Gefahren:

Da die überwiegende Mehrheit aller elektronischen Geräte mit Klein- bzw. Gleichspannung betrieben wird, ist der Einsatz eines Netzteils notwendig. Je nach Verwendungszweck wird an das Netzteil unterschiedlich hohe Anforderungen gestellt. Dies betrifft nicht nur die Leistung und Höhe der Spannung, sondern auch deren Art und die maximale Stärke des Stromes. Die wohl wichtigste Funktion ist jedoch die galvanische Netztrennung. Da der Neutralleiter (N) und der Schutzleiter (PE) geerdet sind, reicht die Berührung der Phase (bzw. einer der L-Leiter) aus, um einen tödlichen Stromschlag zu erhalten. Damit die Schaltung nicht unter Netzspannung steht, werden Transformatoren verwendet. Das macht die Verwendung von Netzspannung zwar auch nicht ungefährlich, aber durch Einhaltung der Vorschriften (insbesondere VDE) und fachgerechter Umgang mit gefährlichen Spannungen, ist das Arbeiten damit deutlich sicherer.

Bei Elektrik denkt jeder sofort an das Risiko eine "gewischt" zu bekommen. Das ist zwar gut so, aber oft genug ist es eben nicht die Spannung, oder der Strom, der Menschen tötet, sondern etwas ganz anderes, was scheinbar absolut nichts mit diesen beiden Dingen zu tun hat. FEUER!
Technische Defekte, oder unsachgemäßer Umgang mit elektrischen Geräten und deren Zubehör stellt eine nicht zu unterschätzende Gefahr dar! Auch Kleinspannungsanlagen mit scheinbar harmlosen 12Volt, oder batteriebetriebene Geräte, können ein Feuer auslösen, Leben kosten und hohen Sachschaden verursachen! Ein zu klein bemessener Drahtquerschnitt, Überlastung von Bauteilen durch zu hohe Spannung, oder zu hohem Strom, schlechte Kontakte in Schaltern und Relais (vor allem auffallend billige Bauteile sind oft Fälschungen von Markenprodukten) und noch viele andere Faktoren können einen Brand verursachen. Überdimensionierte Bauteile, wie Kabelquerschnitte, Kontakte, Kühlkörper und dergleichen, sind oft nur unbedeutend teurer, als ihre "kleineren" Verwandten, sind aber schlicht weg sicherer. Deswegen immer an die Sicherheit denken!


Ein Transformatornetzteil und seine Bestandteile:

Wie der Name schon andeutet, gibt es noch andere Arten von Netzteilen, wie zum Beispiel Schaltnetzteile. Da aber die Hälfte der elektronischen Bauteile eines Schaltnetzteils unter Netzspannung steht und der Selbstbau eines Solchen nicht ohne Tücken ist, wird hier nur das meistverbreitetste Transformatornetzteil beschrieben.
Der Namensgeber dieser ganzen Familie ist, wie kann es anders sein, der Transformator (Trafo). Er besteht hauptsächlich aus zwei Spulen, die galvanisch von einander getrennt, aber durch einen Eisenkern magnetisch mit einander verbunden sind. Die Primärspule wandelt die Netzspannung (230V Wechselspannung) in ein magnetisches Wechselfeld um, welches über den Kern in die Sekundärspule geleitet wird, wo es wiederum eine Spannung induziert. Je nach Verhältnis der Windungszahlen beider Spulen ändert sich dabei die Spannung.
Da eine kleinere Spannung das Ziel ist, sind auf der Sekundärspule weniger Windungen aufgewickelt, als auf der Primärspule. Die umgesetzte Leistung auf beiden Seiten bleibt dabei jedoch fast gleich, es wird aber ein höherer Strom bereitgestellt. Denn die Leistung "P" ist das Produkt aus der Spannung "U" und dem Strom "I" (P = U x I). Höherer Strom braucht mehr Drahtquerschnitt wodurch man oft schon am "dicken" Draht die Sekundärseite eines offenen Trafos erkennen kann.
