Trafoeinheiten mit Ballastkondensator

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Netzteile

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Netzteile mit Ballastkondensator und Trenntransformator erfreuen sich bei Funkamateuren aufgrund ihrer geringen Abmessungen und der Tatsache, dass sie nicht galvanisch mit dem Netz verbunden sind, großer Beliebtheit. Bei der Entwicklung solcher Geräte müssen jedoch eine Reihe von Faktoren berücksichtigt werden, um Notfallsituationen auszuschließen, in deren Folge nicht nur die Stromquelle, sondern auch die Last ausfallen kann. Der Autor des Artikels fasst die Erfahrungen bei der Erstellung solcher Geräte zusammen und empfiehlt, worauf Sie bei der Planung und Installation dieser Geräte achten sollten.

In der Amateurfunkpraxis haben Quellen mit Ballastkondensator und Trenntransformator weit verbreitete Verwendung gefunden [1-6]. Mit dieser Lösung können Sie kleine Netzteile entwerfen. Betrachten wir einige Designprobleme solcher Geräte am Beispiel einer in [1] beschriebenen Stromquelle mit geringem Stromverbrauch (siehe Abbildung).

Der Transformator T1 übernimmt die Funktion eines Trenntransformators. Er arbeitet mit niedriger Eingangs- und Ausgangsspannung. Sein Design ist sehr einfach. Der Kondensator C1 ist ein Ballastkondensator und der Widerstand R2 begrenzt beim Einschalten den Stromimpuls. Die Spannung an der Primärwicklung des Transformators wird durch die Zenerdioden VD1 und VD2 begrenzt.

Im Schwingkreis, bestehend aus Kondensator C1, der Induktivität der Primärwicklung des Transformators L und dem auf die Primärwicklung reduzierten Lastwiderstand RH, ist Resonanz möglich, die zum Ausfall der Stromquelle führen kann.

Nehmen wir an, dass bei einer belasteten Quelle die Spannung an der Primärwicklung 20 V beträgt (typischer Fall). Dies bedeutet, dass der auf die Primärwicklung reduzierte Lastwiderstand RH etwa zehnmal kleiner ist als die Kapazität |XC10| Kondensator C1 und bildet mit ihm einen Spannungsteiler 1:10 (ungefähr), d.h. |XC1|=1RH.

Bei einem richtig ausgelegten Transformator beträgt die induktive Reaktanz der Primärwicklung |XL| sollte etwa 10-mal höher sein als der auf die Primärwicklung reduzierte Lastwiderstand RH, daher ist der Gütefaktor der genannten Schaltung äußerst gering, es kann keine Resonanz geben.

Eine völlig andere Situation ergibt sich, wenn die Last ausgeschaltet ist (im Leerlauf). Wenn die obigen Beziehungen |ХC1|=10RH und |XL|=10RH erfüllt sind, dann ist |XC1|=|XL| und Resonanz entsteht. Wenn am Eingang anstelle der Netzspannung eine Spannung von 1...2 V angelegt wird, erhöht sich diese an der Primärwicklung eines unbelasteten Transformators aufgrund von Resonanz um das Zehnfache oder mehr; die Güte der resultierenden Schaltung ist recht hoch groß, aber wenn Netzspannung angelegt wird, gibt es keinen solchen Anstieg. Bei einem Anstieg der Spannung an der Wicklung über den Nennwert (10 V) gerät der Magnetkreis des Transformators in die Sättigung, seine Induktivität nimmt ab und der Kreis ist nicht mehr auf Resonanz abgestimmt.

Wenn der Transformator jedoch mit einem guten Spielraum für die zulässige Eingangsspannung ausgelegt ist, kann der Anstieg recht erheblich sein. Dies führt zu einem Anstieg der Spannung am Kondensator C1 im Vergleich zum Betrieb im Nennmodus, und wenn der Kondensator ohne Reserve ausgewählt wird, kann es zu einem Durchschlag kommen. Andere ebenso schwerwiegende Folgen sind möglich.

Daher ist bei einem transformatorlosen Netzteil mit Ballastkondensator der Betrieb ohne Nennlast nicht akzeptabel. Die übliche Lösung besteht darin, eine Zenerdiode an den Quellenausgang oder zwei gegeneinander geschaltete Zenerdioden (oder eine symmetrische) an die Primärwicklung anzuschließen (siehe Abbildung).

Auf diese Weise wird das Problem für Netzteile mit relativ geringer Leistung gelöst. Für ähnlich leistungsstarke Geräte (Ladegeräte für Autobatterien sind sehr einfach [2-4]) reichen solche Maßnahmen nicht aus. Hier können Sie ein Analogon eines symmetrischen Dinistors parallel zur Primär- oder Sekundärwicklung anschließen [7, Abb. 5, a] oder einen Relaisschutz gegen Leerlauf bereitstellen [3].

Besonderes Augenmerk muss auf die Auswahl eines Ballastkondensators anhand der Nennspannung gelegt werden. Dies ist die höchste Spannung zwischen den Platten des Kondensators, bei der dieser zuverlässig und lange arbeiten kann. Die meisten Typen werden durch eine nominale Gleichspannung geregelt. Die zulässige Wechselspannung liegt immer unter der Nennspannung, mit Ausnahme der Metall-Papier-Kondensatoren MBGCH, K42-19, Polypropylen K78-4 und Polyethylenterephthalat K73-17 für Nennspannungen bis einschließlich 250 V, für die diese Parameter gelten gleich. Daher müssen Sie bei der Auswahl des Typs und der Nennspannung unbedingt ein Nachschlagewerk über elektrische Kondensatoren verwenden und bedenken, dass die Berechnung für den Amplitudenwert der Wechselspannung erfolgt.

