Controller an 230V

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von Benutzer:Lupin

Einleitung

Da 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!


Deshalb sollte man nie direkt an Netzspannung arbeiten, wenn überhaupt nur mit entsprechenden Schutzeinrichtungen (z. B. Trenntrafo) und dann auch nur wenn man über die nötige Erfahrung verfügt. Aber grundsätzlich ist Vorsicht geboten.

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.

Stecker(schalt)netzteil

Die 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:

SteckerNetzteile.jpg

Zwei Steckernetzteile. Das Linke hat eine ungeregelte Ausgangsspannung (Trafo->Gleichrichtung->Siebung). Das Rechte hat eine einstellbare Ausgangsspannung. Auch bei einstellbarer Ausgangsspannung kann diese geregelt oder ungeregelt sein.

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 einem Spannungsregler geregelt werden:

V Regler.gif

Trafonetzteil

Ein Trafonetzteil besteht aus einem Netztrafo, einer Gleichrichtung, einer Siebung und einer Regelung.

  • Der Netztrafo stellt eine galvanisch getrennte Wechselspannung am Ausgang bereit, diese Spannungs ist bedeutend kleiner als die Eingangsspannung.
  • Die Gleichrichtung wandelt diese Wechselspannung in eine Gleichspannung. Die Siebung entfernt die restlichen Wechselspannungsanteile (nach einer Vollbrückengleichrichtung beträgt die Wechselspannungsfrequenz 100 Hz).
  • Die Regelung kann u.U. auch weggelassen werden, wenn keine genaue Ausgangsspannung gefordert ist. Aber ohne Regelung würde die Ausgangsspannung je nach Belastung schwanken. Die Regelung sorgt dafür, dass unabhängig von der Belastung des Netzteils die gewünschte Ausgangsspannung konstant am Ausgang anliegt.

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:

P_{Verlust}=(U_{Ein}-U_{Aus}) \cdot I_{Aus}

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.

Trafont.gif

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.

Sparsames Trafonetzteil für Dauerbetrieb

Möchte 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 des Magnetisierungsstroms 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.

  • Kanal 1 Eingangsstrom
  • Kanal 2 Eingangsspannung
  • Kanal M Leistung

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! Die eingesparte Leistung von ca. 1224mW bedeutet bei Dauerbetrieb einen Verbrauch von ca. 10,7 kWh pro Jahr, was ca. 2,5 Euro entspricht. Damit sind die Kosten für den 2. Trafo nach etwas mehr als einem Jahr schon wieder kompensiert und man spart in den nachfolgenden Jahren das Geld.

Von selbst sparsame Trafos (EuP)

Inzwischen (2013) gibt es auch fertige Trafos, welche im Leerlauf so sparsam sind, dass sie die EU-Norm einhalten. z.B. vom Hersteller HAHN die Serie EUP[1], von BLOCK die Serie VBE[2]. Diese haben nur einen Leerlaufverbrauch von 0,4W und eigenen sich somit hervorragend für sparsame und langlebige Schaltungen.

Dauerkurzschlussfeste Trafos

Printtrafos im Leistungsbereich bis vielleicht 4 VA werden heutzutage meist als dauerkurzschlussfeste (auch unbedingt kurzschlussfest genannte) Trafos angeboten. Der Trick 2 Trafos in Reihe zu schalten um Energie zu sparen, kann bei diesen zu einem Problem führen: Die Kurzschlussfestigkeit wird durch einen höheren Widerstand der Sekundärwindung erreicht. Kommt es zu einem Kurzschluss, begrenzt der Widerstand den Strom und die insg. abgerufene Leistung bleibt unterhalb des thermischen Limits. Werden nun 2 dieser Sekundärwindungen in Reihe geschaltet, verdoppelt sich der Gesamtwiderstand. Die erreichte Spannung bei Nennlast bleibt dadurch deutlich unter der angegebenen Nennspannung der Trafos. Bei niedriger Last läuft dagegen die Spannung weit über diesen Wert hoch. Vor allem für Schaltungen mit stark schwankender Leistungsaufnahme wird es dadurch schwer passende Trafos zu wählen.

