Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Netzteilauslegung


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von Florian F. (fifon12)


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Hallo zusammen,

meine Fragen passen zwar zu diesem Eintrag 
Beitrag "Einfaches Netzteil berechnen", da der allerdings 
recht alt ist wird man gebeten einen neuen Beitrag zu starten. (Die 
Informationen, insbesondere der link 
http://dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.9 im alten Eintrag 
sind gut.)

Hier meine 3 Fragen zum angehängten Netzteil. Den gestrichelten R1 bitte 
erstmal ignorieren.

1. Dimensionierung der Bauteile „von hinten“
Es soll eine Ausgangspannung von 3.3V erzeugt werden, die mit 40mA 
belastet werden kann.
Gegeben:
Festspannungsregler LM1117 3.3. Dieser hat ein Dropout von 1,2V bei 
800mA und 5mA Ruhestrom.
Brückengleichrichter 2W06G. Forward voltage drop pro Diode 1,1V bei 2A.

Unter der Annahme, dass die Brummspannung 20% betragen soll würde sich 
nach den Informationen im Link folgende sekundäre Trafospannung 
berechnen:
Trafospannung = (((3,3V+1,2V)/0,8)+2,2V)/(1,4*0,9) = 6,21V
Und C1 = I * dt/dU = 45mA * 10ms / 1,125V = 400µF (45mA = 40mA Laststrom 
+ 5mA Ruhestrom vom Festspannungsregler; 10ms --> 100Hz Ripple bei 50Hz 
Vollwellengleichrichtung; 1,125V = Brummspannung = 20% von 5,625V)
Stimmt das soweit?

2. Warum klappt’s trotzdem?
In der wirklichen Schaltung sind ein 6V, 0,35W Trafo und ein 100µF 
Kondensator (C1) verbaut.
Wenn ich jetzt von „vorne“ rechne:
Ueff = 6V --> U = 6*1,41 = 8,46V
Nach dem Gleichrichter: 8,46V – 2,2V = 6,26V
Der 1117 braucht 4,5V, d.h. dU darf 1,76V sein.
Bei 45mA und 100µF --> dU = I*dt/C1 = 45mA*10ms/100µF = 4,5V --> Da 
müsste doch der Festspannungsregler unterversorgt sein. Und trotzdem tut 
das Netzteil? Gemäß der Rechnung oben müsste die Kapazität des C1 4mal 
größer sein als in der realen Schaltung.
Gemessen habe ich bei 40mA Last: Ueff der sekundären Trafoseite = 6V (im 
Leerlauf bei knapp 8V). U über C1 zu 5,4V (das ist zumindestens was das 
digitale Multimeter aus der gleichgerichteten Spannung mit Rippel 
macht).

3. In der realen Schaltung liegt zwischen C1 und Festspannungsregler ein 
R1=33k parallel. Wozu ist der?

Vorab schonmal Danke für Antworten!
P.S.: Sorry für die 3 Grafiken, die gestrichelte Linie beim R1 ging 
irgendwie zunächst verloren. Lassen sich hochgeladene Bilder auch unter 
"Bearbeiten" wieder löschen?

: Bearbeitet durch User
von hinz (Gast)


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Der Spitzenstrom durch den Gleichrichter beträgt nur etwa 100mA, da 
fallen dann auch keine 1,1V pro Diode ab.

von Florian F. (fifon12)


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Leider gibt das Datenblatt nur einen Spannungsfall bei 2A an, aber bei 
niedrigeren Strömen von 100mA wären das doch immernoch ~0,7V pro Diode. 
Dann wären es 7V hinter dem Gleichrichter. Dann würde die Spannung 
immernoch auf 2,5V zusammenbrechen.

Ist der Rechenweg zu stark vereinfacht? Nach dem Nullpunkt der 
gleichgerichteten Spannung steigt die Spannung ja wieder an, d.h. ganz 
entladen wird sich der Kondensator vermutlich nicht. Entscheidend müsste 
doch sein wie steil die gestrichelte Linie in dieser Graphik ist 
http://mylime.info/images/et/et-elektronik-gleichrichter-b2u-aufgabe-2-2.jpg

von Zeno (Gast)


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hinz schrieb:
> Der Spitzenstrom durch den Gleichrichter beträgt nur etwa 100mA, da
> fallen dann auch keine 1,1V pro Diode ab.

Die Flußspannung (forward voltage) ist vom Strom unabhängig und relativ 
konstant (s. hier 
https://de.wikipedia.org/wiki/Diode#/media/File:Dioden-Kennlinie_1N4001.svg). 
Die Flußspannung ist lediglich von der Temperatur abhängig (s. Link). 
Ansonsten wird der Wert vom Aufbau bestimmt.

