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Controller an 230Vvon Benutzer:Lupin
[Bearbeiten] EinleitungDa immer wieder mal die Frage aufkommt, wie man eine eigene Schaltung direkt am Netz betreiben kann soll hier ein Artikel entstehen, welcher die Möglichkeiten zur Erzeugung einer angemessenen Gleichspannung aufzeigt. Aber zuerst eine Warnung die ernst genommen werden sollte (!!!): Das Arbeiten an Netzspannung ist lebensgefährlich!
Wer nicht ganz genau weiss womit er es zu tun hat sollte lieber eine sichere Lösung verwenden wie z. B. die Stromversorgung aus einem VDE zugelassenen Trafo oder fertige Steckernetzteile. [Bearbeiten] Stecker(schalt)netzteilDie sicherste Lösung ist die Verwendung eines Steckernetzteils welches eine galvanisch getrennte Gleichspannung bereit stellt. Wer ganz auf Nummer Sicher gehen will achtet auf das GS (Geprüfte Sicherheit) Kennzeichen auf dem Netzteil:
Zwei Steckernetzteile. Das Linke hat eine ungeregelte Ausgangsspannung (Trafo->Gleichrichtung->Siebung). Das Rechte hat eine nachgeschaltete Regelung mit einstellbarer Ausgangsspannung. Die Spannung wird meist über Hohlstecker zur Schaltung geführt. Billige Steckernetzteile geben eine ungeregelte Spannung aus, sie verändert sich mit der Last. In diesem Falle ist keine direkte Versorgung der Schaltung möglich und die Eingangsspannung sollte mit einen Spannungsregler geregelt werden:
[Bearbeiten] TrafonetzteilEin Trafonetzteil besteht aus einem Netztrafo, einer Gleichrichtung, einer Siebung und einer Regelung.
Die Ausgangsspannung des Trafos ist immer höher als die Ausgangsspannung des Reglers, da der Regler einen gewissen Arbeitsbereich benötigt, die sogenannte Dropout-Spannung. Die Leistung, die durch den Regler in Wärme umgesetzt wird errechnet sich wie folgt:
Bei 10 Volt am Eingang des Spannungsreglers, einer Ausgangsspannung von 5 Volt und einem Strom von 1 Ampere ergibt das eine Verlustleistung von 5 Watt. Hört sich nicht viel an, allerdings beträgt die Ausgangsleistung auch nur 5 Watt. Das Ergibt einen Wirkungsgrad von 50%. Dazu kommen aber noch Verluste welche im Transformator entstehen. Der Spannungsregler braucht dann einen Kühlkörper.
Ein Trafonetzteil hat auch den Nachteil, daß es durch den schweren Eisenkern nicht sehr handlich ist. Es gibt Printtransformatoren, welche sich auf die Leiterplatte löten lassen. So ist es möglich das Netzteil in die eigene Schaltung zu integrieren. Der Anschluss der 230V Netzspannung birgt allerdings eine Gefahr. [Bearbeiten] Sparsames Trafonetzteil für DauerbetriebMöchte man eine besonders sparsame Stromversorgung aufbauen, welche eine sehr kleine, sparsame Schaltung das ganze Jahr über betreiben soll, empfiehlt es sich, neben der Beachtung der Konzepte zum Stromsparen per Sleep Mode und Ultra low power, von den bekannten Minitrafos mit nur 0,5-1VA zwei statt einem zu nutzen. Dabei werden jeweils Primär- und Sekundärwicklung in Reihe geschaltet. Warum? Weil diese Trafos auf Kante dimensioniert sind, um Material und Bauvolumen zu sparen, und bei Nennspannung schon ordentlich in die magnetische Sättigung gehen. Dabei entstehen große Verluste durch Stromspitzen auf der Primärseite. Eine genauere Erklärung findet man im Artikel Transformatoren und Spulen. Bei der Reihenschaltung sieht jeder Trafo nur die halbe Spannung, damit kommt er nicht so stark in die Sättigung und es wird deutlich weniger Energie sinnlos verbraucht. Dazu noch einen stromsparenden Spannungsregler ala LP2950 und das Ganze braucht weniger als 0,5W. In diesem Forumsbeitrag wure exemplarisch ein solcher Trafo vermessen.
