Gleichrichter und Siebkondensator

Ein klassisches Netzteil besteht aus drei Stufen: Der Trafo setzt die Netzspannung herunter, der Gleichrichter klappt die negativen Halbwellen nach oben, und ein großer Elko glättet das Ergebnis. Ganz glatt wird die Spannung aber nie. Zwischen zwei Nachladepulsen entlädt die Last den Elko, und es bleibt eine sägezahnförmige Brummspannung. Dieser Rechner sagt dir, welche Gleichspannung du bekommst, wie groß der Elko für eine bestimmte Brummspannung sein muss und welche Spannungsfestigkeit er braucht.

Die Grundlagen dazu stehen unter Transformator, Effektivwert und Gleichrichtwert. Wie ein Kondensator Ladung speichert und abgibt, erklärt Kondensator im Gleichstromkreis.

So rechnet der Rechner

Scheitelspannung. Auf dem Trafo steht der Effektivwert. Der Elko lädt sich aber auf den Scheitelwert auf, abzüglich der Flussspannung der Dioden, durch die der Strom fließt:

Bei der Brücke liegen immer zwei Dioden im Strompfad (n = 2), bei Einweg- und Mittelpunktschaltung eine. Für Siliziumdioden rechnest du mit 0,7 V, bei großen Strömen eher 1 V. Schottky-Dioden haben 0,3 bis 0,5 V.

Brummfrequenz. Die Einweggleichrichtung nutzt nur jede zweite Halbwelle, der Elko wird einmal pro Netzperiode nachgeladen. Brücke und Mittelpunktschaltung laden ihn bei jeder Halbwelle:

Kapazität. Zwischen zwei Pulsen liefert der Elko den Laststrom allein. Die Ladung Q = I · t senkt seine Spannung um ΔU = Q / C. Setzt man als Entladezeit die volle Brummperiode an, folgt:

Das ist etwas zu vorsichtig, denn ein Teil der Periode wird nachgeladen. Der Rechner wählt den nächsthöheren Wert der E6-Reihe; die Grafik zeigt die Brummspannung, die sich mit diesem Elko tatsächlich einstellt.

Gleichspannung mit Last. Die Spannung pendelt zwischen U_leer und U_leer − U_Br. Als Mittelwert gilt näherungsweise:

Spannungsfestigkeit. Die Netzspannung darf bis 10 % über ihrem Nennwert liegen, und ohne Last lädt sich der Elko auf den vollen Scheitel auf:

Der Rechner nennt die nächste übliche Nennspannung. Zusätzlich zeigt er die Sperrspannung der Dioden, die Zeit, in der nachgeladen wird, und den mittleren Diodenstrom in dieser Zeit.

So benutzt du ihn

1. Wähle die Schaltung: Einweg, Brücke (Graetz) oder Mittelpunkt. Bei der Mittelpunktschaltung gibst du die Spannung einer Wicklungshälfte an, bei einem Trafo „2 × 12 V“ also 12 V.
2. Trage die Trafospannung als Effektivwert ein, etwa „12 V“, und die Flussspannung je Diode, etwa „0,7 V“.
3. Gib den Laststrom an, etwa „1 A“ oder „250 mA“.
4. Lege fest, wie viel Brummspannung du zulässt, Spitze-Spitze, etwa „1 V“ oder „500 mV“.
5. Wähle die Netzfrequenz: 50 Hz in Europa, 60 Hz zum Beispiel in Nordamerika.

Beispiel

Voreingestellt ist eine Brücke an einem 12-V-Trafo mit 1 A Last, 0,7 V je Diode, 1 V Brummspannung und 50 Hz:

Die Gleichspannung liegt unter Last bei etwa 15,07 V und fällt im Brummtal auf 14,57 V. Der Elko braucht mindestens 17,27 V Spannungsfestigkeit, also einen 25-V-Typ. Mit genau 10 mF zeigt die Grafik nur 0,89 V Brumm, weil der Elko die letzten gut 1 ms jeder Halbwelle schon nachgeladen wird. In dieser kurzen Zeit fließen im Mittel 8,7 A durch die Dioden.

Mit Einweg bei sonst gleichen Werten bräuchtest du 20 mF, als E6-Wert also 22 mF – doppelt so viel wie mit der Brücke.

Praxis und typische Fehler

• Effektivwert und Scheitelwert verwechselt. Aus einem 12-V-Trafo werden nach Gleichrichter und Elko gut 15 V, nicht 12 V. Ein nachfolgender 12-V-Regler hat dann ausreichend Abstand; eine 12-V-Last ohne Regler bekommt zu viel.
• Leerlaufspannung des Trafos vergessen. Kleine Trafos liefern ohne Last 10 bis 25 % mehr als ihre Nennspannung. Das steht im Datenblatt und gehört zur Spannungsfestigkeit des Elkos dazu.
• Trafo nach Gleichstrom ausgelegt. Der Trafo liefert seinen Strom in kurzen, hohen Pulsen. Deren Effektivwert liegt deutlich über dem Gleichstrom, bei der Brücke etwa beim 1,8-Fachen. Ein 1-A-Netzteil braucht deshalb einen Trafo mit rund 1,8 A Nennstrom.
• Ladestromspitzen unterschätzt. Dioden und Elko müssen die Pulse vertragen. Achte beim Elko auf den zulässigen Rippelstrom im Datenblatt und bei den Dioden auf den Stoßstrom beim Einschalten, wenn der Elko noch leer ist.
• Brummtal zu tief. Folgt ein Linearregler, muss auch die tiefste Spannung noch über Ausgangsspannung plus Dropout liegen. Für einen LM317 mit 12 V am Ausgang reichen 14,57 V nicht.
• Einweg für größere Ströme. Der Gleichstromanteil magnetisiert den Trafokern vor, der Elko muss doppelt so groß sein. Einweg lohnt nur für wenige Milliampere.

Wie viel Wärme der nachfolgende Regler abgibt, rechnest du mit Linearregler: Verlustleistung und Kühlkörper aus. Wie schnell sich ein Kondensator über einen Widerstand lädt, zeigt Kondensator laden und entladen. Eine stabile Spannung mit Z-Diode baust du mit dem Rechner Zener-Stabilisierung.

Häufige Fragen

• Warum zeigt die Grafik weniger Brumm als vorgegeben? Die Formel rechnet mit Entladung über die ganze Periode. In Wirklichkeit lädt der Elko schon nach, bevor die Periode endet. Der Rechenwert liegt deshalb auf der sicheren Seite.
• Brücke oder Mittelpunkt? Die Mittelpunktschaltung braucht nur zwei Dioden und verliert nur eine Flussspannung, aber einen Trafo mit Mittelanzapfung. Jede Wicklungshälfte arbeitet nur in einer Halbwelle. Die Brücke nutzt die ganze Wicklung und ist heute üblich.
• Kann ich die Brummspannung weiter senken? Ja, mit größerem Elko, mit einem LC- oder RC-Siebglied danach oder mit einem Spannungsregler. Ein Regler unterdrückt Brumm typisch um 60 bis 80 dB.