Alles aus einer Hand für kapazitive Stromversorgungen

Für Stromversorgungen mit geringer Leistung eignen sich Designs auf Basis kapazitiver Topologien besonders gut. Sie sind einfach, kompakt und kostengünstig. Neben den Kondensatoren – und damit den Schlüsselbauelementen – bietet TDK für diese Designs nahezu alle weiteren passiven Bauelemente.

Entwickler stehen vor der Aufgabe, Geräte und Systemeinheiten immer häufiger nur mit kleinen Spannungen und Strömen im Milliampere-Bereich aus dem Netz zu versorgen. Typische Beispiele sind kleine Displays für Messdaten oder Zeitangaben, Microcontroller-basierte Messsysteme sowie einfache Regelungen und Steuerungen.

Ähnliche Herausforderungen stellen sich, wenn Geräte an Funknetze angebunden werden müssen – etwa bei Smartmetern, deren Zählerstände über Funk ausgelesen werden, oder im Fall netzbetriebener Geräte für das Internet of Things.

Konventionelle Stromversorgungs-Designs haben im Kleinleistungsbereich etliche Nachteile. Lösungen mit Transformatoren oder getaktete Schaltungen benötigen viel Platz und sind kostspielig, außerdem sind die Kupfer- und Eisenverluste bezogen auf die geringe Ausgangsleistung überproportional hoch. Die einfachste Lösung – das Vorschalten eines Ohmschen Widerstands – ist zwar kostengünstig, erzeugt aber hohe Verluste und steht so den geforderten hohen Wirkungsgraden entgegen.

Blindwiderstand von Kondensatoren sinnvoll nutzen

Eine elegante wie auch einfache und kostengünstige Möglichkeit, kleine Lasten aus dem Wechselspannungsnetz zu versorgen, besteht in der Serienschaltung aus Kondensator und Last. Dabei wird der sonst unerwünschte Effekt der Phasenverschiebung genutzt: An einem Kondensator tritt die Spannung um 90 Grad phasenversetzt zum Strom auf; er wirkt als reiner Blindwiderstand, an dem praktisch keine realen Verluste entstehen. Somit ist ein als Vorwiderstand eingesetzter Kondensator die ideale Lösung. Abbildung 1 zeigt das Prinzipschaltbild sowie das dazugehörige Zeigerdiagramm der Spannungen. Im Gegensatz zu konventionellen Designs sind kapazitive Stromversorgungen am Ausgang kurzschlussfest.

Da der Kondensator direkt am Netz liegt, werden an seine Zuverlässigkeit sehr hohe Anforderungen gestellt. Daher empfiehlt es sich, für kapazitive Stromversorgungen ausschließlich X2-Kondensatoren mit Sicherheitszulassungen nach UL und ENEC zu verwenden.

TDK bietet hierfür ein breites Spektrum von EPCOS X2-Kondensatoren wie die neuen Serien B3292*H/J*. Um auch unter extremen klimatischen Bedingungen wie hoher Temperatur in Kombination mit hoher Luftfeuchtigkeit einen zuverlässigen Betrieb mit stabilen Kapazitätswerten zu ermöglichen, wurde die X2-Heavy-Duty-Serie (B32932* bis B32936*) entwickelt. Diese Bauelemente weisen bei einem 1000-Stunden-Test mit 85 °C und 85 Prozent relativer Luftfeuchte eine Kapazitätsdrift von maximal 10 Prozent auf. Ein weiterer Vorteil dieser Kondensatoren: Sie sind selbstheilend. Das heißt, dass kleinere Durchschläge zu einer lokal begrenzten Verdampfung der Metallisierung führen, ohne dass sich ein Kurzschluss bildet und die Funktion des Kondensators erhalten bleibt.

Berechnung einer kapazitiven Stromversorgung

In der Praxis werden meist Stromversorgungen benötigt, die am Ausgang eine Gleichspannung zur Verfügung stellen. Die einfachste Lösung besteht in der einpulsigen Gleichrichtung wie in Abbildung 2 dargestellt; für das Berechnungsbeispiel soll eine Ausgangsspannung von rund 9 V DC bei einem maximalen Laststrom von 15 mA erzeugt werden.

Zur Funktion der Zenerdiode: Während der positiven Halbwelle arbeitet D1 als spannungsbegrenzendes Bauelement. Um die geforderte Ausgangsspannung von 9 V zu erreichen, müsste die Zenerspannung bei 9,7 V liegen, weil an D2 rund 0,7 Volt abfallen. Da Zenerdioden mit diesem Wert aber nicht verfügbar sind, wird eine Diode mit einem Wert von 10 V mit einer maximalen Verlustleitung von 1,3 W gewählt. Wird die Stromversorgung im Scheitelpunkt der Netzspannung eingeschaltet, würde ein unzulässig hoher Strom durch D1 fließen, was deren Zerstörung zur Folge hätte. Zur Strombegrenzung ist daher R1 vorgeschaltet. Zenerdioden mit einer Verlustleistung von 1,3 W können in der Regel kurzfristige Ströme von etwa 1 A bewältigen. Somit kann der Wert von R1 berechnet werden:

Der nächstgelegene Normwert sind 330 Ω. R1 wird im Betrieb ständig mit dem gesamten Laststrom beaufschlagt. Zu dessen Berechnung muss das Verhältnis von Wechselstrom-Effektivwert und Gleichstrom-Mittelwert berücksichtigt werden. Da es sich um eine einpulsige Gleichrichtung handelt, liegt der Formfaktor bei 2,22. Mit den geforderten 15 mA Ausgangsstrom ergibt sich somit ein Strom durch R1 von 33,3 mA und in der Folge eine Verlustleistung von:

Gewählt wird ein Widerstand mit einer Belastbarkeit von 0,5 W. Der Spannungsabfall über dem Widerstand beträgt knapp 11 V.

