Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Wundersame Spannungsvermehrung durch Gleichrichtung?


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von Uli A. (schnuppi44)


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Hallo zusammen,

ich brauche ein bisschen Hilfe beim Stopfen von "Halbwissens-Lücken" ;-)

Ich bin gerade im Mailkontakt mit einem (bekannten und amtlichen) 
australischen Entwickler von Tonstudiotechnik und PSU-Kits, weil ich ein 
Ersatznetzteil mit mehreren Spannungen für ebenfalls ein Studiogerät 
brauche mit den Specs:

+/- 27V @1A (linear)
+8V @ 2A
+48V @ 500mA

Es ging in der Korrespondenz um die Auswahl bzw. Dimensionierung des 
Ringkern-Trafos für den linearen Teil +/-27V, der nach Gleichrichtung 
und Spannungsregelung über ein Paar LM317/LM337 dann einzelne 
Modulkarten mit diskreten Opamps versorgt (auf jeder Karte ist dann 
nochmal eine LM317/LM337-Kombi, die nochmal "fein" nachregelt (ich 
glaube auf +/-24 oder +/-25) ).

Jedenfalls ging ich davon aus, dass man dann ja vermutlich einen 2x30VAC 
Trafo nehmen würde, um daraus im eigentlichen Netzteil über ebenfalls 
LM317/LM337 dann die +/-27V für den Modulbus herzustellen, weil die LM's 
ja lediglich RUNTERregeln können.
Er aber schrieb mir, dass dafür ein (2x) 22-25VAC Trafo am besten 
geeignet sei, mit der Angabe: "22 to 25VAC = 1.414 x AC = 31 to 35VDC"

Was krieg ich hier nicht mit? Warum werden aus 25VAC gleichgerichtet 
31VDC?

Klar, die Formel findet man überall so, und ich habe bisher vage 
verstanden, dass es mit RMS- und Peakwerten zu tun hat und mit den 
Anzeigefähigkeiten von z.B. Multimetern. Und ggfs. mit der Art der Last 
am Ende. Aber die Frage ist ja dann, was macht denn der LM317/LM337 
daraus?
Bzw. wenn meine lineare Stromversorgung am Ende ja nunmal +/-27V NACH 
den PSU-LM317/337's benötigt, wäre das dann wirklich gegeben?

Freue mich über Aufklärung...

von Vanye R. (vanye_rijan)


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> Was krieg ich hier nicht mit? Warum werden aus 25VAC gleichgerichtet
> 31VDC?

Naja, eigentlich werden aus 25V * sqrt(2) = 35V. Davon musst du aber 
noch zwei Diodenspannungen vom Gleichrichter abziehen. Und dann kommen 
noch die Fragen wie weit bricht die Spannung bei maximallast am Elko 
zusammen, also wie dick sollen deine Elkos sein und natuerlich noch 
Netzspannungsschwankungen!

Vanye

von Monk (roehrmond)



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Uli A. schrieb:
> Warum werden aus 25VAC gleichgerichtet 31VDC?

Die 25 Volt sind der effektiv-Wert der Spannung. Die Spitzen-Spannung 
beträgt 35 Volt. Siehe 02010713.gif.

Der Kondensator hinter dem Gleichrichter lädt sich auf die 
Spitzen-Spannung auf. Unter Last sinkt die Spannung pulsierend ab, wenn 
der Kondensator entladen wird.

: Bearbeitet durch User
von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Uli A. schrieb:
> Aber die Frage ist ja dann, was macht denn der LM317/LM337 daraus?
Vorrangig die gewünschte Ausgangsspannung, so lange die 
Leerlaufeingangsspannung nicht zu sehr ansteigt. Und zugleich macht er 
aus der "überhöhten" Eingangsspannung einfach nur Wärme.

> Bzw. wenn meine lineare Stromversorgung am Ende ja nunmal +/-27V NACH
> den PSU-LM317/337's benötigt, wäre das dann wirklich gegeben?
Wenn die Pufferelkos es schaffen, dass selbst unter maximaler Last die 
positive Eingangsspannung des 317 nicht unter +30V absinkt und die des 
337 nicht über -30V ansteigt.

Für den jeweils konkret verwendeten Spannungsregler im Datenblatt nach 
"drop voltage" suchen.

: Bearbeitet durch Moderator
von Michael B. (laberkopp)


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Uli A. schrieb:
> Was krieg ich hier nicht mit? Warum werden aus 25VAC gleichgerichtet
> 31VDC?