Dem kann man begegnen, in dem man 2 Trafos für die doppelte der gewünschten Nennspannung verwendet. Die Primärwindungen werden wie bisher in Reihe geschaltet, die Sekundärwindungen dagegen parallel. Damit bleibt der Spareffekt bestehen, die Varianz der Ausgangsspannung wird aber deutlich reduziert.

Versorgung über Vorwiderstand/Kondensator

Wenn 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.

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...

\mathrm{X_{C}= {1 \over {2 \pi \cdot f \cdot C}} }

\mathrm{X_{C1}= {1 \over {2 \pi \cdot 50Hz \cdot C}} }

...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:

\mathrm{R_{Ersatz}= {230V - 12V \over 0,01A} = {21800 \Omega} = {22k \Omega} }

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.

  • Sicherung F1 soll vor möglichen Schwelbränden im Falle eines Kurzschlusses schützen. Brandsichere Widerstände R1 und R2 erfüllen den gleichen Zweck.
  • R1 und R2 begrenzen zusammen den Einschaltstrom, sollte die Schaltung beim Sinusscheitelpunkt angeschlossen werden (Eingangsspannung kurzzeitig 325V). Es wurden zwei Widerstände verwendet, damit sich der Spannungsfall über beide Widerstände aufteilt, denn normale Widerstände sind nur bis 200 V belastbar. Der kurzzeitig hohe Ladestrom, der nur von diesen Widerständen begrenzt wird, wird von C2 und D1 aufgenommen.
  • R3 und R4 dienen als Entladewiderstände für C1, damit nach Trennen vom Netz keine gefährliche Ladung im Kondensator verbleibt. Auch hier werden zwecks Spannungsaufteilung zwei Widerstände verwendet.
  • Der Brückengleichrichter B1 richtet die Wechselspannung in eine Gleichspannung.
  • Die Z-Diode D1 begrenzt die maximale Eingangsspannung für IC1. Sie muss lediglich so gewählt werden, dass der Spannungsregler noch sauber arbeiten kann.
  • Die Eingangsspannung für IC1 wird durch C2 und C3 gepuffert. Die Wechselspannungsanteile der gleichgerichteten Spannung sind dadurch sehr gering.
  • IC1 ist der Spannungsregler, er erzeugt die 5V Ausgangsspannung. C4 soll ein Schwingen des Reglers verhindern.
  • IC1 kann alternativ auch mit einem stromsparenden Regler wie z.B LP2950 bestückt werden, dadurch stehen 3..5mA mehr für die Schaltung zur Verfügung, welche sonst vom 7805 verbraucht werden.
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.

Links

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.

Noch besser: Schalt-Shunt-Regler

Mit einem 'Kondensator gekoppelten Schalt-Shunt-Regler' (Capacitor-Coupled, Switched Shunt, Regulator oder „CCSS-Regulator“), z.B. dem Supertex SR10 sind Standby-Verbräuche von weniger als 20mW möglich:

SR10.PNG

Relais-Schaltungen

Derartige 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“.

Schaltnetzteil

Schaltnetzteile 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. Fertigmodule bieten 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.

Hersteller Bezeichnung Ausgangsspannung Leistung ca. Preis Datenblatt Bezugsquellen
Mean Well IRM-03-5 5V 3W 5€ Mean Well TME,Rei,Mou
Hi-Link HLK-PM01 5V 3W 2-3€ Webseite,Review Ali,Ebay

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

  • Eingangsspannung 85VAC bis 265VAC @ 50-400 Hz
  • Ausgangsspannung 5 Volt / 1 Ampere

TODO: Ein paar mehr Messungen durchführen...

Eingangsspannung kann auch unter 85VAC liegen (siehe Anmerkungen).

