Viele moderne Geräte und Systemeinheiten begnügen sich mit kleinen Spannungen und Strömen im Milliamperebereich, versorgen sich aber aus dem normalen Stromnetz. Typische Beispiele sind kleine Displays für Messdaten oder Zeitangaben, Mikrocontroller-basierte Messsysteme sowie einfache Regelungen und Steuerungen. Ähnliche Herausforderungen stellen sich den Entwicklern, wenn sie Geräte an Funknetze anbinden, etwa bei Smartmetern, die ihre Zählerstände über Funk weitergeben, oder im Fall netzbetriebener Geräte für das Internet of Things.

Konventionelle Stromversorgungsdesigns 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 wäre, einen Ohmschen Widerstand vorzuschalten. Der kostet zwar sehr wenig, erzeugt aber hohe Verluste und steht so den geforderten hohen Wirkungsgraden entgegen.

Bild 1: Prinzipschaltbild einer kapazitiven Stromversorgung. Das Zeigerdiagramm verdeutlicht, dass der Großteil der Eingangsspannung am Blindwiderstand des Kondensators abfällt. Dabei entsteht im Kondensator praktisch keine Verlustleistung.

Bild 1: Prinzipschaltbild einer kapazitiven Stromversorgung. Das Zeigerdiagramm verdeutlicht, dass der Großteil der Eingangsspannung am Blindwiderstand des Kondensators abfällt. Dabei entsteht im Kondensator praktisch keine Verlustleistung. TDK Epcos

Blindwiderstand von Kondensatoren sinnvoll nutzen

Eine ebenso elegante wie einfache und kostengünstige Möglichkeit, kleine Lasten aus dem Wechselspannungsnetz zu versorgen, besteht in der Serienschaltung aus Kondensator und Last. Diese Topologie nutzt den sonst unerwünschten Effekt der Phasenverschiebung: An einem Kondensator tritt die Spannung um 90° 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. Bild 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, muss seine Zuverlässigkeit sehr hohen Anforderungen genügen. 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, hat TDK die X2-Heavy-Duty-Serie (B32932* bis B32936*) entwickelt. Diese Bauelemente weisen bei einem 1000-Stunden-Test mit 85 °C und 85 % relativer Luftfeuchte eine Kapazitätsdrift von maximal 10 % auf. Ein weiterer Vorteil dieser Kondensatoren: Sie sind selbstheilend. Kleinere Durchschläge führen nur zu einer lokal begrenzten Verdampfung der Metallisierung, ohne dass sich ein Kurzschluss bildet. Die Funktion des Kondensators bleibt dabei erhalten.

Bild 2: Einfache kapazitive Stromversorgung mit gleichgerichtetem Ausgang.

Bild 2: Einfache kapazitive Stromversorgung mit gleichgerichtetem Ausgang. TDK Epcos

Kapazitive Stromversorgung berechnen

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 Bild 2 dargestellt; für das Berechnungsbeispiel soll die Stromversorgung eine Ausgangsspannung von rund 9 VDC bei einem maximalen Laststrom von 15 mA erzeugen.

Während der positiven Halbwelle arbeitet die Zenerdiode 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 V abfallen. Da aber keine Zenerdioden mit diesem Wert verfügbar sind, verwendet die Schaltung eine Diode mit einem Wert von 10 V mit einer maximalen Verlustleitung von 1,3 W. Wird die Stromversorgung im Scheitelpunkt der Netzspannung eingeschaltet, würde ein unzulässig hoher Strom durch D1 fließen und die Zenerdiode zerstören. 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 berechnet sich der Wert von R1 zu:

  • R1 = (230 V · √2) / 1 A = 325,27 Ω

Der nächstgelegene Normwert sind 330 Ω. Im Betrieb wird R1 ständig mit dem gesamten Laststrom beaufschlagt. Zu dessen Berechnung muss man das Verhältnis von Wechselstrom-Effektivwert und Gleichstrom-Mittelwert berücksichtigen. 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:

  • P = (33,3 mA)2 · 330 Ω = 0,366 W

Mit etwas Reserve empfiehlt sich ein Widerstand mit einer Belastbarkeit von 0,5 W. Der Spannungsabfall über dem Widerstand beträgt knapp 11 V.

