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    Wie funktioniert ein Schaltnetzteil - Netzfilter & Gleichrichter

    Halbbrücken-Gegentaktwandler - Netzfilter & Gleichrichter

    Alex @ AEQ-WEB

    In diesem Artikel geht es um die Grundlagen und Funktionsweisen von Schaltnetzteilen. Als Basis wird ein einfaches 24 Volt Schaltnetzteil verwendet, welches vom Aufbau her einem Halbbrücken-Gegentaktwandler entspricht. Diese Art von Netzteilen findet man zum Beispiel in Desktop-Computern und bei Geräten mit einer Leistungsaufnahme von mehr als 100 Watt bis hin zu einigen Hundert Watt. Im Kilowatt-Bereich trifft man dann auf Netzteile, welche als Vollbrücken-Gegentanktwandler ausgeführt sind. Kleine Geräte wie zum Beispiel Ladegeräte oder kleine Bildschirme besitzen ein Netzteil, welches vom Aufbau her als Sperrwandler ausgeführt ist. Neben diesen Artikel existiert auch eine Videoreihe zu den Grundlagen von Schaltnetzteilen begleitet von praktischen Messungen auf YouTube.


    Achtung: Schaltnetzteile arbeiten mit sehr hohen Spannungen (> 300 Volt) - Stromschlaggefahr! Wird ein Schaltnetzteil vom Stromnetz getrennt, können in den Elektrolytkondensatoren derartige Spannungen noch einige Minuten vorhanden sein, ehe sich diese von selbst entladen. Werden Kondensatoren mit einem Bauteil-Prüfgerät oder LCR-Meter überprüft, so müssen diese vorher vollständig entladen werden! Messungen im laufenden Betrieb sollten nur durchgeführt werden, wenn das Schaltnetzteil an einen Trenntransformator angeschlossen ist. Diese Maßnahme ist insbesondere bei Messgeräten mit angeschlossenen Schutzleiter (z. B. Oszilloskope) erforderlich. Reparaturen und Modifikationen an einem Schaltnetzteil sollten nur von einer qualifizierten Fachkraft durchgeführt werden.


    Netzeingang

    Direkt an den Eingangsklemmen befindet sich am Netzeingang L eine Schmelzsicherung (F1). Entsteht auf der Primärseite ein Kurzschluss oder es fließt über einen bestimmten Zeitraum ein zu großer Strom, so löst die Sicherung aus und unterbricht die Stromzufuhr zum Netzteil. Nach der Sicherung befinden sich die Kondensatoren C4, C1 & C6 sowie eine stromkompensierte Drossel. Diese Bauteile bilden zusammen ein Filter gegen hochfrequente Störungen. Etwas anders gezeichnet sieht der Schaltplan vom Filter wie folgt aus:

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    Das Netzfilter

    Beim ersten Kondensator (C4) handelt es sich um einen sogenannten X-Kondensator. Dieser unterdrückt die im Netzteil entstehenden Gegentaktstörungen zwischen Phase und Neutralleiter. Für die 50 Hz Wechselspannung stellt dieser Kondensator einen großen Blindwiderstand (6773 Ohm bei 50 HZ) dar und beeinflusst die Netzspannung nicht. Der Blindwiderstand verhält sich umgekehrt proportional zur Frequenz, was bedeutet, dass der Kondensator für höhere Frequenzen (z.B. 6,8 Ohm bei 50 kHz) einen kleinen Blindwiderstand darstellt. Die im Netzteil entstehenden Oberwellen beginnen meist bei einigen wenigen hundert Kilohertz und sind auch noch bei über 10 Megahertz nachweisbar. Der X-Kondensator dämpft mit seinem Blindwiderstand diese Störsignale bzw. werden die hochfrequenten Störsignale teilweise sogar kurzgeschlossen. Die Bezeichnung "X"-Kondensator kommt umgangssprachlich von der Schutzklasse X (X1, X2, …). Diese gilt für Kondensatoren, welche direkt an die Netzspannung angeschlossen sind und bestimmte Sicherheitseigenschaften aufweisen müssen.

    Die stromkompensierte Drossel besteht aus einem Ferritkern, worauf die beiden Leiter gewickelt sind. Dabei werden Gleichtaktstörspannungen unterdrückt, also jene, welche auf beiden Leitungen in gleicher Richtung auftreten.

    Die Kondensatoren C1 & C6 dienen ebenfalls zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen, welche auf den Leitungen gegenüber der Erde auftreten. Auch bei den Y-Kondensatoren handelt es sich um Sicherheitskondensatoren besonderer Schutzklasse, da diese nur einen kleinen Strom über den Schutzleiter ableiten dürfen. Der maximal zulässige Ableitstrom beträgt etwa 3,5 Milliampere, was eine Kapazität von höchstens 20 nF (bei 50 Hz) bei den Y-Kondensatoren erlaubt. Der Widerstand R1 dient zur Entladung.

    Gleichrichter

    Der Brückengleichrichter besteht aus vier Dioden und wandelt die Wechselspannung in eine Gleichspannung um. Danach sind zwei Kondensatoren in Reihe geschaltet, welche die nachfolgenden Bauteile dauerhaft mit Energie versorgen. Die Gesamtspannung beider Kondensatoren entspricht fast der Spitzenspannung, also rund 325 Volt DC bei einer effektiven Eingangsspannung von 230 Volt des Gleichrichters.

    Liegt am Außenleiter (L) eine positive Halbwelle an, so fließt der Strom über BD2 zum positiven Pol der Kondensator-Kette C2/C3 und lädt diese auf. Auf der negativen Seite des Kondensators C3 fließt der Strom über BD3 wieder zurück zum Neutralleiter (N). Wechselt die Netzspannung ihre Polarität, so fließt der Strom über BD1 zur positiven Seite von der Kondensator-Kette und über die negative Seite fließt der Strom über BD4 wieder zurück zum Außenleiter.

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    Das Netzteil verfügt über einen Schalter, wo die Eingangsspannung auf 115 Volt gestellt werden kann. Damit ist ein Betrieb in anderen Stromnetzen, wie beispielsweise in den vereinigten Staaten möglich. Der Gleichrichter arbeitet dann als Spannungsverdopper:

    Liegt am Außenleiter eine positive Halbwelle an, fließt der Strom über BD2 zum Pluspol des Kondensators C2. Über die negative Seite des Kondensators fließt der Strom über den Schalter direkt zum Neutralleiter zurück. Kehrt die Polarität der Netzspannung um, so fließt die positive Spannung vom Neutralleiter über den Schalter zur positiven Seite von C3. Von der negativen Seite des Kondensators fließt der Strom über BD4 zurück zum Außenleiter.

    Aus den zwei Grafiken ist zu erkennen, dass pro Halbwelle immer ein Kondensator geladen wird. Die nachfolgende Schaltung bekommt die Spannung aus der Reihenschaltung von den Kondensatoren. Egal ob die Netzeingangsspannung 115V AC oder 230V AC beträgt, die Versorgungsspannung für die restliche Schaltung beträgt immer rund 325V DC.


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    Über den Autor

    Alex, der Gründer von AEQ-WEB. Seit über 10 Jahren beschäftigt er sich mit Computern und elektronischen Bauteilen aller Art. Neben den Hardware-Projekten entwickelt er auch Webseiten, Apps und Software für Computer.

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