Die "forward voltage drop" bezeichnet die Spannung bei der die Diode in 
den leitenden Zustand übergeht, also etwas kleiner als die Flußspannung. 
Für Standardbastelei und speziell bei einem Netzteil dürfte dieser Wert 
eher nicht relevant sein. Er wird auch in den wenigsten Datenblättern 
angegeben. In der Praxis ist die Flußspannung der entscheidente 
Parameter, da er angibt um welchen Betrag sich die Spannung nach der 
Diode vermindert.

Fällt über einer Diode wirklich 1,1V ab? Ein typischer Wert für die 
Flußspannung von Siliziumdioden liegt bei ca. 0,7V.

Der R1 soll beim Abschalten C1 entladen. Ob das hier wirklich nötig ist 
möchte ich mal bezweifeln.

Zeno

von voltwide (Gast)


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Die sekundäre Wicklungsspannung dürfte angesichts der geringen Belastung 
deutlich höher ausfallen als angenommen. Die Spannungsangabe bezieht 
sich üblicherweise auf Volllast, und zwar reine Widerstandslast. Mit 
Brückengleichrichtung/Ladekondensator kommen deutliche Abweichungen von 
diesen Datenblattwerten.

von hinz (Gast)


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Florian F. schrieb:
> Leider gibt das Datenblatt nur einen Spannungsfall bei 2A an,

http://www.vishay.com/docs/88528/2w005g.pdf

Bild 3.


Florian F. schrieb:
> Ist der Rechenweg zu stark vereinfacht?

Sieht so aus. Ich komm auf 5,4V mit 1,65Vpp Ripple. Man hat so aber 
keine Reserve für 230V-10%.

von hinz (Gast)


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Zeno schrieb:
> Die Flußspannung (forward voltage) ist vom Strom unabhängig und relativ
> konstant (s. hier
> https://de.wikipedia.org/wiki/Diode#/media/File:Dioden-Kennlinie_1N4001.svg).
> Die Flußspannung ist lediglich von der Temperatur abhängig (s. Link).
> Ansonsten wird der Wert vom Aufbau bestimmt.

Man sieht deutlich, dass du falsch liegst.

von ottonormaloser (Gast)


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Florian F. schrieb:
> Und trotzdem tut das Netzteil?

Meß den Spannungsabfall am Gleichrichter und am Regler und Du weißt 
bescheid.

von Michael K. (Gast)


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Zeno schrieb:
> Die Flußspannung (forward voltage) ist vom Strom unabhängig und relativ
> konstant
Käse !
U ist sehr stark vom Strom abhängig.
0,7V kommen irgendwo auf der U/I Kennlinie vor, aber das wars auch 
schon.

Trafo Netzteile sind großzügig dimensioniert.
Ein 6V Trafo liefert bei Nennlast noch mindestens 6V, bei kleinerer Last 
auch deutlich mehr.
Der Droput beim LDO ist ebenfalls geringer bei 40mA.

Um genaueres zu erfahren mußt Du mit einem Oszi messen.

Zu 3.:
Der R soll nach abklemmen der Eigangsspannung den Elko entladen.

von MaWin (Gast)


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Florian F. schrieb:
> 2. Warum klappt’s trotzdem

Weil deine Netzspannung 230V~ beträgt und nicht 230V-10%, weil dein Elko 
noch Nennkapazität hat und nicht -20%, weil dein Spannungsregler bei 
40mA nicht denselben dropout hat wie bei 800mA, weil dein Trafo nich 
nahezu unbelastet ist und nicht unter Nennlast arbeitet und daher 
erhöhte Spannung ausgibt.

Der Widerstand entlädt den Elko damit nach dem aklemmen der 240V keine 
Spannung mehr an den Ausgangsbuchsen ist, die vielleicht beim falschen 
Anstecken (nur dranhalten, Stecker passt ja nicht) das Gerät beschädigt.

von Zeno (Gast)


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Michael K. schrieb:
> Zeno schrieb:
>> Die Flußspannung (forward voltage) ist vom Strom unabhängig und relativ
>> konstant
> Käse !
> U ist sehr stark vom Strom abhängig.
> 0,7V kommen irgendwo auf der U/I Kennlinie vor, aber das wars auch
> schon.

