Kondensatornetzteil

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LED-Lampe mit 48 einzelnen LEDs (gelbe Rechtecke); Rechts das Kondensatornetzteil mit dunkelrotem Kondensator

Ein Kondensatornetzteil ist eine Sonderform eines Netzteiles. Der Vorteil seines geringen Bauteilaufwandes wird durch diverse Nachteile erkauft. Es nutzt den Blindwiderstand eines Kondensators als kapazitiven Vorwiderstand, um die Netzspannung (Niederspannung) zu verringern. Wegen der Anforderungen an den Kondensator und den ohmschen Vorwiderstand wird es nur bei geringen Strömen bis einige 10 Milliampere eingesetzt. Aufgrund der fehlenden galvanischen Trennung müssen die damit versorgten elektrischen Geräte berührungssicher gekapselt sein.

Anwendung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Mit Kondensatornetzteilen werden elektronische Schaltungen mit niedrigem Stromverbrauch energieeffizient mit höherem Wirkungsgrad als alternative Spannungsversorgungen an die Netzspannung angeschlossen. Kondensatornetzteile eignen sich aus Platzgründen nur für geringe Ströme, denn die Größe des Kondensators ist vom entnehmbaren Strom direkt proportional abhängig. Je höher die geforderte Ausgangsspannung, desto kleiner kann der Kondensator sein, daher sind sie eher für hohe Spannungen geeignet. Der Wirkungsgrad ist mäßig bis sehr gut, je nach Einsatzumgebung. Die Schaltung ist bei sehr geringen Strömen kleiner, billiger und leichter als herkömmliche (Schalt-)Netzteile. Auf Grund der fehlenden Potentialtrennung beschränkt sich der Einsatz normalerweise auf eingebaute Elektronik in Geräten mit Netzanschluss, wie z. B. zum Betrieb von LED-Leuchtmitteln im unteren Leistungsbereich, sowie zur Eigenversorgung der Steuerung von Dämmerungsschaltern, Bewegungsmeldern, Fernwirkempfänger, elektronischen Schaltuhren, Zeitrelais und ähnlichen Geräten.

Bei höherem Strombedarf werden eher galvanisch nicht getrennte Abwärtswandler eingesetzt, die jedoch durch ihre getaktete Betriebsweise entsprechenden Entstöraufwand erfordern.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Noch in den 1980ern ersetzten Kondensatornetzteile beim Anschluss von Gleichspannungsmotoren bis 3 Watt mit Betriebsspannungen von 3 Volt bis 24 Volt die damals erhältlichen 50Hz-Transformatoren.[1] Die Anschaffung war preisgünstiger.[1] Der Entladewiderstand für den Kondensator (R2, s. u.) war in den Steuerungsanlagen nicht immer nötig, wodurch ein hoher Wirkungsgrad von 60 bis 90 % erreicht wurde.[1] Ein selbstheilender 2 µF Kondensator (ca. 147 mA) kostete so viel wie ein 1 VA Transformator. Zudem gab es keine Transformatoren unter 1 VA Ausgangsleistung zu kaufen.

Der Anwendungsbereich schrumpft seit der Entwicklung von Kleinleistungsschaltnetzteilen in den 1990er Jahren wegen des höheren Wirkungsgrades der Schaltnetzteiltechnologie gegenüber den vorher genutzten Trafonetzteilen. Die Baugröße des Kondensators im Kondensatornetzteil nimmt proportional mit dem entnehmbaren Strom zu und überschreitet bei ca. 66 bis 100 mA Ausgangsstrom die Größe eines vergleichbaren Schaltnetzteils mit vergleichbarem Wirkungsgrad.

Seit zirka 2008 schrumpft der Anwendungsbereich weiter, seitdem preisgünstige Abwärtswandler mit niedrigem Eigenverbrauch erhältlich sind. Diese Abwärtswandler sind auch bei 2 mA Ausgangsstrom kleiner als Kondensatornetzteile, aber noch mit schlechterem Wirkungsgrad, weil die Hilfsspannung für die Elektronik selber 1 mA bis 1,5 mA liefern muss, die über einen ohmschen Vorwiderstand aus der Netzspannung von 230 V erzeugt werden (Stand 2014).

Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Prinzipschaltplan und Dimensionierungsbeispiel

Ein Kondensatornetzteil besteht aus einem Kondensator C1, dessen Blindwiderstand den Strom durch den Gleichrichter D1 begrenzt. Um die Stromspitze beim Einschalten sowie durch mögliche Mängel der Spannungsqualität aus dem Versorgungsnetz (engl. Surge und Burst) zu begrenzen, ist ein ohmscher Widerstand R1 in Reihe geschaltet. Ein Elektrolytkondensator C2 glättet die Gleichspannung und puffert die Stromspitzen bei Laständerungen. Ihm kann ein Spannungsregler nachgeschaltet sein, hier bestehend aus einem Strombegrenzer-Widerstand R3 und einem Querregler IC1. Bei geringerer Anforderung an Spannungskonstanz kann man eine in Sperrrichtung betriebene Zenerdiode benutzen. Zusätzlich ist eine Sicherung nötig.

Aus Netzspannung und Blindwiderstand C1 entsteht praktisch eine Stromquelle. Das bedeutet, der Stromfluss durch R3 ist nahezu konstant. Daher sind Kondensatornetzteile ideal für Konstantstromverbraucher, etwa LEDs. Die Wirkleistungsaufnahme dieser Schaltung ergibt sich aus den Flussspannungen der Dioden des Gleichrichters addiert zur an C2 einstellenden Ausgangsspannung multipliziert mit dem Strom, plus der Leistung an R1 und R2.

Der Kondensator C1 bewegt sich in der Größenordnung 22 nF − 1000 nF. Für Kondensatoren mit ±20 % Toleranz lässt sich für eine Brückengleichrichtung bis 25 Volt Ausgangsspannung unter Berücksichtigung aller übrigen Toleranzen in der Schaltung die Kapazität überschlägig mit 15 nF pro Milliampere Ausgangsstrom bestimmen[1]. Für eine Einweggleichrichtung (modifizierte Greinacher-Schaltung) sind überschlägig 30 nF pro Milliampere Ausgangsstrom vorzusehen.[1][2] Kondensatoren mit kleinerem Toleranzbereich steigern die Energieeffizienz, so dass bei ±10 % Toleranz die überschlägig ermittelte Kapazität um 10 % reduziert und für ±5 % Toleranz um 15 % reduziert werden kann. Um den errechneten Wert der Kapazität exakt mit Kondensatoren aus der E6-Reihe (±20% Toleranz) oder E12-Reihe (±10% Toleranz) zu realisieren, werden Kondensatoren verschiedener Größen parallel geschaltet, beispielsweise 33 nF, 6,8 nF und 2,2 nF, wenn der errechnete Wert 42 nF beträgt. Den nächsthöheren Wert 47 nF (E12-Reihe) zu wählen wäre möglich, senkt jedoch den Wirkungsgrad des Kondensatornetzteils.

Dem Kondensator C1 muss ein Widerstand R2 von 470 kΩ bis 1 MΩ parallelgeschaltet werden. Er entlädt den Kondensator, nachdem das Gerät vom Netz getrennt wird. Ansonsten kann man am herausgezogenen Stecker des Geräts einen in der Regel ungefährlichen, aber unangenehmen elektrischen Schlag bekommen. Das kennt man z. B. von älteren Haushaltgeräten, wenn der Entstörkondensator nach dem Ziehen des Netzsteckers noch aufgeladen ist. Bei Kaufgeräten beträgt die Zeitkonstante für die Entladung von C1 durch R2 etwa 70 ms bis 1,5 s. Unter Berücksichtigung aller Toleranzen wird durch eine Zeitkonstante von 0,07 s die Entladung innerhalb von 0,2 Sekunden auf eine Spannung unter 50 Volt sichergestellt. Dabei beträgt der Wirkstrom, der während des Betriebs parallel zum Kondensator C1 fließt, etwa 5 % des Blindstroms durch den Kondensator, was für den Ausgangsstrom durch die Phasenverschiebung zwischen Wirk- und Blindstrom kaum etwas ausmacht. In geschlossenen Geräten oder Anlagen kann die Entladung des C1 auf andere Weise sichergestellt werden, so dass in diesen Spezialfällen R2 zu Gunsten eines höheren Wirkungsgrades nicht eingebaut wird.