Weil 25V der rms Mittelwert ist, aber eine Spitzenwertgleichruchtung 
stattfindet und der Spitzenwert eben 1.41 fach über dem rms Mittelwert 
liegt.

Dafur nimmt die Strombelastbarkeit ab  um 33%, eine wundersame 
Leistungsvermehrung ergibt sich also nicht.

https://dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.9

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Uli A. schrieb:
> Warum werden aus 25VAC gleichgerichtet 31VDC?
Spannend wird es, wenn du mal Unterspannung hast und die Netzspannung 
bei 230V-10% liegt. Dan hat dein Trafo nur noch 22,5V, die 
gleichgerichtete und belastete Spannung nur noch 29V und die Regler sind 
im Bereich, wo sie die gewünschten 27V nicht mehr liefern können. Dann 
hast du Ripple auf diesen 27V.

von J. S. (engineer) Benutzerseite


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Das mit den "22 VA -> 31V" wird schon mal zu knapp!

Die Spannungsspitze 1,41 x Ueff ist nur Theorie für einen idealen Sinus 
ohne Oberwellen, was mit dem realen Netz nicht viel zu tun hat. Es kommt 
auch nicht auf die wirkliche Spitzenspannung an, sondern das Integral 
des Zeitraums, wo die Kondensatoren geladen werden können. Da muss man 
mit dem Strom genau rechnen und den tiefstmöglichen Entladepunkt 
bestimmen. Ansonsten muss man üppig zugeben.

Das Problematische bei Audio sind die Bässe: Die Frequenzen gehen runter 
bis auf 20Hz, brauchen also lange Stützphasen der Elkos im Gerät. Darauf 
wären die dynamisch auszulegen unter Berücksichtigung der Regelreserve 
der Endstufen-Transistoren und der zulässigen Drop-Voltage. Macht man 
das nicht im Detail oder ist das unbekannt, muss das Netzteil statisch 
darauf ausgelegt werden, also der Maximalstrom als worst case angenommen 
werden.

Diesbezüglich würde ich nochmal hinterfragen, ob das wirklich nur 27VA 
sind!

Bei der Dimensionierung ist erst einmal der Strom das Entscheidene. Die 
Angabe @1A ist dabei nur ein Richtwert. Die tatsächlichen Ladeströme 
sind logischerweise erheblich höher, als der mittlere Maximalstrom und 
belasten den Trafo mehr, als wenn er stativ liefert. Der Trafo hat 
eingangs- und vor allem ausgangsseitig Spannungsabfälle, die zu 
berücksichtigen sind. Da muss also auch etwas zugegeben werden, wenn man 
sich von den Nominalangaben entfernt. Dies gelten nur im 
Gleichstrombetrieb, wenn also so ein Trafo ein Kücheradio speist, das 
erst ab 100Hz arbeitet und alles darüber geblockt ist. Dann sieht der 
Trafo nur die gleichgerichtete Belastung. Dann kann man davon ausgehen, 
dass die 27Veff wirklich wirken.

Oder konkreter: Wenn der Trafo nominell 35Vmax bei 1A liefern können 
soll, dann hat der da schon eine relevant höhere Leerlaufspannung von 
wenigstens 3V. Heißt: bei 2A maximalem Ladestrom bringt der dann z.B. 
noch 32V, was für 1A Last + 1A Kondensatorladen reichen sollte, weil 
27V+Dropout+Uabfall = 30V -> 2V zum Treiben zur Verfügung stehen. Passt 
also.

Wenn der Ladestrom aber temporär höher wird, wegen der Bässe, muss man 
weiteren Abfall hinzurechnen, bis hin kurz vor Dropout. Bei 35Vss sollte 
das also noch gut hinhauen - bei 31 keinesfalls. Der Ladstrom wird die 
Spannung unter die 29 bringen und damit fast nichts mehr fließen.

Am Ende muss dann spannungstechnisch aber auch der anderer Fall 
berücksichtigt werden: Die U-Spitze liegt dann bei geringer Last oder 
Leerlauf locker jenseits der 40V! + etwaigen Oberwellen. Das heißt, der 
Regler muss auch die abkönnen. Den Fall hatten wir bei einem Power-NT, 
das 44V liefern musste. Auslegung auf 48V mit 5A, Leerlauf jenseits der 
70V. Der Entwickler hatte Regler mit 60V eingebaut.