Einmal mit 120V Eingangsspannung (163mW) und einmal mit 230V (1550mW), die Unterschiede sind immens. Selbst wenn man die Verluste bei 120V bei der Reihenschaltung von zwei Stück verdoppelt, erreicht man in Summe eine Verringerung der Leerlaufverluste um den Faktor fünf! [Bearbeiten] Versorgung über Vorwiderstand/KondensatorWenn nur sehr kleine Ausgangsströme benötigt werden, so kommt die Verwendung eines einfachen Netzteils in Frage, welches einen Vorwiderstand verwendet um die Netzspannung herabzusetzen. Da es sich bei der Netzspannung um eine Wechselspannung handelt, eignen sich neben rein ohmschen Widerständen auch Kondensatoren und Spulen als Vorwiderstand. Praktisch werden Spulen jedoch nie verwendet, weil diese zu groß wären. Da aus Energiegründen meist Kondensatoren verwendet werden, spricht man auch umgangssprachlich vom Kondensatornetzteil. [Bearbeiten] Beispiel 5V / 10mA Kondensatornetzteil Der Kondensator C1 bildet hier den kapazitiven Vorwiderstand für unser Kondensatornetzteil, seine Impedanz bestimmt den Strom. Der Vorteil gegenüber einem Widerstand ist, dass keine Wirkleistung erzeugt wird, sprich es entsteht keine Wärme. Wenn wir alle Spannungsabfälle durch die übrigen Bauteile vernachlässigen, können wir einfach mit...
...die Impedanz des Kondensators an 50 Hz Wechselspannung errechnen (wir vernachlässigen den ohmschen Reihenwiderstand des Kodensators und betrachten seinen Blindwiderstand als Impedanz). Für 10 mA bei 230V brauchen wir einen Ersatzwiderstand von:
Das ergibt nach Gleichsetzen von X(C1) = 22 kΩ und Umstellen nach C eine rechnerische Kapazität von 145 nF. Eine Kapazität von 150nF würde gut passen und ist als Standardwert verfügbar. Mit der Wahl eines etwas größeren Kondensators kommen wir rechnerisch über 10mA und haben dadurch ein wenig mehr Luft nach oben. Der Kondensator als kapazitiver Vorwiderstand erzeugt keine Wärme, nur etwas Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung. Ein 22-kΩ-Widerstand würde 2,2 W Verlustleistung als Wärme erzeugen. Der Rest der Schaltung erklärt sich relativ einfach.
Achtung! Es ist wichtig zu wissen, daß zwischen den Punkten "+5V" und "GND" im Normalfall nur ein Potential von 5 Volt anliegt und der Strom auch durch die Schaltung begrenzt wird. Aber das Potential gegen Erde ist immer noch lebensgefährlich, da bei dieser Netzteilart keine galvanische Trennung stattfindet. Solch eine Schaltung muss man in ein Gehäuse verbauen, welches vor Berührung mit leitfähigen Teilen schützt (Schutzklasse I oder II). WARNUNG!!! Wirklich niemals (!) leitfähige Teile einer Schaltung berühren, die vom Stromnetz nicht galvanisch getrennt sind! Ein halbwegs sicherer Umgang mit der Schaltung ist dann möglich, wenn man über einen Trenntrafo eine galvanische Trennung zum Netz herstellt und hinter dem Trenntrafo mit der Schaltung arbeitet. [Bearbeiten] Links
[Bearbeiten] Besser: Querregler[1] Die Verwendung von Längsreglern (etwa 78L05) ist bei dieser Netzteilart ungünstig, da eine Vorregelung per Zener-Diode erforderlich ist. Besser ist die Verwendung eines Querreglers (etwa TL431). Dessen Vorwiderstand wird so dimensioniert, dass die Spannungsschwankungen am Ladekondensator bei maximalem Entnahmestrom gerade ausgeglichen werden können. In diesem Fall erscheinen 150 Ω angemessen, für 1,5 V Ripplespannung an C2. Auf diese Weise erhält man einen Low-Drop-Spannungsregler mit – ohnehin erforderlichem – konstanten Stromverbrauch. Merke: Die Wirkleistungsaufnahme solcher Netzteilschaltungen ist proportional zur Ladespannung am Elko C2. Daher ist diese möglichst niedrig anzusetzen. Kondensatornetzteile sind eher Stromquellen als Spannungsquellen, was bei der Schaltungsdimensionierung zu beachten bzw. auszunutzen ist. [Bearbeiten] Relais-SchaltungenDerartige Netzteile werden gern zur Ansteuerung von Relais eingesetzt. Um die Stromaufnahme und damit den Kondensator C1 möglichst klein zu halten (Kostenfaktor), werden gern 24-V-Typen benutzt, die sich mit 10 .. 