Zweiweg-Gleichrichter mit Siebkondensator

Berechnung der Brummspannung und Ladespannung am Brückengleichrichter

Brückengleichrichter mit Glättung

Mit Ladekondensator (Siebkondensator)

Berechnung der Brummspannung und Spannungsabfall bei Belastung. Der Siebkondensator glättet die pulsierende Gleichspannung.

Art der Eingangsspannung
V
V
2 × 0,7V für Silizium-Brücke
µF
Ω
Ω
Wicklungswiderstand des Trafos
Hz
Ergebnisse
Eingangswerte
Eingang Ueff:
Eingang USpitze:
Ausgangswerte
Leerlaufspannung:
Spannung unter Last:
Strom im Lastwiderstand:
Kritische Werte
Brummspannung (VSS):
Dioden Sperrspannung:
Spannungsbereich
Maximal-Spannung:
Minimal-Spannung:

Spannungsdiagramm mit Brummspannung

Spannungsanalyse

Die rechte Säule zeigt die minimale Ausgangsspannung (blau) und die Brummspannung (rot gestapelt). Die Gesamthöhe entspricht der maximalen Spannung.

Siebkondensator-Prinzip
  • Kondensator lädt sich auf Spitzenspannung auf
  • Entladung über Lastwiderstand zwischen Pulsen
  • Brummspannung durch Lade-/Entladezyklen
  • Größerer Kondensator = geringere Brummspannung
Brückengleichrichter mit Kondensator

Schaltbild: Brückengleichrichter mit Siebkondensator

Typische Werte
Kleine Netzteile (bis 1A): C: 1000-4700µF Ri: 2-10Ω
Mittlere Netzteile (1-5A): C: 4700-22000µF Ri: 0,5-5Ω
Große Netzteile (>5A): C: 22000µF+ Ri: 0,1-2Ω
Kondensator-Dimensionierung
Faustregeln:
• 1000µF pro 1A Laststrom (Minimum)
• 2000-5000µF pro 1A für niedrige Brummspannung
• Bei 5V: Mindestens 4700µF pro 1A
• Bei 12V: 2200µF pro 1A ausreichend
• Bei 24V+: 1000µF pro 1A akzeptabel
Praktische Grenzen
Brummspannung akzeptabel: <10% der Ausgangsspannung
Niedrige Spannungen (<12V): Problematisch
Hohe Ströme (>5A): Schaltregler bevorzugen
Präzisionsanwendungen: Linearer Nachregler nötig
Kondensator-Lebensdauer: Ripple-Current beachten

Theorie der Gleichrichtung mit Siebkondensator

Funktionsprinzip

Der Siebkondensator (Ladekondensator) glättet die pulsierende Gleichspannung des Gleichrichters. Er lädt sich während der Spitzenzeiten auf die maximale Spannung auf und entlädt sich über den Lastwiderstand, bis der nächste Ladeimpuls kommt.

Lade- und Entladevorgang
  • Ladezeit: Sehr kurz (nur um den Spitzenwert der Sinusspannung)
  • Entladezeit: Zwischen den Ladepulsen (bei 50Hz Netz: ~10ms)
  • Ladestrom: Sehr hoch, da nur kurze Ladezeit verfügbar
  • Entladestrom: Konstant, bestimmt durch Lastwiderstand
Mathematische Beziehungen
Leerlaufspannung:
\[U_{Leer} = \sqrt{2} \cdot U_{eff} - U_D\]
Brummspannung:
\[U_{Brumm} = \frac{I_L}{2 \cdot C \cdot f}\]
Lastspannung:
\[U_{Last} = U_{Leer} \left(1 - \sqrt{\frac{R_i}{2 \cdot R_L}}\right)\]
Sperrspannung:
\[U_{Sperr} = \sqrt{2} \cdot U_{eff}\]
Designkriterien
Parameter Unkritisch Akzeptabel Kritisch
Brummfaktor < 5% 5-15% > 15%
Kondensator pro Ampere > 5000µF/A 2000-5000µF/A < 2000µF/A
Innenwiderstand < RL/20 RL/20 bis RL/10 > RL/10
Transformator-Ausnutzung 90-95% 80-90% < 80%
Vorteile
  • Einfacher Aufbau
  • Niedrige Kosten
  • Hohe Zuverlässigkeit
  • Keine Schaltfrequenz-Störungen
  • Gute Überlastfähigkeit
Nachteile
  • Hohe Brummspannung
  • Schlechte Lastregelung
  • Große, schwere Kondensatoren
  • Hoher Spitzenstrom durch Dioden
  • Transformator-Überdimensionierung nötig
Anwendungen
  • Einfache Netzteile: Für unkritische Anwendungen
  • Vorstabilisierung: Für Linearregler
  • Batterieladegeräte: Mit nachgeschalteter Regelung
  • Motorantriebe: DC-Motor Speisung
  • Audio: Mit zusätzlicher Filterung
Spannungsverläufe und Komponenten-Auswahl
Zweiweg ohne Kondensator

Ohne Kondensator: Pulsierende Gleichspannung

Zweiweg mit Kondensator

Mit Kondensator: Geglättete Spannung mit Brummanteil

Kondensator-Auswahl
Kapazität: 1000-5000µF pro Ampere Laststrom
Spannungsfestigkeit: Mindestens 1,5× Spitzenspannung
Ripple-Current: Ausreichend für Ladestromspitzen
Lebensdauer: Low-ESR Typen bevorzugen
Temperatur: 105°C Typen für bessere Lebensdauer
Dioden-Auswahl
Sperrspannung: Mindestens 2× Eingangsspitzenspannung
Strom: 2-3× Durchschnittsstrom (wegen Spitzen)
Schottky-Dioden: Bei niedrigen Spannungen (<12V)
Schnelle Dioden: Für reduzierten Reverse Recovery
Kühlung: Bei hohen Strömen Kühlkörper verwenden
Symbolverzeichnis
ULeerLeerlaufspannung (ohne Last) [V]
ULastAusgangsspannung unter Last [V]
UBrummBrummspannung (Spitze-Spitze) [V]
USperrMaximale Dioden-Sperrspannung [V]
CLLadekondensator (Siebkondensator) [µF]
RiInnenwiderstand der Quelle [Ω]
RLLastwiderstand [Ω]
fNetzfrequenz [Hz]

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