Spannungs- u. Stromversorgung informationstechnischer Anlagen

Die physikalische Basis der Informationstechnik ist elektrisch. Sie ist geeignet mit Spannung und Strom zu versorgen. Die Ansprüche  von Informationstechnik an bereitgestellter, elektrischer Leistung, an Spannung und Strom variiert stark, ebenso wie die bereitgestellte Leistungsversorgung zwischen den Systemen stark variiert. (Versorgungsspannung, Frequenz)

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Von SomnusDe – Diese Datei wurde von diesem Werk abgeleitet: BlankMap-World6.svg Based on information from Mains electricity by country and, especially for continental europe, Länderübersicht Steckertypen, Netzspannungen und -frequenzen, Gemeinfrei, Link

Die Herstellung, Transport und Zuverfügungstellung elektrischer Leistung besitzt erst am Übergabepunkt in das betriebliche/heimische Netz für den Anwender und seine beispielsweise informationstechnischen Anlagen Bedeutung, also dem Anteil der unten stehenden Skizze, der mit „Verbraucher“ bezeichnet ist.

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Im europäischen Netz vor Ort können demnach den speziellen „Verbraucher“ mit L1 bis L3 elektrische „Phasen“ erreichen, die gegenüber dem Neutrallleiter „N“ eine Spannung von 230 V und eine Frequenz von 50 Hz aufweisen, die jedoch untereinander aufgrund ihrer Phasenverschiebung eine Potenzialdifferenz von etwa 400 V besitzen. (Dreiphasenwechselstrom) Die meisten üblichen informationstechnische Anlage werden über eine elektrische Phase, also mit einer Spannung von 230 V, versorgt, die auf ein für die Recheneinheit zuträgliche Weise transformiert / umgewandelt werden muss. In der Regel übernimmt diese Umwandlung ein internes, beziehungsweise externes Netzteil, wobei sich die Ansprüche einzelner Baugruppen innerhalb einer Anlage / eines PCs wiederum stark unterscheiden können. Ihnen gemein ist der Bedarf an die Frequenz der Spannung. Sie muss „0“ sein – Gleichspannung!

Informationstechnische Anlagen kommunizieren Daten zumeist über Serien unterschiedlicher aber definierter Spannungen untereinander. Auch Baugruppen innerhalb einer Recheneinheit tauschen Daten miteinander über Serien unterschiedlicher Spannungen aus. Die absolute Höhe der maximalen zur Kommunikation verwendeten Spannungen variiert, unterliegt aber bezogen auf den jeweiligen Datenaustausch festen Vorgaben, die sich als „Logikpegel“ beschreiben lassen. Weichen für den Datenaustausch bestimmte Signale unzulässig von den jeweils definierten Pegeln ab, werden keine sinnvollen Daten übermittelt. Es kann sogar zu Zerstörungen von Anlagen kommen. Dies gilt ebenso für die Datenverarbeitung in der modernen Waschmaschine, wie für die Boardelektronik eines Fahrzeugs oder einen PC/Notebook. Datenaustausch und Steuerung innerhalb von Baugruppen erfolgt derzeit meist noch elektrisch, während in der Fernkommunikation oft ebenfalls andere Formen elektromagnetischer Kommunikation zum Einsatz kommen. (LWL, WLAN …).

230 V Netzspannung mit 50 Hz „klein“ und „gleich“ machen

Anforderungen:

  • Kurzschlussschutz
  • Überspannungsschutz
  • Ab 75 W Leistung gilt Leistungsfaktorkorrektur (PFC) als erforderlich (Ziel cos φ > 0,9)
  • Abgabe unterschiedlicher, definierter, niedriger Gleichspannungen
  • Geringe Störwirkung auf Umgebung (EMV) und Rückwirkung auf das Versorgungsnetz
  • Hoher Wirkungsgrad

Die „große“ Lösung im PC-Netzteil:

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Von Hans Haase, Quark48Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, Link

 

Für den Schutz gegen Öffnung des Netzteils, Leerlauf- und Standby-Verbrauch, dessen Absicherung etc. gelten weitere Regelungen.

In „klassischen“ technischen Spanungsversorgungen spielte der Transformator eingangsseitig eine (wenigstens gewichtsmäßig) dominante Rolle. Mit dem Aufkommen der Schaltnetzteile änderte sich die Positionierung des Transformators in der Spannungsversorgung. Trotz seiner geänderten Position und Aufgaben entfällt er im Bereich der Stromversorgung jedoch nicht. Neben der Spannungswandlung kommt ihm die Aufgabe der galvanischen Trennung zu.