Beide Spulen können auch in mehrere Spulenpaare aufgeteilt sein, was mehrere Ein- und Ausgangsspannungen ermöglicht. Ist die Belegung unklar kann ein Messgerät helfen. Niemals einfach an irgend welche Anschlüsse Netzspannung anschließen! Normalerweise kauft man sich einen Trafo und seine Werte, sowie dessen Anschlussbelegung ist bereits bekannt. Wie man bei unbekannten Trafos die richtigen Anschlüsse findet und dabei sogar noch grob abschätzen kann, welche Werte der Trafo hat, erkläre ich später.
Der nachfolgende Teil ist die Gleichrichtung. Ein Gleichrichter besteht aus einer, oder mehreren Dioden, der die Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung umwandelt. Die drei gebräuchlichsten Gleichrichter sind der Einweggleichrichter, der Mittelpunktgleichrichter und der Brückengleichrichter (auch Graetzschaltung, oder Graetzbrücke genannt).
Der Einweggleichrichter besteht aus einer einzigen Diode und eignet sich nur bedingt für elektronische Schaltungen, da er eine extrem hohe Brummspannung abgibt und diese aufwendig geglättet werden muss. Außerdem belastet er den Trafo nur in einer Halbwelle der Wechselspannung und dies führt im Laufe der Zeit zur Vormagnetisierung des Kerns und verringert so dessen Wirkungsgrad. Dies gilt in gleicher Weise auch für den Mittelpunktgleichrichter, wobei dessen Brummspannung etwas kleiner ist, aber die doppelte Frequenz besitzt. Dieser Gleichrichter besteht aus zwei Dioden, setzt jedoch einen Transformator mit Mittelabgriff in der Sekundärspule voraus, was nicht immer gegeben ist.
Der Brückengleichrichter arbeitet mit 4 Dioden, die im 4-Eck angeordnet sind. Dadurch nutzt er beide Halbwellen der Wechselspannung und belastet den Trafo "beidseitig", was eine Vormagnetisierung verhindert, den Wirkungsgrad voll ausschöpft und eine vertretbare Brummspannung hinterlässt. Es wundert also nicht, dass der Brückengleichrichter so weit verbreitet ist.
Um die Brummspannung zu reduzieren, verwendet man große Elektrolytkondensatoren. Diese dämpfen den Brumm schon ganz ordentlich, aber für empfindliche Schaltkreise, oder Audio-Komponenten ist das bei weitem nicht ausreichend. Aus diesem Grund kommt nun eine Spannungsstabilisation zum Einsatz. Sie hat den Vorteil, dass der Brumm fast vollständig heraus gesiebt wird und die Spannung auch bei schnellen Lastwechseln konstant bleibt.
Für den "Hausgebrauch" wurden recht aufwendige Stabilisierungsschaltungen in einem Gehäuse untergebracht und können als Einchip-Spannungsstabilisatoren erworben werden. Das "Flaggschiff" unter den Stabis ist der 78xx, wobei das "xx" die Ausgangsspannung in Volt angibt. Demnach liefert ein 7805 eine Festspannung von 5Volt und ein 7812 12Volt. Dieser Stabi regelt in der positiven Zuleitung, wobei die Masse durchgängig ist.
Damit man auch negative Spannungen stabilisieren kann, gibt es auch Negativregler der 79'er Reihe. Die Spannungsangabe entspricht der 78'er Reihe (7905 liefert negative 5Volt und 7909 negative 9Volt). Die negative Ausgangsspannung wird geregelt und auch hier ist die Masse durchgängig.
