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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Festspannungsnetzteil / Siebelko Berechnung , könnte das jemand kontrollieren?


Autor: Alex S. (alex_s16)
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Hallo Foristi,

ich steige gerade in die Elektronik ein und möchte mir gerne ein 
spannungssymetrisches 15V, 1A Festspannungsnetzteil bauen. Dafür habe 
ich mich die letzten Tage hier eingelesen und eine Rechnung aufgestellt. 
Würdet ihr mir evtl. helfen und das kurz nachvollziehen? Trotz der 
offensichtlichen Einfachheit erscheint mir das gar nicht so trivial...

Folgende Daten:

Vollwellengleichrichtung
Ausgangsspannung Ua: 15V
Strom Ia: 1A
Spannungsabfall am Brückengleichrichter Ub: 2*1V
Spannungsabfall am Spannungsregler 7815 Us: 2,5V
Gewünschte Restwelligkeit: 10%
Angenommene Netzschwankung 10%

Dimensionierung Trafo:

Utr= ((Ua+Us)/0,9+Ub) / (1,41*0,9)
Utr= 21,44 / 1,269
Utr= 16,89V

Dieser Wert stellt jetzt das absolute Minimum an Trafo-Nennspannung dar 
mit der ich die Schaltung betreiben kann, richtig? D.h. in der Realität 
wäre ein 18V Trafo angebracht?

**-------------**

Die Kapazität des Siebelkos:

Faustformeln scheint es da sehr viele zu geben. Mal wird von 1000uF /A 
gesprochen,
mal von 2200uF / A. Woher kommt das?

Ich würde gerne rechnen. Auch da habe ich versch. Ansätze gefunden, die 
wohl allesamt Näherungen für das Problem sind.

Wenn ich folgende Formel benutze

                Volllaststrom
----------------------------------         (in Farrad)
(Trafospannung * 1,41 - 2) * (Ripple in %)

                 1A
= ----------------------
        (18*1,41-2)*10%

komme ich auf folgenden Wert, der um einiges höher liegt als die 
Faustregel oder vertue ich mich da irgendwie?

= 0,0042F =4200uF

Alternativ kann der Wert ja auch über die Beziehung:

       Ia*t
C=  -----
        Ud

mit Ud= (18*1,41-2)*0,9 - 17,5 / t=0,01s (bei 100hz)

ausgerechnet werden. Dann bekomme ich aber einen anderen Wert.
Nämlich 2800uF.

Woher kommt dieser Unterschied? Mache ich hier einen Fehler? evtl. bei 
der Berechnung von Ud? Was ist denn nun "richtiger"?

**----------------------**


Puh...würde mich freuen, wenn sich das jemand anschaut und kritisch 
kommentiert.
Entschuldigt evtl. Fehler..

Vielen Dank,
Alex

Autor: MaWin (Gast)
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Deine mehr als 16V passen.

> Woher kommt das?

Weil die Leute in absoluten erlaubten Spannungsabfall rechnen ohne dran 
zu denken, daß bei einem 5V Netzteil 2V Ripple wohl schon viel sind, bei 
einem 40V Netzteil kaum auffallen.

4200uF bei 1A macht 2.3V Spannungsabfall in jeder Halbwelle,
18V Trafo, also 23.4V nach Gleichrichtung sind das 10%.

> Woher kommt dieser Unterschied?

Weil Ud weder -17,5V noch *0.9 beinhaltet,
es ist NICHT die verbleibende Spannung, sondern die gesamte nach dem 
Gleichrichter, also Ud = 18*1.414-2 = 23.4V.

Nun noch bei 18V Trafo die Maximalspannung bei 10% Netzüberspannung 
ausrechnen:

18 * 1.1 + 23% (typische Leerlaufspannungsüberhöhung eines 25VA Trafos) 
* 1.414 (Gleichrichterffekt) - 2*0.7V (Spannungsabfall der Dioden bei 
5mA Ruhestrom) = 33V, also unter den erlaubten 35V eines 7805. Passt.

Bleibt noch die mittlere Verlustleistung im Spannungsregler bei Vollast 
und 10% Netzüberspannung zu berechnen:

(18*1.1*1.414-2)*0.95 (die Hälfte von 10% Ripple) - 15 = 9.6V bei 1A 
also 10W, bei 40 GradC Umgebungstemperatur und 125 GradC erlaubter 
Chiptemperatur sind 8.5K/W Wärmewiderstand möglich, davon 5 für das 
TO220 Gehäuse, 0.5 für die Isolatorscheibe bleiben 3 K/W für den 
Kühlkörper, also so einer
http://www.reichelt.de/?ACTION=3;ARTICLE=35380;PROVID=2402

Kann man bei gegebenem Trafo etwas verringern, in dem man einen 
GRÖSSEREN Ripple erlaubt, also kleineren Elko nimmt.