Schaltplan

Smps5v sch.gif

Der Schaltplan im Detail (von links nach rechts):

Primärseite

  • F2 ist eine träge Sicherung (1 Ampere). Sie sichert die Schaltung ab, sollte auf der Primärseite ein Kurzschlussstrom fließen
  • Der Brückengleichrichter richtet die Netzspannung gleich
  • C9, L1, C2 bilden einen Pi-Filter. Über den Kondensatoren liegt bei 230VAC Eingangsspannung eine Spannung von ungefähr 310 Volt an
  • C5, R1, D3 bilden ein Snubber-Netzwerk (Klemmschaltung) - dieses Netzwerk "verbrät" die Leistung welche beim Abschalten des Leistungstransistors in die Primärwicklung induziert wird (da sich die Spannungsverhältnisse umkehren)
  • Der Regler-IC ohne Bezeichnung ist ein TNY264 - er integriert eine fortschrittliche PWM-Regelung (dabei handelt es sich um eine PWM mit variabler Frequenz und Frequenz-Jitter), eine primärseitige Strombegrenzung, einen Fehlereingang und die Erzeugung seiner eigenen Betriebsspannung aus der Netzspannung
  • Der Trafo T1 ist ein Sperrwandlertrafo mit Luftspalt (Kern E16)
  • C8 unterdrückt hochfrequente EMV Störungen - Wichtig: Der Kondensator muss der Klasse Y1 entsprechen um die Sicherheit zu gewährleisten.

Sekundärseite

  • D2 dient als Gleichrichterdiode
  • C4, L2, C3 bilden einen weiteren Pi-Filter zur Filterung der Ausgangsspannung
  • Über Zener Diode D1, R2 und Optokoppler OK1 wird die Ausgangsspannung zum Regler IC zurück gekoppelt. Der Regler versucht einen konstanten Strom durch den Transistor in OK1 fließen zu lassen, dadurch wird auf der Sekundärseite eine konstante Ausgangsspannung erzeugt.

Anmerkungen:

  • Zwischen L und N hätte man auch noch einen Varistor zur Überspannungsbegrenzung und einen X Kondensator (nach der Sicherung!) zur Unterdrückung von HF schalten können
  • Zur Verbesserung der EMV hätte man auch noch eine Netzdoppeldrossel verwenden können. Diese Drossel würde Gegentaktstörungen verringern. Allerdings lässt sich auch mit einer einfachen Drossel eine ausreichende EMV erreichen (ob das bei dieser Schaltung der Fall ist weiss ich nicht und würde ich bezweifeln)
  • Bei Versuchen am Labornetzteil stellte sich heraus, dass das Netzteil schon bei 50VDC Versorgung funktioniert. Einen Belastungstest habe ich bei dieser Spannung nicht durchgeführt, aber dadurch hat man die Möglichkeit das Netzteil gefahrlos zu erproben.

Layout

Smps5v brd.gif

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.

Stromlauf Bestellnummer Bezeichnung Preis (1 Stück)
F2 3030076 Sicherung - 1A, Flink 0,62 €
B1 1467468 DF04M Brückengleichrichter - 1.5A, 400V 0,21 €
C9 C2 1165626 Kondensator Vishay - 4.7µF, 400V 0,23 €
L1 1077038 Drossel - 2.2mH 1,25 €
IC1 9921320 TNY264PN 1,65 €
D3 1299306 SF18G Diode - 1A, 600V 0,23 €
C5 1141794 Kondensator Vishay - 2.2nF, 1kV 0,22 €
R1 Widerstand - 1/4W, 200k Ohm 0,05 €
C8 3531971 Kondensator X1/Y1 Murata - 1nF, 4kV 0,31 €
T1 1214650 Trafo Myrra 74094 4,20 €
D2 9907637 Schottky Diode STPS2L60 - 2A 0,30 €
C4 C3 1219462 Kondensator Panasonic - 470µF, 16V 0,37 €
L2 1077049 Drossel - 10µH 1,25 €
D1 1097231 Zener BZX79-C3V9 - 3.9 Volt, 500mW 0,11 €
R2 Widerstand - 1/4W, 100Ω 0,05 €
OK1 9707700 Optokoppler PC817 0,36 €

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.

Quellen

  1. HAHN Katalogauszug EUP Abgerufen am 17. April 2013
  2. BLOCK Katalog S. 4 und S. 42 Abgerufen am 17. April 2013