Wesentliche Bauelemente sind:

  • Transformator
  • Gleichrichterdioden (Eingangsseite und Ausgangsseite)
  • Speicherdrossel (Induktivität als Stromspeicher)
  • Kondensator (Glättung von Spannungsverläufen auf Eingangs- wie Ausgangsseite)
  • Transistorschaltstufe (Erzeugung hochfrequenter Wechselspannung)

Transformator

Aufbau als 2 Spulen aus (Lack-)draht auf einem Wecheisen- oder Ferritkern.

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Von BillC, Omegatron, Herbertweidner (German text, see de:Bild:Trafo 1.png)
translated version of Image:Transformer3d col3.svg, CC BY-SA 3.0, Link

 

Die Wicklung auf der Anregungsseite wird „Primärwicklung“ genannt. Die Wicklung auf der anderen, durch die Magnetflussänderung angeregte Wicklung wird Sekundärwicklung genannt.

Transformatoren werden in aller Regel (eigentlich immer) mit einem Wechselstrom betrieben. Im Wechselstrom ändert sich die Richtung des Stromes regelmäßig entsprechend seiner Frequenz. Die Form der verwendeten Wechselspannung hängt von der Anwendung / dem Zweck des Transformators ab. Als Spannungswandler in öffentlichen Netzen werden Transformatoren mit sinusförmiger Spannung betrieben. Der Spannungsverlauf in Schaltnetzteilen kann von diesem Verlauf deutlich abweichen. Öffentliche Stromnetze in Europa werden oft mit einer Frequenz von 50 Hz betrieben (Ausnahmen bilden die Stromnetze der Bahn).

Zweck von Transformatoren:

  • Umwandlung von Wechselspannungen mit hohem Potenzialunterschied (Spannung) in Wechselspannungen mit niedrigem Potenzialunterschied (Spannung).
  • Galvanische Trennung von Potenzialen (auch als Potenzialtrennung bezeichnet).

Der Wirkungsgrad von Transformatoren in öffentlichen Netzen erreicht nicht selten mehr als 99%, jedoch sind Transformatoren auch Spulen und tragen somit zur Blindleistung im Stromnetz bei.

Transformator-Gleichungen

Verhältnis sinusförmiger Wechselspannungen am Transformator:

In Worten: Die Spannungen von Primär- und Sekundärseite eines Transformators verhalten sich wie die Anzahl der Windungen auf Primär- und Sekundärseite eines Transformators. Das Verhältnis der primärseitigen zur sekundärseitigen Wicklung wird auch Übertragungsfaktor genannt.

Zudem gilt für die Ströme:

In Worten: Die Ströme durch die Wicklungen auf dem Transformator verhalten umgekehrt zum Verhältnis der Anzahl ihrer Windungen.

Das Schema des PC-Netzteils zeigt bei Schaltnetzteilen die Einbindung von Transformatoren jedoch nicht im Bereich sinusförmiger Eingangsspannungen. Im Gegenteil, die sinusförmige Eingangsspannung wird zunächst entstört, gleichgerichtet und gesiebt (geglättet). Aus AC (alternating current / Wechselstrom) wird DC (direct current / Gleichstrom). Im Anschluss daran wandeln Schalttransistoren die Gleichspannung in eine pulsweitenmodulierte Rechteckspannung um, deren Frequenz 10 kHz bis zu 100 kHz betragen kann. Sie wird auf einen Transformator als Leistungsübertrager, Spannungsanpasser und Potenzialtrenner geleitet. Anschließend erfolgt eine erneute Gleichrichtung und Glättung der Spannung. Die Regelung von Leistung und Spannung erfolgt über eine Regelstrecke, die geglättete Ausgangsspannung misst und über analoge Regelglieder und Potenzialtrennung zur Beeinflussung der Schalttransistoren verwendet.

Ein PC-Netzteil enthält für jede von ihm abgegebene Spannung eine eigene Transformation der Spannung und eine eigene zur jeweiligen Spannung gehörende Regelstrecke.

Schaltplansymbol:

Dies stellt das allgemeine Symbol für einen Transformator ohne Kern dar, der aus zwei getrennten Spulen besteht. Wenn „Wicklung 1“ die primäre Seite bezeichnet, bildet „Wicklung 2“ die zweite Seite. Werden nicht beide Wicklungen auf die gleiche Luftspule übereinander gewickelt besteht nur eine zu vernachlässigende Kopplung der Magnetfelder.