In dem Moment, in dem das Netzteil an das Netzwerk angeschlossen (oder davon getrennt) wird, findet in seinen Stromkreisen ein Übergangsprozess statt, der nach einiger Zeit durch einen stationären Zustand ersetzt wird. Ohne auf die theoretischen Grundlagen transienter Prozesse einzugehen, stellen wir zwei Vertauschungsgesetze fest:

1. Der Strom im Induktor (ein Gerät mit induktiver Reaktanz) darf sich nicht abrupt ändern, sonst hat der Strom nach der Kommutierung den gleichen Wert wie im Moment unmittelbar vor der Kommutierung.

2. Die Spannung am Kondensator darf sich nicht abrupt ändern, sonst hat die Spannung nach der Kommutierung den gleichen Wert wie unmittelbar vor der Kommutierung.

Wenn das Netzteil an das Netz angeschlossen ist, ist der Kondensator noch nicht geladen und der Spannungsabfall an ihm ist Null. Der Strom in der Induktivität kann nicht sofort auftreten, daher ist die Spannung am Widerstand Null und die Netzspannung liegt vollständig an der Primärwicklung des Transformators an, die für einen deutlich niedrigeren Wert ausgelegt ist. Beim Einschalten besteht ein hohes Risiko eines Windungsdurchschlags und der Vorteil der einfachen Konstruktion eines Transformators mit Massenwicklung geht verloren, weshalb er sich bei Funkamateuren große Beliebtheit erfreut. Es ist besonders gefährlich, das Netzteil an ein Netzwerk anzuschließen, in dem zu diesem Zeitpunkt eine Amplitude oder eine Spannung nahe dieser anliegt.

Die Aufgabe, die Spannung an der Primärwicklung im Moment des Anschlusses zu begrenzen, wird dringend. Ein strombegrenzender Widerstand hilft in einer solchen Situation nicht weiter.

Dies zwingt uns, nach einer anderen Lösung zu suchen, die es uns ermöglicht, die Möglichkeit eines Durchschlags zwischen den Windungen im Transformator zu verhindern und die Elemente der Stromversorgung vor einer Spannungserhöhung um das Zehnfache zu schützen.

Mit einem Spannungsbegrenzer auf zwei parallel zur Primärwicklung geschalteten Zenerdioden in Gegenserie (siehe Abbildung) können Sie dieses Problem lösen. Für jede Halbwelle wirkt der Begrenzer als parametrischer Spannungsstabilisator an der Primärwicklung des Transformators. Die Ballastfunktion übernimmt hauptsächlich der Strombegrenzungswiderstand R2. Der Widerstand muss für kurzzeitigen Überlaststrom ausgelegt sein, dies wird in der Regel durch Zenerdioden gewährleistet.

Wenn im Nennbetrieb die Zenerdioden öffnen und als Stabilisatoren wirken, kann es zu einem Unterschied in den Amplituden der gleichgerichteten Stromimpulse der positiven und negativen Halbwellen kommen. Dieser Effekt erklärt sich dadurch, dass positive Halbwellen von einer Zenerdiode stabilisiert werden, negative Halbwellen von einer anderen. Es ist bekannt, dass die Stabilisierungsspannung zweier Exemplare von Zenerdioden, selbst aus derselben Charge, erheblich unterschiedlich sein kann. Dadurch entsteht eine zusätzliche Welligkeitskomponente bei einer Frequenz von 50 Hz, die mit einem Anti-Aliasing-Filter schwieriger zu unterdrücken ist als mit einem 100-Hz-Filter.

Um den durch Unterschiede in der Stabilisierungsspannung entstehenden zusätzlichen Welligkeitsanteil zu reduzieren, empfiehlt es sich, statt zwei Zenerdioden Rücken an Rücken in Reihe zu schalten, eine Zenerdiode in der Diagonale der Diodenbrücke parallel zu schalten die Primärwicklung. Dadurch bleibt die Zuverlässigkeit der Stromversorgung erhalten.

Wenn keine erhöhten Anforderungen an die Stabilität der Ausgangsspannung bestehen, können wir die Auswahl von Zenerdioden empfehlen, deren minimale Stabilisierungsspannung 1...3 V größer ist als die maximale Amplitudenspannung an der Primärwicklung im eingeschwungenen Zustand. In diesem Fall übernimmt der parametrische Stabilisator nur im Einschaltmoment und im Leerlauf die Funktion eines Spannungsbegrenzers. Und nachdem die Stromversorgung einen stabilen Zustand erreicht hat, schaltet sie sich automatisch ab, was die Effizienz des Geräts deutlich erhöht.

Literatur

1. Pozharinsky L. Low-Power-Netzteil. - Radio, 1978, Nr. 5, p. 56.
2. Kutergin G. Ein einfaches Ladegerät. - Radio, 1978, Nr. 5, S.27.
3. Dolin E. Ladeoption. - Radio, 1983, Nr. 5, S. 58.
4. Biryukov S. Ein einfaches Ladegerät. - Radio, 1997, Nr. 3, S. 50.
5. Biryukov S. Berechnung einer Netzstromversorgung mit Löschkondensator. – Radio, 1997, Nr. 5, S. 48-50.
6. Prokoptsev Yu. Mehr über Netzteile mit Löschkondensator. - Radio, 1998, Nr. 12,0.46.
7. Alekseev S. Symmetrische Dinistoren – in Netzteilen. - Radio, 1998, Nr. 10, S. 70,71.

Autor: B.Sadovskov, Tscheljabinsk

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