20 mA Anzugstrom begnügen. Das ergibt aber trotzdem 0,25 .. 0,5 W Leistungsaufnahme, die von einem Konstantspannungsnetzteil permanent zur Verfügung gestellt wird und damit stets irgendwo verheizt wird, auch wenn das Relais nicht arbeitet. Eine Lösung des Problems ist die Umschaltung der Ausgangsspannung an C2. Damit kann die Relaisspule parallel zu C2 betrieben werden und wird zum Ausschalten durch einen Transistor mit Z-Diode am Kollektor gebrückt (ein selbstleitender SFET oder MOSFET liegt da nahe). Hauptsache, das Relais fällt bei – angenommen – 4 V auch tatsächlich ab. Die Freilaufdiode entfällt. Die Steuerschaltung (angenommen für 3 V) wird in diesem Fall mit einem Low-Drop-Längsregler mit genügend großem Eingangsspannungsbereich versorgt. [2] Eine andere Lösung verwendet eine Reihenschaltung sogar mehrerer Relaiswicklungen, die jeweils per Überbrückung abgeschaltet werden. In diesem Fall hat C2 bei höherer Spannungsfestigkeit eine vergleichsweise kleine Kapazität, da das Ripple größer ausfallen darf, da die Selbstinduktivität der Relaiswicklung(en) für Konstantstrom sorgt und C2 „leersaugt“. [Bearbeiten] SchaltnetzteilSchaltnetzteile sind heutzutage weit verbreitet, da sie gegenüber konventionellen Netzteilen eine kompaktere Bauweise, einen höheren Wirkungsgrad und geringere Produktionskosten aufweisen. Zur Versorgung einer eigenen Schaltung eignen sich am besten Steckernetzteile (auch "Wandwarzen" genannt :)) welche eine mehr oder weniger gut geregelte Ausgangsspannung bereit stellen. Um das Schaltnetzteil direkt in eine eigene Schaltung zu integrieren, ist die einzige Möglichkeit die Verwendung von fertigen AC/DC Modulen welche meist relativ teuer sind (im Vergleich zu Steckernetzteilen). Dafür bieten Fertigmodule meist gut spezifizierte Betriebsparameter und sind bei namhaften Herstellern auch über mehrere Jahre hinweg lieferbar. Ausserdem sind die leicht anwendbar, man muss kein Schaltnetzteilprofi sein. Als Alternative zum Kauf von fertigen Schaltnetzteilen soll im folgenden ein 230VAC->5VDC Netzteil vorgestellt werden. Allerdings rate ich davon ab solch ein Netzteil in Umlauf zu bringen. Das Ganze dient eher als proof of concept und natürlich wurde das Netzteil nicht nach den geltenden Sicherheits- und EMV-Bestimmungen geprüft. Die Schaltung ist ausschließlich für eigene Experimente/Schaltungen gedacht. Download Hier die ZIP Datei mit der EAGLE .brd- und .sch-Datei: Eagle Dateien downloaden Spezifikation
TODO: Ein paar mehr Messungen durchführen... Eingangsspannung kann auch unter 85VAC liegen (siehe Anmerkungen). Schaltplan
Der Schaltplan im Detail (von links nach rechts): Primärseite
Sekundärseite
Anmerkungen:
Layout
Zum Layout gibt es nicht viel zu sagen. Abstände wurden so groß wie möglich gehalten und der größte Teil des Layouts wurde mit großzügigen Kupferflächen realisiert, um eine gute Wärmeableitung und eine niederohmige Anbindung zu erhalten. Ob das Layout VDE-konform ist kann ich nicht sagen. Der Abstand zwischen Primär- und Sekundärseite sollte allerdings groß genug sein. Stückliste Das Netzteil wurde so gestaltet, dass alle Bauteile bei Farnell bestellt werden können. Nur die Platine muss man sich natürlich selbst ätzen.
Macht zusammen 11,88€. Das steht im grunde im keinen Verhältnis zu einem gekauften 5V/1A Netzteil, denn das kostet in etwa das Gleiche und ist bereits fertig aufgebaut und nach gültigen Normen geprüft. Die Eigenentwicklung solcher Netzteile lohnt sich nur in sehr großen Stückzahlen von 10.000 Stück und mehr und wenn man auf dem Gebiet viel Erfahrung hat. |
![[1]](http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ACapacitive_Power_Supply.png){kind=link}
![[2]](http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Capacitive_power_supply_%2B_relay.png){kind=link}