Übliche Materialien für die magnetische Kopplung der Spulen sind Weicheisen, Transformatorbleche oder Ferrit. Übliche Formen sind der Ringkern und gekoppelte Ringe. Der Strich zwischen den beiden Wicklungen charakterisiert das Vorhandensein eines Kernmaterials.

Während die Primärseite in aller Regel über nur eine Wicklung verfügt gibt es auf der Sekundärseite Abweichungen.


In diesem Beispiel besitzt die Sekundärseite zwei Wicklungen. Die Windungszahlen der sekundärseitigen Wicklungen können sich voneinander unterscheiden, was den Abgriff zweier unterschiedlicher Spannungen auf der Sekundärseite bei nur einer primärseitigen Wechselspannung ermöglicht. Die Transformatorgleichungen gelten aber weiter.

Eine weitere Bauform ist der Transformator mit einem oder mehreren Mittelabgriffen auf der Sekundärseite. Hier sorgt der gemeinsame Abgriff für ein gemeinsames Bezugspotenzial zudem ermöglicht diese Bauform das gleichzeitige Abgreifen mehrerer Spannungen auf der Sekundärseite. Die abgegriffenen Spannungen sparen die Verwendung weiterer Transformatoren unter Umständen ein. Die sekundären Lasten sind jedoch miteinander gekoppelt. In der Summe kann nie mehr Last entnommen werden als auf der Primärseite eingespeist wird. Wird eine Sekundärwicklung besonders belastet, brechen auch die Leistungen der anderen Wicklungen soweit ein, bis die Summe der Lasten auf der Sekundärseite der auf der Primärseite eingespeisten Leistung entspricht. Wobei die Wirkungsgradunterschiede zwischen Transformatoren zu berücksichtigen sind. Transformatoren hoher Nennleitung haben Wirkungsgrade von mehr als 99%, während …. Kleinsttransformatoren (Leistung 1 VA) auf kaum noch 50% Wirkungsgrad kommen. (Siehe: Wikipedia-Transformatoren). Der Wirkungsgrad wird dabei zudem von der Frequenz der Wechselspannung beeinflusst.

Die Frequenzen aller Spannungen auf der Sekundärseite entsprechen der Frequenz der Spannung auf der Primärseite.

Ein Transformator überträgt weder Gleichspannungen noch konstante Spannungsanteile.

Die Spannungen von Primärseite und Sekundärseite verlaufen synchron, wenn die Spulen gleichsinnig betrieben werden. Werden die Spulen entgegengesetzt betrieben, zeigt sich einer Phasenverschiebung um 180° (bei sinusförmigem Verlauf der Spannungen).

Blick ins PC-ATX-Netzteil. Bild und Bildunterschrift aus Wikipedia-PC-Netzteil.

 

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Von Hans HaaseEigenes Werk, CC BY-SA 3.0, Link

Im Innern eines PC-Netzteils

  • A – Wechselspannungseingang ( 230 V AC )
  • B – Netzspannungsfilter und Gehäuseerdungsleitung (Grün-Gelb), zur Gehäuseschraube
  • C – Gefilterte Netzspannung
  • D – Sicherung
  • E – NTC – Heißleiter zu Einschaltstrombegrenzung
  • F – Überbrückter Netzfilter, wurde nach
  • B verlegt, um der PFC-Drossel Platz zu bieten
  • G – Gleichrichter
  • H – Anschluss für PFC-Drossel.
  • SW sind die schwarz markierten Anschlüsse für den 115 V Eingangsspannungsschalter (In diesem Exemplar nicht eingebaut)
  • J – Primäre Glättungskondensatoren 2x 200 V
  • K – Kühlkörper für Schalttransistoren
  • L – Haupttransformator
  • M – Optokoppler
  • N – Standby Transformator
  • O – Gebündelte Enden der Sekundärwicklungen – Masse (0 V)
  • P – Kühlkörper für Sekundärgleichrichter
  • R – 5 V-SB Glättungskondensatoren
  • S – 5 V und 12 V Speicherdrossel
  • T – 3.3 V Speicherdrossel
  • U – Glättungskondensatoren für 3.3 V, 5 V, 12 V – jeweils zwei (diese unterliegen der intensivsten Belastung durch Mischstrom)
  • W – Ausgangskabelbaum Links von
  • K: Zeitgliedkondensatoren; ein Ausfall zerstört Q1/Q2 und löst die Sicherung aus Zwischen L und N: Rückkopplungsübertrager Zwischen N und O: 5 V auf 3.3V Phasenschieberdrossel Weißer Anschluss neben T: Interner Lüftermotor Zwischen L und W: (nicht bestückt L4 und C23) nicht geschaltete -5 V

