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Software für Transformatornetzteile

Um Trafonetzteile zu dimensionieren, kann diese Software verwendet werden.

Power Supply Software

Die Software ist in zwei Versionen verfügbar. Version 2

beseitigt einen Fehler bei der Simulation von Doppelspulen-Trafos mit Zwei-Dioden-Gleichrichtung (lieferte zu niedrige Spannungen),
nähert die Diodenspannung logarithmisch und nicht mehr linear (ergibt höhere Spannungen),
erlaubt die Eingabe von Zahlen in deutscher Schreibweise (mit Dezimalkomma statt Dezimalpunkt),
verändert die Eingabe: während des Editierens sind Editierfelder grün hinterlegt, während der Eingabe erfolgt nun keine Simulation mehr, erst mit der Eingabetaste werden die Eingaben geprüft und simuliert, vom Programm geänderte Parameter werden gelb hinterlegt, Felder mit Falscheingaben werden rot hinterlegt.

Die Software ist in Lazarus-Pascal geschrieben. Der Quellcode und die für 64-Bit-Windows kompilierte ausführbare Datei sind hier verfügbar:

Version	Windows		Linux
Version	Quellcode	Executable	Quellcode	Executable
2	V2 Win Source	V2 Win64 Executable	(nicht verfügbar)
1	V1 Win Source	V1 Win64 Executable	V1 Lin Source	V1 Lin Executable

Bedienung

Auswahl des Schaltungstyps
Transformatoreigenschaften
Dioden und Gleichrichterbrücken
Elko, Verbraucherstrom
Simulationseinstellungen
Ergebnisse

1 Auswahl des Schaltungstyps

Im Ausklappfeld links oben kann der Schaltungstyp ausgewählt werden.

	Gleichrichtung mit einer Einzeldiode, eine Trafospule, Halbwellengleichrichtung
	Gleichrichtung mit einer Gleichrichterbrücke in Graetz-Schaltung mit vier Dioden, eine Trafospule, Doppelwellengleichrichtung
	Gleichrichtung mit Doppelspule und zwei Dioden, Doppelweggleichrichtung

Die Änderung des Schaltungstyps sind sofort erkennbar.

Bei der Einweggleichrichtung ist nur eine Halbwelle aktiv (rote Kurve), die negative Spannung wird durch die Diode abgeschnitten, die in dieser Stromrichtung nicht leitend ist. Der Zeitraum, über die der Ladeelko geladen wird, ist nur sehr kurz, da nur dann Ladestrom fließt, wenn die gleichgerichtete Spannung größer ist als die Spannung am Elko. Der Zeitraum, über die der Verbraucherstrom aus dem Elko geliefert wird und diesen entlädt (abfallende Spannung am Elko in blau), wird entsprechend länger.

Zunächst ist zu beachten, dass die Maximalspannung vom Trafo (ca. 17 V) um vieles größer ist als es die Umrechnung der Effektivspannung (9 V) in die Spitzenspannung (9 *√2 = 12,7 V) erwarten ließe: der Trafo hat mehr Wicklungen als theoretisch nötig, um den Innenwiderstand der Trafospule zu kompensieren.

Die Spannung am Elko erreicht aber nicht die Spitzenspannung des Wechselstroms. Das ist durch zwei Effekte bedingt: zum Einen durch die Durchlassspannung der Diode, zum Andern aber durch den Innenwiderstand der Trafospule: sie begrenzt den maximal möglichen Ladestrom.

Man beachte noch, dass der maximale Strom durch die Diode (I_max) viel größer ist als der Verbraucherstrom.

Bei der Schaltung mit Doppelspule oder bei der Zweiweggleichrichtung sind hingegen beide Halbwellen aktiv: der negative Spannungsteil erscheint "wie nach oben geklappt" und beide Halbwellen verursachen Strom durch die zwei bzw. vier Dioden der Schaltung und Ladung am Elko.

Die am Elko auftretende Spannung ist mit maximal 15,2 V etwas höher als bei der Einweggleichrichtung (14,6 V). Auch hier erreicht die Spitzenspannung aber nicht die Peakspannung des Trafos.

Bei der hier gezeigten Variante mit Doppelspule und zwei Dioden ist die Spannung etwas höher als bei der Einzelspule mit vier Dioden in Graetz-Schaltung, da bei jeder Halbwelle immer nur eine Diode mit ihrer Durchlassspannung zu Buche schlägt, bei der Graetz-Schaltung aber immer zwei Dioden. Insofern sind in dieser Schaltung die Spannungen am Elko maximiert.

Die Spannungsschwankungen am Elko ("Ribble") sind bei dieser Schaltung deutlich geringer als bei der Einweggleichrichtung, da die Zeit zwischen zwei Ladestößen kürzer als halb so lang dauert.

Auch hier ist der maximale Diodenstrom höher als der Verbraucherstrom, aber nicht so hoch wie bei der Einweggleichrichtung.

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2 Auswahl der Trafoparameter

Für den Trafo sind zentrale Angaben die Nennleistung (Power, VA), das Produkt aus Nennspannung U_nom und Nennstrom I_nom in VA.