Trotz des in Reihe geschalteten ohmschen Widerstands R1 (ab 47 Ω aufwärts, üblicherweise im Bereich 330 bis 5600 Ω, abhängig von der Impulsstromfestigkeit der Sicherung und der angeschlossenen Bauelemente für den Einschalt- und Überspannungsfall) müssen für ein Kondensatornetzteil sog. X-Kondensatoren (z. B. MKP 630V= / 250V~) benutzt werden; denn neben dem Einschaltpuls kommen im 230V-Netz auch extrem kurze pulsartige Spannungsspitzen vor, sog. Transienten, die durchaus bis zu 6 kV aufweisen können und im Bereich bis 2 kV normalerweise mehrmals täglich auftreten. Der Vorwiderstand nimmt einen Teil dieser Spannung auf; dennoch muss der Kondensator dem Puls unbeschadet standhalten und ohne Brandgefahr Überschläge ausheilen. Das ist nicht bei allen X-Kondensatoren gegeben; für diesen Anwendungsfall sind spezielle Modelle nötig, die durch Überschläge nicht schnell an Kapazität verlieren. Bei kommerziellen Geräten wird das nicht immer umgesetzt, was zu einer kurzen Lebensdauer führt.

Y-Kondensatoren erfüllen noch höhere Sicherheitsanforderungen, welche für ein Kondensatornetzteil jedoch nicht erfüllt sein müssen.

Es muss eine Sicherung vorgeschaltet werden, entweder als eigenes Bauteil, oder der verwendete Widerstand ist ein sog. Sicherungswiderstand (engl. fusible type) und stellt also neben seiner eigentlichen Funktion auch eine Sicherung dar und entflammt nicht, falls der Kondensator durchschlägt. Deshalb und auch wegen der höheren Spannungsfestigkeit empfehlen sich Metallschichtwiderstände. Zusätzlich muss der Widerstand spannungs- und impulsfest sein, um selbst bei starken Transienten nicht zu explodieren. Er kann (je nach Kurvenform der Eingangswechselspannung) sehr heiß werden.

Ein Kondensatornetzteil benötigt immer eine Belastung, die zu hohe Spannungen am Ausgang verhindert. In wenigen Fällen kann die Last selber den Arbeitspunkt an Spannungsänderungen wie auch Bauteiletoleranzen anpassen und den Strom komplett unterbinden, wenn es zum Ausfall der Last kommt, z. B. bei LED-Lampen. In den anderen Fällen muss eine parallel geschaltete variable Last die Ausgangsspannung stabilisieren, auch beim Totalausfall der angeschlossenen Last. Es eignen sich Z-Dioden, Überspannungsschutzdioden und Querregler. Querregler stabilisieren Spannungen bis 6 Volt besser als Z-Dioden, benötigen aber mindestens 1,1 mA, um ihre interne Elektronik betreiben zu können und führen nur geringe Impulsströme ab. Sie sind in der Regel präzise einstellbar. Ab 6,2 Volt sind Z-Dioden vergleichbar spannungsstabil, verkraften Impulsströme mit 25-fach überschrittenem maximalem Dauerstrom und haben einen niedrigen Leckstrom von wenigen Microampere, sind jedoch mit einer nicht veränderbaren Streuung in der Zenerspannung von +-5% behaftet.

Rundsteuerimpulse und ähnliche hochfrequente, dem Netz überlagerte Störspannungen können Kondensatornetzteile und die daran angeschlossenen Verbraucher beschädigen. Die zur Unterdrückung schädlicher Frequenzen notwendigen Drosseln sind jedoch schnell größer und teurer als der Trafo eines konventionellen potentialgetrennten Netzteils.

Strom durchfließt erst Relais oder Transistor um dann durch die Relaisansteuerung zu fließen

Wenn das Kondensatornetzteil eine Ansteuerschaltung für ein Relais betreibt, wird die Relaisspule in Reihe mit der Ansteuerschaltung geschaltet. Es eignen sich Relais mit 24 bis 48 Volt, da sie einen geringen Strom benötigen, der aber etwas größer als jener der Ansteuerschaltung sein muss. Das führt zur Stromersparnis und besseren Wirkungsgrad durch kleinere C1 und R2. Beim Betrieb an einer Konstantstromquelle wird ein Relais ausgeschaltet indem der schaltende Transistor die Spannung am Relais kurzschließt. Durch die geringe Spannung am Transistor ist die Wirkleistung nahe null. Wird der Transistor nicht leitend, schaltet das Relais ein.