Das Vorhandensein von Kondensatoren und Spulen deuten auf mögliche Einflüsse hin, die ein Entstehen von Blindleistung begünstigen. Zur Vermeidung /  Minderung zusätzlicher Last durch Blindleistung in den Kabeln des Versorgers wurden gesetzliche Regelungen zur lokalen Vermeidung getroffen. Von zusätzlichem Vorteil der Blindleistungskompensation im Netzteil sind die günstigere Dimensionierung von beispielsweise der USV (unterbrechungsfreien Stromversorgung) und die Vermeidung von Kosten (bei gewerblichen Stromabnehmern).

Übungsteil:

Für die Lösung der Aufgaben sei ein Wirkungsgrad von 1 für die verwendeten Transformatoren angenommen.

Aufgabe: Die sinusförmige Eingangsspannung auf der Primärseite UP betrage 100 V. Die Wicklung der Primärseite besitze 200 gleichsinnig angeschlossene Windungen (nP = 200), die Sekundärseite 1000 Windungen (nS = 1000).

  1. Berechnen Sie die Spannung US auf der Sekundärseite.
  2. Welche Aussage lässt sich über den Verlauf von US treffen?
  3. Zeichnen Sie einen Grafen, der den Verlauf der Spannungen darstellt, wenn die Sekundärseite invers (umgekehrt) angeschlossen wurde.
  4. Beschreiben Sie die Darstellung der Spannungsverläufe mit einem für die Messung vorgesehenen Gerät.

 

Aufgabe: Auf der Sekundärseite wird ein UPP von 20 V bestimmt, wenn die Primärseite mit UPP = 220 gespeist wird.

  1. Ermitteln Sie das Windungsverhältnis von Primärwicklung zu Sekundärwicklung.
  2. Die Sekundärseite ist mit einer Sicherung von 10 A abgesichert. Mit welcher Sicherung wäre die Primärseite abzusichern, um ein Überschreiten der maximalen Last auf der Sekundärseite zu verhindern?

Aufgabe: Die Primärseite eines Transformators enthält eine Wicklung von 1000 Windungen, während die Sekundärseite 200 Windungen mit Mittelabgriff bei 100 Windungen aufweist. Die Primärseite wird von einer sinusförmigen Wechselspannung in Höhe von Ueff = 220 V gespeist.

  1. Stellen Sie den Spannungsverlauf zwischen den Anschlüssen der Sekundärseite grafisch dar, wenn der Mittelabgriff geerdet wird.
  2. Stellen Sie den Spannungsverlauf zwischen den Anschlüssen der Sekundärseite grafisch dar, wenn der untere Anschluss der Sekundärseite geerdet wird.
  3. Wie stellt sich der vergleichende Spannungsverlauf der Teilwicklungen sowie der gesamten Sekundärwicklung grafisch dar?

Gerade bei der Übertragung hoher Frequenzen über Transformatoren (Übertrager) im Audiobereich (bis unter 30 kHz) und in anderen Anwendungen bei noch höheren Frequenzen bis in den MHz-Bereich machen sich zusätzliche Effekte durch die Leitfähigkeit des Weicheisens im Spulenkörper bemerkbar, wenn dies im Transformator verwendet wird. Hier werden deshalb Ferrite statt Eisen eingesetzt. Auch lässt sich der Widerstand der Wicklungen nur bedingt vernachlässigen.

Zur Wiederholung:

Aufgabe: Ein in der Akustik verwendeter Übertrager mit einem Windungsverhältnis von 1:1 besitzt einen Widerstand von 133,8 Ω und eine Induktivität von 714,8 mH in der Primärwicklung.

  1. Ermitteln Sie den Scheinwiderstand.
  2. Berechnen Sie den Winkel φ zwischen dem Wirkwiderstand und dem Blindwiderstand in Grad.

Fortsetzung:

Weitere ergänzende Fragen / Aufgaben / / Musterlösungen und Zusatzinformationen zu diesem Thema demnächst im Quiz.

