamtwirkungsgrade von unter 50 % sind nicht ungewöhnlich. Im Vergleich dazu sind Schaltnetzteile mit Wirkungsgraden von über 90 % üblich.
- Lineare Netzteile haben eine schlechte Regelung. Die Ausgangsspannung ist lastabhängig und auch direkt proportional zur Eingangsspannung. Die Haltezeit ist kurz; so wird die Ausgangsspannung durch Netzspannung, ‚Brown-outs‘ und fehlende Zyklen stark betroffen sein. Die Einschwingzeit der Übergangslast ist auch sehr schlecht, da die Stromversorgung bis zur nächsten Wechselstromspitze warten muss, um zusätzliche Energie zu übertragen, die für einen plötzlichen Lastanstieg erforderlich ist.
- Der Stromverbrauch im Leerlauf ist zu hoch, um moderne Energieeffizienzvorschriften zu erfüllen. Darüber hinaus bedeutet die Tatsache, dass Leistung nur an den Spitzen jedes Zyklus übertragen wird, dass der Leistungsfaktor für viele Anwendungen zu niedrig ist (eine lineare Stromversorgung weist einen Leistungsfaktor von typischerweise 0,5 bis 0,7 auf).
- Die Kosten für ein Schaltnetzteil sind jetzt so niedrig, dass für viele Anwendungen ein lineares Netzteil tatsächlich teurer sein kann als die viel komplexere Schaltwandleralternative.