Für eine einwandfreie Funktion des Stabi muss je ein Keramikkondensator so dicht wie möglich am Eingang und am Ausgang gegen Masse geschalten werden. Laut Datenblatt gehören 330nF an den Eingang und 100nF an den Ausgang. Die Werte sind jedoch unkritisch, so dass man auch zwei 100nF Kondensatoren verwenden kann. Es dürfen aber keinesfalls Elkos verwendet werden, weil diese parasitäre Induktivitäten besitzen, die eigentlich gepuffert werden sollen. Der Kondensator am Eingang des Stabilisators dämpft die parasitäre Induktivität des Elkos am Brückengleichrichter und der Kondensator am Ausgang schluckt Stromspitzen der angeschlossenen Last. Fehlt der Ausgangskondensator kann sich der Stabi beim regeln "einschwingen" und produziert dann extrem schnelle Spannungsschwankungen und wird sehr warm. Einige Stabilisatoren brauchen für eine stabile Ausgangsspannung eine Mindestlast von wenigen mA. Wenn das Netzteil auch ohne Last eingeschaltet werden kann, ist dann eine LED als Arbeitsanzeige, oder ein Lastwiderstand erforderlich.
Die Stabilisatoren verfügen über diverse Schutzschaltungen, wodurch es eigentlich unmöglich ist, sie zu zerstören. Nur gegen eine Überspannung am Eingang sind die Stabis nicht geschützt. Wird eine Last zu groß und der Strom übersteigt die maximal zulässige Stärke, regelt der Stabi die Spannung so weit runter, bis der Strom wieder bis zum Maximum abgesunken ist. Bei einem Kurzschluss fließt also der maximal zulässige Strom und die Ausgangspannung ist bei Null. Auch gegen Überhitzung sind die Stabis geschützt. Wird er zu heiß, regelt er die Spannung bzw. den Strom runter, bis die Temperaturen wieder vertretbare Werte angenommen haben.
Eines haben aber alle Spannungsstabilisatoren gemeinsam. Es darf niemals, auch nicht ganz kurz, die Ausgangsspannung größer werden, als die Eingangsspannung! Dies zerstört sofort den Stabi! Diese Aussage klingt etwas widersprüchlich, wenn man bedenkt, dass die Spannung vom Transformator im laufenden Betrieb immer mindestens 1-2 Volt über der Ausgangsspannung liegt und der Verbraucher hinter dem Stabi ständig versucht, die Spannung nach unten zu ziehen. Wie soll es also jemals zu einem solchen Zustand kommen?
Die Antwort ist so naheliegend, dass man kaum darauf kommt. Zum Beispiel ein Kurzschluss im Gleichrichter, oder dem Elko vor dem Stabilisator. Dieser lässt die Spannung vor dem Stabi schlagartig fallen, was dem Elko hinter dem Stabi sofort dazu veranlasst, seine Spannung dorthin zu schicken. Prompt fließt der Strom "rückwärts" durch den Stabi, was diesen augenblicklich zerstört. Ein ähnlicher Fall liegt vor, wenn der Elko hinter dem Stabi ein Vielfaches der Kapazität besitzt, als der Elko vor dem Stabi. Dies allein würde nicht zwangsläufig einen kritischen Zustand herbei führen, aber was ist, wenn vor dem Stabi noch ein weiterer Verbraucher parallel geschalten ist und dieser den Elko des Gleichrichters schnell entlädt? Genau! Wenn der Stromverbrauch der Schaltung hinter dem Stabi so klein ist, dass sich der Elko hinter dem Stabi nicht so schnell entladen kann, wie der vor dem Stabi, dann verdampft der Stabi binnen weniger Millisekunden. Aus diesem Grund sollte unbedingt eine Schutzdiode in Sperrrichtung zwischen Eingang und Ausgang des Stabilisators geschalten werden. Sinkt die Spannung vor dem Stabi schneller als hinter ihm, leitet die Schutzdiode den Strom "rückwärts" am Stabi vorbei. Die dabei an der Diode abfallende Spannung ist gerade noch klein genug, um den Stabi vor Schaden zu schützen. Vorrausgesetzt die Diode überlebt den Stromstoß im Kurzschlussfall, denn dieser kann bei Kapazitäten von 5mF bereits bis zu 100A betragen. Aber derart große Kapazitäten sollten eigentlich nicht verwendet werden, weil sie bereits schon beim Einschalten extreme Ladeströme beanspruchen und eher einem "nachlassenden Kurzschluss" ähneln.
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