Einfluss eines Transformators auf Frequenz, Amplitude und Verlauf von Wechselspannungen

Material:

  • 4 Dioden
  • 1 Kleintransformator 1:1
  • 1 Widerstand 10 kΩ
  • 2 Widerstände 220 Ohm
  • 1 Leuchtdiode grün
  • 1 Leuchtdiode rot
  • 6 Dioden (Silizium)
  • 1 Brückengleichrichter
  • Lineare Spannungswandler 7805; 7809; 7812
  • Steckbrettt
  • Steckbrücken

Geräte:

  • Funktionsgenerator
  • Oszilloskop
  • Wechselspannungsquelle
  • Labornetzgerät

Aufbau: Der Funktionsgenerator wird mit der Primärseite des Transformators verbunden. Die rote Klemme des Funktionsgenerators mit (A) und die schwarze Klemme mit (B).

a) Nach der Verifikation der Funktionalität des Oszilloskops am Funktionsgenerator bei unterschiedlichen Frequenzen (50 Hz, 500 Hz, 1,5 kHz, 3 kHz, 5 kHz und 10 kHz) bei 2 V UPP und den Verlaufsformen Sinus, Dreieck und Rechteck kann der Einfluss des Transformators auf Frequenz, Amplitude und Verlauf der Signale an den Klemmen „C“ (rote Anschlussklemme des Oszilloskops) und „D“ (schwarze Klemme des Oszilloskops) untersucht werden.

Der ersten Schritt im Zuge der Gleichrichtung einer Wechselspannung kann mit einem Aufbau unter Verwendung eines Brückengleichrichters oder von diskreten Dioden untersucht werden.

b) Entsprechend der Messungen in a) ist die an den Messpunkten C und D abzugreifende Spannung zu charakterisieren, wenn primärseitig eine sinusförmige Spannung in den Transformator eingespeist wird. Insbesondere die Charakterisierung unter Variation der Amplitude bringt Erstaunliches an den Tag. In welcher Form stellt sich die Spannung an den Klemmen C und D dar, wenn die Primärspannung unter 0,7 V fällt? Wie stellt sich der Verlauf dar, wenn Messpunkt „C“ zwischen Diode und Transformator verlegt wird?

Zur Optimierung der Leistungsfähigkeit wird im Sinne eines optimierten Aufwandes eine einstellbare Wechselstromquelle mit größerer Leistung anstelle der Kombination aus Funktionsgenerator und Transformator eingesetzt, um die Eigenschaften von Vollwellengleichrichtern zu untersuchen. Die Frequenz der Wechselspannung beträgt unter diesen Umständen 50 Hz.

„BR“ steht für „Brückengleichrichter“. Ein Brückengleichrichter ist eine festgefügte Einheit mit der Funktionalität von vier der Abbildung entsprechend geschalteten Dioden.

  1. Welches könnten relevante Messpunkte zur Charakterisierung der Schaltung sein?
  2. Welche Spannungsverläufe sind zu erwarten, wenn die Kombination aus LED und 1 k Widerstand durch einen einzelnen Widerstand von 10 k ersetzt wird.

Offensichtlich liegt an der grünen LED keine optimale Gleichspannung an, auch wenn die LED scheinbar gleichmäßig leuchtet. An einen Betrieb einer informationstechnischen Anlage an einer derartig verlaufenden Spannung ist nicht zu denken.

Glättung, Wandlung und Regelung von Gleichspannungen (in Vorbereitung)

Linear- und Schaltregler

Grundschaltung Linearregler / Spannungswandler 7805

 

Versuchsthemen: Transformator, Spannungsregler / Schaltregler

Aufbau mit Spannungsregler

Stromversorgung Grundschaltung nach

 

Nützliche Quellen im Netz:

Wikipedia PC-Netzteil

Elektronik-Kompendium PC-Netzteile / Computernetzteile

Wikipedia-Transformator und Wikimedia-Transformator

Erklärvideo zum Transformator auf Youtube

Leifi-Physik Transformator mit Formeln und Übungsaufgaben

Leifi-Physik Halbleiterdiode

Rohm Semiconductor Unterschied zwischen Linear- und Schaltreglern

Neumüller Elektronik GmbH Schaltnetzteil Funktionsweise

 

Vertiefende Grundlagen:

Leifi-Physik Spule

Leifi-Physik Magnetfeld eines geraden Leiters