Du hast schon mal eine Diodenkennlinie  gesehen! Die starke 
Stromabhängigkeit im Flußbereich gibt es praktisch nur bei 
Germaniumdioden, die eben nicht diesen ausgeprägten Knick bei der 
Schleusenspannung aufweisen. Bei modernen  Siliziumdioden geht es etwas 
oberhalb der Schleusenspannung steil nach oben (s. angehängtes Bild). Ja 
es ist nicht 100% senkrecht (es ist halt keine ideale Diode) und in 
sofern ist es nicht 100% konstant. Da hat die Temperatur einen weitaus 
größeren Einfluß auf die Flußspannung (s. 2.Bild). Das könnte bei 
Leistungsdioden dann schon eine Rolle spielen, aber bei den 40mA des TO 
und der "fetten" Brücke wird da nichts passieren.

Zeno

von Florian F. (fifon12)


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Erstmal ein Danke für die Antworten!!!

zu Frage 3: Ok, verstanden. Sieht man allerdings irgendwie nie in 
Beispielen.

zu Frage 2:
@MaWin:
> Weil deine Netzspannung 230V~ beträgt und nicht 230V-10%
--> ja, die 10% Spannungstoleranz sind nicht berücksichtigt, aber selbst 
bei der Rechnung mit 230V sollte es nach der Rechnung ja schon nicht 
funktionieren.

> weil dein Elko noch Nennkapazität hat und nicht -20%
--> habe ich einen Rechenfehler drin wo ich nur 80% der Kapazität 
annehme? Wo?

> weil dein Spannungsregler bei 40mA nicht denselben dropout hat wie bei 800mA
--> stimmt, laut Datenblatt sind's 1,1V bei 100mA....was allerdings kein 
großer Unterschied ist.

> weil dein Trafo nicht nahezu unbelastet ist und nicht unter Nennlast arbeitet 
und daher erhöhte Spannung ausgibt.
--> der Trafo ist nur 0,35W, d.h. 58mA. Wie oben geschrieben ist die 
Ausgangsspannung 6V unter der Last.

@hinz:
Danke für den Hinweis auf Bild 3. Danach sollte der Brückengleichrichter 
nur 1,5V "schlucken".

Dann wäre ich bei folgenden Zahlen:
Ueff = 6V (unter der angeschlossenen Last) --> U = 6*1,41 = 8,46V
Nach dem Gleichrichter: 8,46V – 1,5V = 7V
Der 1117 braucht 4,4V (3.3 Ausgang + 1.1 dropout), d.h. dU darf 2,6V 
sein.
Bei 45mA und 100µF bricht die Spannung aber (theoretisch) um 4.5V ein 
(--> dU = I*dt/C1 = 45mA*10ms/100µF = 4,5V)

Stimmen denn die 10ms Entladezeit, die in der Rechnung angenommen 
werden? Das ist zwar die Zeit zwischen zwei Ripple, aber der Rechenweg 
entspricht doch eher dem Fall, das der Elko alleine die 
Versorgungsspannung bringen müsste. Aber in den 10ms gibt es ja auch 
noch die beiden gleichgerichteten Halbwellen.

von Florian F. (fifon12)


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hinz schrieb:

> Florian F. schrieb:
>> Ist der Rechenweg zu stark vereinfacht?
>
> Sieht so aus. Ich komm auf 5,4V mit 1,65Vpp Ripple. Man hat so aber
> keine Reserve für 230V-10%.

Hallo Hinz,

kannst du bitte kurz deinen Rechenweg aufführen und wo meiner zu stark 
vereinfacht ist? Danke!

von hinz (Gast)


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Florian F. schrieb:
> Aber in den 10ms gibt es ja auch
> noch die beiden gleichgerichteten Halbwellen.

Und die sind bei so einem weichen Trafolein ziemlich breit.

von hinz (Gast)


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Florian F. schrieb:
> kannst du bitte kurz deinen Rechenweg aufführen und wo meiner zu stark
> vereinfacht ist?

SPICE

von hinz (Gast)


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Zeno schrieb:
> Du hast schon mal eine Diodenkennlinie  gesehen!

Und sogar verstanden.

von Brad Hard (Gast)


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>> kannst du bitte kurz deinen Rechenweg aufführen und wo meiner zu stark
>> vereinfacht ist?
hinz schrieb:
> SPICE

Brüll...

Armes Deutschland. Ohne Spice gehen die einfachsten Sachen nicht mehr.

Stümper.
:(

von hinz (Gast)


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Brad Hard schrieb:
> Stümper.