Unterspannung berücksichtigen

Aus den bisher ermittelten Daten lässt sich nun der erforderliche Blindwiderstand des Kondensators C1 berechnen. Um eine sichere Versorgung der Last auch bei Unterspannung sicherzustellen, sollte man mit einem Spannungsabfall der Netzspannung von mindestens 10 % rechnen, außerdem ist der Spannungsabfall über R1 und D1 zu berücksichtigen. Somit ergibt sich der Blindwiderstand zu:

  • XC1 = (230 V – 23 V – 11 V – 10 V) / 33,3 mA = 5585,6 Ω

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

  • C1 = 1 / (2π · 50 Hz · 5585,6 Ω) = 0,57 µF
Bild 3: Zwei typische Epcos-X2-Kondensatoren, die sich für kapazitive Stromversorgungen eignen. Links ein Typ aus der Heavy-Duty-Serie, rechts ein Typ aus der Serie B3292*H/J.

Bild 3: Zwei typische Epcos-X2-Kondensatoren, die sich für kapazitive Stromversorgungen eignen. Links ein Typ aus der Heavy-Duty-Serie, rechts ein Typ aus der Serie B3292*H/J. TDK Epcos

Als nächster Normwert ergibt sich eine Kapazität von 0,68 µF. Abhängig von den klimatischen Rahmenbedingungen eignet sich zum Beispiel 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 VAC 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 (Bild 3).

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

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 stehen. 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) lässt sich die Mindestkapazität von C2 bestimmen:

  • C2 = -10 ms / (600 Ω · ln ( 8 V / 9 V ) ) = 140 µF

Gewählt wird ein Single-Ended-Aluminium-Elektrolytkondensator mit einer Kapazität von 150 µF und einer zulässigen Spannung von 25 VDC. Um eine möglichst hohe Lebensdauer zu erreichen, sollte dieser Kondensator für eine Temperatur von mindestens 105 °C ausgelegt sein.

Eckdaten

Entwickler stehen oft vor der Aufgabe, Geräte mit kleinen Spannungen und Strömen im Milliamperebereich aus dem Netz zu versorgen. Hier bieten sich Designs mit kapazitiven Topologien an: Sie sind einfach, kompakt und kostengünstig. Neben den Kondensatoren bietet TDK nahezu alle weiteren passiven Bauelemente an.

Optional kann man zu C2 zusätzlich einen Keramikkondensator C3 parallel schalten. 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, zum Beispiel 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 Pflicht

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. Sein Widerstandswert ist ein Kompromiss zwischen Verlustleistung und Entladezeitkonstante: bei einem Wert von 470 kΩ tritt eine Verlustleistung von etwa 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, ist dieser Widerstand allerdings entbehrlich.

Bild 4: Epcos-Schutzbauelemente für Stromversorgungen, von links nach rechts: Scheibenvaristor für den Überspannungsschutz am Netzeingang und Ceradiode für den Schutz des Ausgangs, PTC zur Überstrombegrenzung am Netzeingang.

Bild 4: Epcos-Schutzbauelemente für Stromversorgungen, von links nach rechts: Scheibenvaristor für den Überspannungsschutz am Netzeingang und Ceradiode für den Schutz des Ausgangs, PTC zur Überstrombegrenzung am Netzeingang. TDK Epcos

Wichtig ist 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-Standar-D-Serie, die ein breites Spektrum an Spannungen von 11 VRMS bis 1100 VRMS abdeckt. Verfügbar sind diese Schutzbauelemente mit Scheibendurchmessern zwischen 5 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 man den Schaltungsausgang noch gegen Überspannung schützen (RV2), etwa mit der hier gewählten Epcos-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 (Bild 4). Sollte in der Schaltung ein Fehler auftreten, der zu erhöhtem Stromfluss führt, erwärmt sich der PTC, wodurch sein Widerstand sehr stark ansteigt und er den Strom auf unkritische Werte begrenzt.

Flexibel anpassen

Wer kapazitive Stromversorgungen mit anderen Spannungs- und Stromwerten realisieren muss, wird im umfangreichen Spektrum von TDK ebenfalls die passenden Bauelemente finden. Der Artikel hat das nötige Hintergrundwissen zusammengefasst, um diese Bauteile auch korrekt zu dimensionieren.