Die anderen Angaben sind optional, aber für eine korrekte Modellierung erforderlich. Die Trafospule(n) haben einen Ohm'schen Widerstand, weil sie aus Draht bestehen. Der Ohmsche Widerstand (Coil resistance, Ω) kann am Trafo gemessen werden. Um die Verluste in diesem Innenwiderstand Ri auszugleichen, wird der Trafo vom Hersteller mit einer höheren Spannung ausgelegt, der Spannung ohne Last (No load voltage, V). Erst bei der angegebenen Nennlast erhöht sich die Spannung, die am Innenwiderstand des Trafos abfällt und die Ausgangsspannung geht auf ihren Nominalwert herab.

Manche Verkäufer geben die Spannung ohne Last oder den Leerlaufspannungsfaktor (No load voltage factor, U_Tr = f_Ll * U_nom) auch in ihren Katalogen an, andere Verkäufer finden solche wichtige Daten überflüssig.

Ein weiterer Effekt, der bei der Gleichrichtung eintritt, ist, dass alle angegebenen Spannungen Effektivwerte U_eff angeben. Der Effektivwert der Wechselspannung ist derjenige Wert, der sich leistungsmäßig auswirkt. Dabei ist nicht die Scheitelspannung ausschlaggebend sondern derjenige Wert, der sich als Mittelwert der Spannung einstellt (Ausgleich der Spannungstäler durch die Spannungsspitzen). Beim Wechselspannungs-Sinus beträgt der Faktor √2 oder das 1,414-fache. Bei einem 9V-Trafo verläuft die Spannung daher so:

Spannung ohne Innenwiderstand

Richtet man die Spannung mit einer Diode gleich und verwendet einen Ladeelko, dann stellt sich ohne Last eine Spannung von ca. 12 V am Elko ein.

Berücksichtigt man noch die Kompensation des Innenwiderstands, dann ergeben sich noch höhere Leerlaufspannungen nach der Gleichrichtung:

Spannung mit Innenwiderstand

Die Maximalspannung beträgt nun ohne Laststrom mehr als 17 V. Ein 16 V-Elko wäre damit schon über Gebühr belastet. Besonders bei kleinen Trafos mit wenigen VA Leistung macht sich dieser Effekt erheblicher bemerkbar als bei Traforiesen.

Wird die Leistung des Trafos im Programm geändert, wird der Leerlaufspannungsfaktor aus der Leistung abgeschätzt und eingetragen. Wird der Nennstrom (Current nominal, mA) geändert, erfolgt auch ein Anpassung von Nennleistung und der anderen Parameter des Trafos. Bei Trafos mit Doppelspule gelten die Angaben für Spannungen, Ströme und Innenwiderstände übrigens pro Spule, die Leistung aber für beide Spulen zusammen.

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3 Auswahl der Dioden/Gleichrichterbrücken

Hier stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung: eine feste Durchlassspannung (in das Auswahlfeld Dynamic klicken) oder eine lineare Dynamik der Durchlassspannung. Bei der dynamischen Spannung sind zwei Durchlassspannungen ("Forward voltage") einzugeben: .

Die Spannung bei einem Strom von 0,1 A, und
die Spannung bei einem Strom von 1 Ampere.

Bei der Softwareversion 2 wird daraus eine logarithmische Funktion ermittelt, die stromabhängig die Diodenspannung errechnet. Da die stromabhängige Spannung beim Ladezyklus eine wichtige Rolle spielt, ist dies genauer als bei der linearen Näherung aus Version 1 der Software.

4 Auswahl von Ladeelko und Verbraucherstrom

Der Ladeelko wird in Mikrofarad in das Eingabefeld Capacitor C1 eingetragen. Wird hier ein zu großer Elko gewählt, kommt die Ladespannung erst nach sehr langen Zeiten zu einer Sättigung, wie z. B. hier:

Großer Kondensator

Bedingt durch den hohen Innenwiderstands im Trafo wird der Elko nur sehr langsam aufgeladen und erreicht trotz sehr geringem Laststrom erst nach vielen Hundert Halbwellen seine Sättigung. Braucht ein Mikroprozessor eine hohe slew rate (Anstiegsrate) bei der Betriebsspannung um seinen Taktgenerator ordentlich zu starten, ist ein zu großer Elko ein reines Gift.

Großer Strom

Der Verbraucherstrom wird im Feld Current in mA eingetragen. Kommt dieser Strom in die Nähe des Nennstroms, nimmt die Elko-Spannung ab und die Spannungsschwankung zu.

Die Umschaltung zwischen 50 und 60 Hz Netzfrequenz erfolgt mit dem Auswahlfeld. Er wirkt sich auf die angezeigten Zeiten aus.

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5 Auswahl der Simulationsparameter

Die Anzahl der darzustellenden Wellenzüge kann in den beiden Eingabefeldern "Wave" gewählt werden. Das dargestellte Bild kann so auf eine einzige Sinuswelle beim hundertsten Durchgang beschnitten werden: sind beide gleich groß, wird ein einziger Wellenzug bildfüllend dargestellt. mit dem Knopf Save Picture kann das Bild als Grafikdatei entweder im PNG- oder im BMP-Format gespeichert werden.

Angaben im Ergebnisfeld

In der Bilddatei sind die wesentlichen Parameter und Ergebnisse im gelben Feld angegeben: Maximalspannung, Minimalspannung, Spannungsschwankung (Ribble) und der Maximalstrom durch die Dioden, jeweils beim letzten dargestellten Wellendurchgang.

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