Aus den bisher ermittelten Daten kann nun der erforderliche Blindwiderstand des Kondensators C1 berechnet werden. Um eine sichere Versorgung der Last auch bei Unterspannung sicherzustellen, sollte die Berechnung mit einem Spannungsabfall der Netzspannung von mindestens 10 Prozent durchgeführt werden, außerdem ist der Spannungsabfall über R1 und D1 zu berücksichtigen. Somit ergibt sich der Blindwiderstand zu:

Daraus lässt sich bei der üblichen Netzfrequenz von 50 Hz die erforderliche Kapazität berechnen:

Als nächster Normwert ergibt sich folglich eine Kapazität von 0,68 µF. Abhängig von den klimatischen Rahmenbedingungen geeignet sich zum Beispiel damit der EPCOS X2-Kondensatortyptyp B32933A3684K* aus der Heavy-Duty-Serie. Er hat ein Rastermaß von 22,5 mm und ist für eine Effektivspannung von 305 V AC bei einer höchst zulässigen Betriebstemperatur von 105 °C ausgelegt. Alternativ eignet sich Typ B32923H3684K*, der sogar für 110 °C ausgelegt ist, ebenfalls im Rastermaß 22,5 mm. Beide Typen weisen eine Kapazitäts-Toleranz von ±10% auf.

Für die Diode D2, die für die einpulsige Gleichrichtung sorgt, genügt der kostengünstige Standardtyp 1N4001 (50 V, 1A). Diese Diode wird von etlichen Halbleiterherstellern angeboten.

Sichere Versorgung durch gute Glättung

C2 ist für die Glättung der Ausgangsspannung zuständig. Da es sich um eine einpulsige Gleichrichtung handelt, muss während der negativen Halbwelle der gesamte Ausgangsstrom von C2 zur Verfügung gestellt werden. Dessen erforderliche Kapazität hängt von der zulässigen Welligkeit der Ausgangsspannung ab. Für die Beispielschaltung ist ein Maximalwert von 1 V gefordert. Bei der maximalen Stromaufnahme der Last von 15 mA bei 9 V ergibt sich ein Lastwiderstand von 600 Ω. Mit einer Netzfrequenz von 50 Hz (10 ms pro Halbwelle) kann somit die Mindestkapazität von C2 bestimmt werden:

Gewählt wird ein single-ended Aluminium-Elektrolyt-Kondensator mit einer Kapazität von 1500 μF und einer zulässigen Spannung von 25 V DC. Um eine möglichst hohe Lebensdauer zu erreichen, sollte dieser Kondensator für eine Temperatur von mindestens 105 °C ausgelegt sein.

Optional kann zu C2 zusätzlich ein Keramik-Kondensator parallel geschaltet werden (C3). Er dient der Rauschunterdrückung und dem Abblocken von Spannungs-Peaks. Für diese Funktion kommt zum Beispiel ein TDK MLCC mit einer Kapazität von 0,1 μF in Frage. Gewählt wurde dabei der Typ C1608X7R1E104K080AA mit einer Nennspannung von 25 VDC in der Baugröße 1608 (IEC) und der Temperaturcharakteristik X7R (-55 bis +125 °C, ±15%).

Schaltungsschutz ist ein Muss

Beim Ausschalten ohne Last kann es im ungünstigsten Fall passieren, dass C1 mit der Scheitelspannung von 325 V geladen bleibt. R2 hat dann die Aufgabe, den Kondensator möglichst schnell zu entladen. Bei der Festlegung des Widerstandswerts muss ein Kompromiss zwischen Verlustleistung und Entladezeitkonstante eingegangen werden. Gewählt wurde in diesem Fall der Wert von 470 kΩ. Dabei tritt eine Verlustleistung von ca. 0,1 W auf und die Entladezeit auf eine maximal zulässige Berührungsspannung von 50 V beträgt rund 0,5 s. Ist die Stromversorgung ständig fest mit dem Netz verbunden, kann auf diesen Widerstand allerdings verzichtet werden.

Wichtig ist natürlich auch der Überspannungsschutz am Netzeingang (RV1). Hierfür bietet TDK verschiedene Serien von EPCOS Varistorlösungen an. Für die genannte Schaltung eignen sich Typen aus der EPCOS StandarD-Serie, die ein breites Spektrum an Spannungen von 11 V_RMS bis 1100 V_RMS abdeckt. Verfügbar sind diese Schutzbauelemente mit Scheibendurchmessern zwischen 5 mm und 20 mm entsprechend der geforderten Stoßstrombelastbarkeit und Energieabsorption. In diesem Fall eignet sich beispielsweise der kompakte Typ B72205S0231K101 mit einem Scheibendurchmesser von 5 mm, der bei einem Impuls von 8/20 μs eine Stoßstrombelastbarkeit von 400 A aufweist.
Zusätzlich kann auch der Ausgang der Schaltung noch gegen Überspannung geschützt werden (RV2), etwa mit der hier gewähltenEPCOS SMT CeraDiode^® B72590D0150A060 mit einer DC-Spannung von 15 V.

Für die Strombegrenzung am Netzeingang schließlich sorgt ein EPCOS PTC B59873C0120A570 (RT1), der für einen maximalen Laststrom von 90 mA bei 25 °C ausgelegt ist. Sollte in der Schaltung ein Fehler auftreten, der zu erhöhtem Stromfluss führt, erwärmt sich der PTC, wodurch sein Widerstand sehr stark ansteigt und der Strom auf unkritische Werte begrenzt wird.

Mit dem umfassenden TDK Bauelemente-Spektrum lassen sich kapazitive Stromversorgungen mit anderen Spannungs- und Stromwerten realisieren.

Bill of material