Autor: R. Freitag (rfr)
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Beachte bei deiner Rechnung bitte, dass am 7815 mindestens 3 V abfallen 
müssen, sonst setzt die Regelung aus. Ergo wirst du das alles nochmal 
rechnen müssen.

Gruss

Robert

Autor: MaWin (Gast)
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Nö Robert, er hat schon worst case 2.5V angenommen, obwohl typical 2V 
sind.

Autor: Alex S. (alex_s16)
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Hallo MaWin,

vielen Dank für die Ausführung. Das schaue ich mir gleich mal an und 
frage noch mal
nach, falls etwas unklar ist. :-)
Danke Dir!

Alex

Autor: Ohforf Sake (ohforf)
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Wenn ich das Datenblatt richtig verstehe, reduziert der 7815 bei 23V 
Eingangsspannung die Welligkeit um satte 54dB (Minimum).
Demnach wäre kein besonders dicker Elko nötig, oder ?

Autor: A. K. (prx)
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Wenn man keine extremen Ansprüche hat, dann ist die prozentuale 
Welligkeit vor dem Regler nicht relevant. Wichtig ist nur, dass die 
Mindestspannung des Reglers nicht unterschritten wird - wobei damit 
nicht die Dropout-Spannung gemeint ist (2,0V), sondern diejenige, die im 
Datasheet für saubere Regelung vorausgesetzt wird (3-5V beim 15V-Typ).

Folglich erscheint es mir sinnvoller, den Elko aus den konkreten Werten 
des zulässigen Spannungsverlaufs zu berechnen, als aus der prozentualen 
Welligkeit.

Autor: MaWin (Gast)
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> sondern diejenige, die im Datasheet für saubere Regelung
< vorausgesetzt wird (3-5V beim 15V-Typ).

Unsinn.

Schau ins Datenblatt.

http://focus.ti.com/general/docs/lit/getliterature...

Mindesteingangsspannug für 7815: 17.5V.
Also 2.5V mehr, und das reicht.

Autor: MCUA (Gast)
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Die Regel-Eigenschaften werden aber besser, wenn die V.In mehr als 2,5 V 
über der V.out liegt

Autor: Alex S. (alex_s16)
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> Folglich erscheint es mir sinnvoller, den Elko aus den konkreten Werten
> des zulässigen Spannungsverlaufs zu berechnen, als aus der prozentualen
> Welligkeit.


Hallo A.K.

wie würde das konkret funktionieren? Die Spannung nach dem Gleichrichter 
abzüglich der Ausgangsspannung +  die Spannung die der Regler benötigt. 
Also (Ueff*1,41-2)-(15+Us)
und diesen Wert dann in die Kapazitätsgleichung für den Elko einsetzen?

Autor: A. K. (prx)
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MaWin schrieb:

> Schau ins Datenblatt.

Habe ich. Allerdings bei NS.

> Mindesteingangsspannug für 7815: 17.5V.
> Also 2.5V mehr, und das reicht.

Offiziell nur, wenn du es schaffst, die Sperrschicht auf 25° zu halten, 
was bei einem mit 1A belasteten Spannungsregler nicht so ganz einfach 
ist.

Über den gesamten Temperaturbereich sind die Parameter im Datasheet von 
NS teilweise erst ab 20V angegeben (line regulation bei 1A). Muss man 
sich nicht unbedingt dran halten, aber wenn man NS notfalls ans Bein 
pinkeln will, dann schon.

Deshalb hatte ich den Bereich 3-5V angegeben, je nachdem wie ernst man 
es meint.

Autor: Katherine J. (katherine)
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Moin Alex,

check mal den Power Supply Parameter Estimater
http://www.tangentsoft.net/elec/ps-est.html
Hatte mir mal für die Berechnung eine Tabelle gemacht, aber online ist 
das auch super - und vor allem alles drin.

Gruß Katherine

Autor: .. (Gast)
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Da ein Trafo mit Gleichrichter und Siebelko an der Sekundärwicklung fast 
immer kurzzeitig in der Sättigung hängt, sind alle die Formeln, die die 
"Nennspannung" des Trafos enthalten, wenig hilfreich: Ersetzt du den 
Trafo durch einen anderen, wirst du plötzlich eine ganz andere Spannung 
am Siebelko messen. Du mußt immer den konkreten Trafo betrachten, den du 
verwenden möchtest. Dazu mußt die Spannung am Siebelko messen und sie 
ins Verhältnis zur gemessenen Netzspannung setzen. Nur dann weißt du, 
was wirklich am Ausgang heraus kommt.