Depp

von MaWin (Gast)


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Florian F. schrieb:
>> Weil deine Netzspannung 230V~ beträgt und nicht 230V-10%
> --> ja, die 10% Spannungstoleranz sind nicht berücksichtigt

Doch, natürlich, dazu sind die 0.9 in der Formel
(((3,3V+1,2V)/0,8)+2,2V)/(1,4*0,9)

> aber selbst
> bei der Rechnung mit 230V sollte es nach der Rechnung ja schon nicht
> funktionieren.

Die Formel garantiert eine Funktion auch bei ungünstigen Gegegenheiten, 
wie schlechtem Elko und Netzspannung am Toleranzminimum und du hast 
sogar den Diodenspannungsabfall auf 2,2V eingestellt.

Es ist nicht so, daß bei Unterschreiten der Formel das Netzteil sofort 
ausfällt, da muss dann erst ein Problem nach dem anderen dazukommen.

>> weil dein Elko noch Nennkapazität hat und nicht -20%
> --> habe ich einen Rechenfehler drin wo ich nur 80% der Kapazität
> annehme? Wo?

Die Formel enthält den Kapazitätsverlust, weil der Elko ja nicht 10ms 
pro Halbwelle stützen muss sondern bloss 8ms, was sich elegant mit dem 
crestfaktor wegkürzt.

>> weil dein Spannungsregler bei 40mA nicht denselben dropout hat wie bei 800mA
> --> stimmt, laut Datenblatt sind's 1,1V bei 100mA....was allerdings kein
> großer Unterschied ist.

Und was bei 40mA ?

>> weil dein Trafo nicht nahezu unbelastet ist und nicht unter Nennlast arbeitet
> und daher erhöhte Spannung ausgibt.
> --> der Trafo ist nur 0,35W, d.h. 58mA. Wie oben geschrieben ist die
> Ausgangsspannung 6V unter der Last.

Und, was liefert er ?

von MaWin (Gast)


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Brad Hard schrieb:
> hinz schrieb:
>> SPICE
>
> Brüll...
> Armes Deutschland. Ohne Spice gehen die einfachsten Sachen nicht mehr.
> Stümper.
> :(

Ein plakatives Beispiel wie dumm Brad Hard so ist.
Trotz gelogenem Namen vermutlich ein Deutscher,
über die er hier so lästert.

Die Berechnung der Spannungsverläufe in einem realen Netzteil,
also unter Berücksichtigung der Drahtwiderstände etc.
ist so kompliziert, daß Differentialgleichungen zu Hauf gelöst
werden müssen (weisst du überhaupt, was eine Differentialgleichtung
ist ?) was man sich sicher nicht ohne Spice antun wird.

von Zeno (Gast)


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hinz schrieb:
> Florian F. schrieb:
>> Aber in den 10ms gibt es ja auch
>> noch die beiden gleichgerichteten Halbwellen.
>
> Und die sind bei so einem weichen Trafolein ziemlich breit.

Stimmt! Trafos verändern die Frequenz - insbesondere wenn sie weich 
sind. Was rauchst Du?

von Homo Habilis (Gast)


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Zeno schrieb:
> Trafos verändern die Frequenz

Und Du glaubst nicht etwa, daß hinz vielleicht (nur vielleicht ^^) die 
Strompulse beim Nachladen gemeint haben könnte?

von Michael K. (Gast)


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Zeno schrieb:
> Du hast schon mal eine Diodenkennlinie  gesehen! Die starke
> Stromabhängigkeit im Flußbereich gibt es praktisch nur bei
> Germaniumdioden,

Du redest Blech.
Anbei die Kurve zur 1N4007.

Das im 40mA (RMS) Bereich die Vf kaum eine Rolle spielt ist richtig.
Das die Vf bei Si Dioden annähernd konstant ist, ist falsch

von hinz (Gast)


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Zeno schrieb:
> Was rauchst Du?

Kleine Zenos, in der Pfeife.

von Der Andere (Gast)


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Zeno schrieb:
> Du hast schon mal eine Diodenkennlinie  gesehen! Die starke
> Stromabhängigkeit im Flußbereich gibt es praktisch nur bei
> Germaniumdioden,

Hast du mal deine selbst geposteten Kennlinien angeschaut?
Die Id zu Uf Kennline zeigt z.B. bei 25°C daß Uf bei 40mA irgendwo bei 
0,7V ist, bei 1,2A schon fast bei 0,9V.
bei der 100°C Kennlinie ist es noch stärker ausgeprägt.
Das wäre bei einer Vollbrücke also ein Unterschied von 0,4V.

Für mich ist das mehr als nichts.

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