Dient das Kondensatornetzteil zur Ansteuerung eines Triacs, kommt eine Dioden-Halbbrücke zum Einsatz, die eine gegenüber einem Pol der Netzspannung negative (= günstiger zum Zünden des Triacs) Spannung von typisch 5 V bereitstellt. Die Stromergiebigkeit gegenüber der o. a. Vollbrücke ist jedoch bei gleicher Dimensionierung nur halb so groß, weswegen bei seltener geschalteten und großen Lasten gern Relais benutzt werden, etwa bei Wasserkochern.

Wirkungsgrad[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Wirkungsgrad eines Kondensatornetzteils ist mäßig bis sehr gut, je nach Einsatzbedingungen. Besonders der Serienwiderstand R1 und der Entladewiderstand R2 bestimmen den Wirkungsgrad. Allgemein ist der Wirkungsgrad höher, wenn die Ausgangsspannung hoch und der Ausgangsstrom niedrig ist. Darum werden Reihenschaltungen den Parallelschaltungen vorgezogen. LED-Leuchten mit vielen einzelnen in Reihenschaltung verbundenen LEDs oder Geräte, bei denen mehrere Schaltungsteile vom gleichen Strom durchflossen werden, setzen dieses Prinzip um.

Im Vergleich zu anderen Netzteil- und Wandlertechnologien ist das Kondensatornetzteil bei niedrigen Ausgangsströmen effizienter. Die Wirkungsgrade verschiedener Netzteile und Vorschaltgeräte betragen bei einer zu versorgenden elektronischen Last/Schaltung, die beispielsweise 6 V ±20 % bei 2 mA benötigt:

  • ca. 62–75% – Kondensatornetzteil, 5,6–6,6 V durch Z-Diode (nötiger Regelstrom ≥200µA), 10 % Toleranz von C1, ohne R2
  • ca. 36–45% – Kondensatornetzteil, 6 V durch Querregler (nötiger Regelstrom ≥1100µA), 10 % Toleranz von C1, ohne R2
  • ca. 18–19% – Kondensatornetzteil, 5,6–6,6 V durch Z-Diode (≥200µA), 10 % Tol. C1, R2 entlädt C1 mit Zeitkonstante 70 ms
  • ca. 13% –––– Kondensatornetzteil, 6 V durch Querregler (≥1100µA), 5 % Tol. C1, R2 entlädt C1 mit Zeitkonstante 70 ms
  • ca. 12–13% – Kondensatornetzteil, 6 V durch Querregler (≥1100µA), 10 % Tol. C1, R2 entlädt C1 mit Zeitkonstante 70 ms
  • ca. 9–11% –– Kondensatornetzteil, 6 V durch Querregler (≥1100µA), 20 % Tol. C1, R2 entlädt C1 mit Zeitkonstante 70 ms
  • ca. 10,7% ––– 6V-Schaltnetzteil ohne LED-Funktionsanzeige, 300 mA max., 6 V stabilisiert, 0,10 Watt Verlustleistung
  • ca. 5,4% –––– Universal-Schaltnetzteil mit LED-Funktionsanzeige, 300 mA max., Einstellung 6 V, 0,21 Watt Verlustleistung
  • ca. 3,4% –––– Abwärtswandler, stabilisiert auf 5,6–6,6 V und 2 mA, Hilfsspannungserzeugung mit 0,49 Watt Verlustleistung
  • ca. 2,1–2,4% – Ohmscher Vorwiderstand mit 5 % Toleranz, 5,6–6,6 V durch Z-Diode (≥200µA)
  • ca. 0,7% –––– Universal-Trafonetzteil 500 mA max., 3 V unstabilisiert, real 6,9 V bei 1,62 Watt Verlustleistung

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Kleinspannungsmotoren am Lichtnetz ohne Transformator. In: Michael Kohl (Hrsg.), in: 'JET - Der Junge Elektro-Techniker.', Frankfurter Fachverlag, Frankfurt am Main, April 1988, Seiten 153-155, ISSN 0935-6088.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b c d e Michael Kohl (Hrsg.): Kleinspannungsmotoren am Lichtnetz ohne Transformator., in: JET - Der Junge Elektro-Techniker., Frankfurter Fachverlag, Frankfurt am Main, April 1988, Seiten 153–155, ISSN 0935-6088.
  2. ITT Intermetall (Hrsg.): Schaltungsbeispiele mit diskreten Halbleiterbauelementen., Freiburg 1972, S. 16–21.