Netzteile mit Festspannungsregler machen heute eigentlich nur noch Sinn, 
wenn die Ausgangsströme relativ gering sind, weil für eine ordentliche 
Funktion des Reglers, auch bei Netzunterspannung oder kurzzeitigen 
Netzspannungseinbrüchen, mit einer deutlich höheren Eingangsspannung am 
Siebelko gearbeitet werden muß, was bei hohen Ausgangströmen zu ganz 
erheblichen Kühlproblemen führen kann.

Also, am besten mit einer relativ hohen Spannung am Siebelko arbeiten 
und einen Switcher verwenden, der die Spannung mit erheblich geringeren 
Verlusten "heruntertransformiert".

Sollen die 15V besonders rauscharm und ripple-frei sein, hätte man 
früher die Ausgangsspannung des Switchers auf 18V erhöht und ihm einen 
7815 nachgeschaltet. Dann hatte man beides, die überragenden 
Regeleigenschaften eines 7815, mit dem überragenden Wirkungsgrad eines 
Switchers. Heute nimmt man gleich einen modernen Switcher, dem man ein 
passendes Pi-Filter nachschaltet.

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Wenn man aber mal im Reichelt Katalog schaut sind 2x24V Schaltnetzteile 
teurer als ein 2x18V Trafo + Siebkette.
Der Vergleich hinkt etwas wegen den unterschiedlichen Spannungen. Sollte 
aber so ungefähr hinkommen.

Für symmetrische Spannungsversorgungen kriegt man schlecht 
Schaltnetzteile zu kaufen.

Autor: .. (Gast)
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>Wenn man aber mal im Reichelt Katalog schaut sind 2x24V Schaltnetzteile
>teurer als ein 2x18V Trafo + Siebkette.

Ich sagte nicht "Schaltnetzteil", sondern "Switcher". Also, Trafo + 
Siebkette + Switcher.

Außerdem darfst du die Kosten für die nötige Kühlung bei der Lösung mit 
dem 7815 nicht unterschlagen. Ganz abgesehen von dem deutlich erhöhtem 
Platzbedarf.

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Ach so meinst du das. Da ist natürlich was dran. Bei modernen 
Schaltreglern hast du schon einen kleineren Platzverbrauch.
Muss man dann genau durchrechnen. Bei 2-3Watt Verlustleistung am 
Linearregler lohnt sich das ganz subjektiv beurteilt nicht. Da sind die 
Kosten vom Schaltregler höher (Auch mit Kühlkörper).

Bei geschickter Auslegung schafft man so um die 5V Spannungsdifferenz. 
Also landet man irgendwo bei 0,5A Strom.

Autor: Alex S. (alex_s16)
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>es ist NICHT die verbleibende Spannung, sondern die gesamte nach dem
>Gleichrichter, also Ud = 18*1.414-2 = 23.4V.

Entschuldigung, aber hier muss ich einfach nochmal nachfragen. Ich habe 
jetzt in drei versch. Büchern zum Thema nachgeschlagen (Tietze, Scherz, 
Horowitz) und überall wird die Kapazität des Ladeelko aus der Beziehung:

         I*dt
C = --------
          dU

errechnet, in der dU ganz klar als die Restwelligkeit in V angegeben ist 
und nicht die gesamte nach dem Gleichrichter. Da kommt aber def. ein 
anderes Ergebnis bei raus.

Wo ist das Brett, das ich vorm Kopf habe? Und vor allem..wie krieg ich 
das weg? :-)

Autor: .. (Gast)
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>Wo ist das Brett, das ich vorm Kopf habe? Und vor allem..wie krieg ich
>das weg? :-)

Du rechnest mit zwei unterschiedlichen dU. Du kannst nicht einerseits 
sagen, daß dU 10% von U betragen soll und andererseits fordern, daß

>Ud= (18*1,41-2)*0,9 - 17,5 / t=0,01s (bei 100hz)

gilt. Die "17,5" in der obigen Gleichung sind ja reine Spekulation, das 
was du haben möchtest, aber nicht das, was sich mit den gewählten 
Parametern auch wirklich ergibt.

Die beiden Formeln hängen folgendermaßen zusammen:

C = dQ / dU = I x dt / dU

Jetzt erweiterst du den Nenner mit U/U, um den den Ripple dU in Prozent 
von U angeben zu können:

C = I x dt / (U x dU/U) = I / (U x dU/U x 1/dt) = I / (U x dU / U x 100)

unter der Annahme, daß dt = 10msec ist, also 1 / dt = 100.

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