Aus dem Grund verwenden immer mehr die SNTs, weil die sich sehr gut an 
das Netzt und dessen Deformität anpassen und einfach auszulegen sind. 
Man kann SNTs auch passend steuern, dass sie im Rythmus der Musik Strom 
entnehmen und nur die Spannung vorhalten, die das Linearteil wirklich 
braucht. Man regelt einfach 3V+Zugabe für den Dropout. Dann bleiben die 
Endstufen-Transistoren relativ kühl.

: Bearbeitet durch User
von Irgend W. (Firma: egal) (irgendwer)


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Lothar M. schrieb:
> Spannend wird es, wenn du mal Unterspannung hast und die Netzspannung
> bei 230V-10% liegt.

Spannend ist auch die andere Richtung:
- 230V + 10% => 25V + 10% => 27,5V * 1,41 = 38,8V

Wenn man davon ausgeht, dass die Leerlaufspannung der Trafo einiges über 
den nominal 25V liegt, wird es mit dem absolut Maximum Rating des LM317 
von 40V schon sehr eng. LM371HV mit 27/28V Trafo?

von Uli A. (schnuppi44)


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Danke schonmal an alle für die guten Erklärungen!

@Jürgen: Das mit der heftigen Mehr-Leistung "für die Bässe" dürfte m.E. 
eher keine Rolle spielen - es geht nicht um Leistungstransitoren am Ende 
bzw. Endstufen sondern nur um Module mit Mikrofonvorverstärkern....

von J. S. (engineer) Benutzerseite


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Irgend W. schrieb:
> Wenn man davon ausgeht, dass die Leerlaufspannung der Trafo einiges über
> den nominal 25V liegt, wird es mit dem absolut Maximum Rating des LM317
> von 40V schon sehr eng. LM371HV mit 27/28V Trafo?

sag ich ja :-)
Wir kennen ja die Themen.

Was man machen kann, ist eine Drossel gegen Oberwellen und eben eine 
Dimensionierung kurz unterhalb der MAX-Spannung.

Sonderlösung: Z-Diode und Extra-Elko als "Überlaufbecken". Also 
Leistungs-Z-Diode direkt am Gleichrichterausgang ziemlich niederohmig im 
Bereich des Rdiode gegen Masse und parallel zu diesem R ein fetter Elko. 
Der lädt sich dann bei Durchbruch bis etwa zur halben Spannung auf und 
gibt sie über eine weitere Diode zurück in den Zweig und stützt damit 
die Low-Phase. Den Druchbruch geht der Trafo nicht beliebig mit und 
limitert induktiv. Damit knickt die Spannung kurz vor der Maximum ab und 
der Regler überlebt.

In einem Fall haben wir mal die 48V Phantom aus so einer 
Überlaufschaltung geholt. Die Spannung war nur zu 5% der Phase wirklich 
hoch genug, hat da aber sehr viel Strom abgezogen, um die 48V Schaltung 
zu versorgen. Die Spannung war regelrecht gedeckelt!

von Klaus R. (klara)


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Uli A. schrieb:
> Er aber schrieb mir, dass dafür ein (2x) 22-25VAC Trafo am besten
> geeignet sei, mit der Angabe: "22 to 25VAC = 1.414 x AC = 31 to 35VDC"
>
> Was krieg ich hier nicht mit? Warum werden aus 25VAC gleichgerichtet
> 31VDC?
>
> Klar, die Formel findet man überall so, und ich habe bisher vage
> verstanden, dass es mit RMS- und Peakwerten zu tun hat und mit den
> Anzeigefähigkeiten von z.B. Multimetern.

Eigentlich ist ein Netzteil mit Brückengleichrichter und Siebung etwas 
einfaches. Trotzdem setze ich für solch eine eigentlich simple Aufgabe 
LTSpice ein.

LTSpice zeigt den genauen Werteverlauf der pulsierenden Gleichspannung. 
Netzüber- und Unterspannungen können einfach berücksichtigt werden. 
Selbst den Elkos kann ich einen Innenwiderstand verpassen. Die 
Diodenverluste kennt LTSpice ebenfalls. Mit diesen Kenntnissen kann ich 
beruhigt eine Schaltung für einen LDO dimensionieren, bei dem es ja 
etwas genauer sein sollte.

Oder man macht es sich ganz einfach und schlägt 5 V Sicherheitsreserve 
drauf. Hat man ja früher gemacht.
mfg Klaus

von Andrew T. (marsufant)


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Dann wäre doch ein Ringkerntrafo mit 2x25V und insgesamt 100VA eine gute 
Wahl. Falls der Lieferant deines geringsten Misstrauens nur dies als 
120VA hat: passt auch.

: Bearbeitet durch User
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