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Software für Transformatornetzteile


Um Trafonetzteile zu dimensionieren, kann diese Software verwendet werden. Es gibt eine deutsche sowie eine englische Version, beim Betrieb kann die Sprache dynamisch ausgewählt werden.

Power Supply Software in Deutsch

Drei Schaltungsarten können gerechnet werden:
  1. Trafo mit einer Sekundärwicklung und einer Diode (Halbwellengleichrichtung),
  2. Trafo mit einer Sekundärwicklung und vier Dioden (Vollwellengleichrichtung),
  3. Trafo mit zwei Sekundärwicklungen und zwei Dioden.
Die Software ist in sechs Versionen verfügbar. Version 6
  1. ermöglicht das genaue Modellieren der Dioden. Deren Kennline kann mit einem Zusatzprogramm (verfügbar unter diesem Link) digitalisiert und eingelesen werden. Vier Modi stehen zur Auswahl:
    1. Mode 0 setzt den Spannungsverlust durch die Dioden auf Null (kann zur Ermittlung von Maximalspannungen dienen),
    2. Mode 1 setzt den Spannungsverlust auf einen festen Spannungswert,
    3. Mode 2 bildet aus allen verfügbaren Kennlinienwerten eine logarithmisch-quadratische Funktion,
    4. Mode 3 berechnet für alle Einzelwerte der Kennlinie eine logarithmisch-lineare Funktion (lineare Interpolation),
    5. Mode 4 berechnet für alle Einzelwerte der Kennlinie, zusammen mit den beiden nachfolgenden Wertepaaren, eine logarithmisch-quadratische Funktion (quadratische Interpolation).
    Tritt dabei die Fehlermeldung auf, dass die Wurzel negativ sei, einfach auf Mode 3 umstellen.
  2. Alle notwendigen Rechenschritte sowie eine Grafik der Kennlinie können in einem Zusatzfenster nachvollzogen werden.
  3. Einige kleinere Fehler und Ungereimtheiten wurden beseitigt.
Version 5
  1. korrigiert einen Fehler bei der Angabe des Nominalstroms bei der Schaltung mit zwei Trafowicklungen in Version 4,
  2. hat für die Auswahl der Nominalleistung ein Auswahlfeld,
  3. ermöglicht die Eingabe der Leerlaufspannung.
Version 4
  1. bessert viele Rechenfehler und Ungenauigkeiten in Version 3 aus,
  2. verbessert das Design der Software,
  3. fügt den Titel in Diagramme ein, wenn sie gespeichert werden sollen,
  4. gibt es nun auch wieder für Linux.
Version 3 (gegenüber Version 2) Version 2 (gegenüber Version 1
Die Software ist in Lazarus-Pascal geschrieben. Der Quellcode und die für 64-Bit-Windows kompilierte ausführbare Datei sind hier verfügbar. Zum Selbst-Kompilieren mit Lazarus unter Linux oder anderen Betriebssystemen kann der Win-Quellcode verwendet werden (Ziel-System in den Projekteinstellungenm auf das gewünschte Betriebssystem umstellen).

VersionWindowsLinux
QuellcodeExecutableQuellcodeExecutable
6V6 Win Source V6 Win64 Executable V6 Lin Source V6 Lin64 Executable
5V5 Win Source V5 Win64 Executable V5 Lin Source V5 Lin64 Executable
4V4 Win Source V4 Win64 Executable V4 Lin Source V4 Lin64 Executable
3V3 Win Source V3 Win64 Executable (nicht verfügbar)
2V2 Win Source V2 Win64 Executable
1V1 Win Source V1 Win64 Executable V1 Lin Source V1 Lin Executable

Bedienung

  1. Auswahl des Schaltungstyps
  2. Transformatoreigenschaften
  3. Dioden und Gleichrichterbrücken
  4. Elko, Verbraucherstrom
  5. Simulationseinstellungen
  6. Ergebnisse

1 Auswahl des Schaltungstyps

Im Ausklappfeld links oben kann der Schaltungstyp ausgewählt werden.
Einzeldiode Gleichrichtung mit einer Einzeldiode, eine Trafospule, Halbwellengleichrichtung
Brückengleichrichter Gleichrichtung mit einer Gleichrichterbrücke in Graetz-Schaltung mit vier Dioden, eine Trafospule, Vollwellengleichrichtung
Doppelspule Gleichrichtung mit Doppelspule und zwei Dioden, Doppelweggleichrichtung
Einweg 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 (Imax) viel größer ist als der Verbraucherstrom.

Vollweggleichrichtung Bei der Vollweg-Gleichrichtung ist die negative Halbwelle nach oben geklappt und bei 50 Hz erfolgt das Laden 100 mal in der Sekunde. Das Entladen des Elkos durch den Laststrom erfolgt in den Ladepausen nur etwa halb so lange. Das reduziert die Brummspannung entsprechend.

Doppelspule Bei der Schaltung mit Doppelspule oder bei der Zweiweggleichrichtung sind ebenfalls 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. Im Wechsel laden die obere oder die untere Trafo-Spule, die Last verteilt sich daher auf beide Spulen.

Die am Elko auftretende Spannung ist mit maximal 20,1 V etwas deutlich höher als bei der Einweggleichrichtung (15,8 V) und ebenfalls etwas höher als bei der Brückenschaltung mit 16 V: die beiden Dioden der Brückenschaltung fressen deutlich Spitzenspannung. Aber auch hier erreicht die Spitzenspannung aber nicht die Peakspannung des Trafos. Die kriegt man, wenn man den Laststrom auf Null setzt und ein paar mehr Wellendurchgänge simuliert.

Die Spannungsschwankungen am Elko ("Brumm" oder "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.


Seitenanfang Typ Trafo Dioden Elko Simulation Ergebnisse

2 Auswahl der Trafoparameter

Trafoeigenschaften editieren Trafoeigenschaft aendern Für den Trafo sind zentrale Angaben die Nennleistung (Power, VA), das Produkt aus Nennspannung Unom und Nennstrom Inom 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, UTr = fLl * Unom) auch in ihren Katalogen an, andere Verkäufer finden solche wichtige Daten eher überflüssig.

Zur Auswahl der Nennleistung gibt es ein Ausklappfeld mit den handelsüblichen Nennleistungen. Ist das Gewünschte nicht dabei, kann man es trotzdem in dem Eingabefeld eingeben. Dies ist das einzige Eingabefeld, das direkt reagiert, also nicht die Eingabetaste benötigt. Entsprechend der gewählten Nennleistung werden die Parameter Leerlaufspannung, Leerlaufspannungsfaktor und Nennstrom berechnet und entsprechend gelb gefärbt.

Klickt man in das entsprechende Editierfeld und ändert den Eintrag, wird das Feld grün (linkes Bild). Schließt man die Eingabe mit der Return-Taste, dann wird der neue Wert übernommen. Alle Werte, die sich durch die Änderung ergeben, sind dann gelb hinterlegt.

Ein weiterer Effekt, der bei der Gleichrichtung eintritt, ist, dass alle angegebenen Spannungen Effektivwerte Ueff 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

Durch Klicken auf den Button Config diodes öffnet sich das Fenster zur Diodenkonfiguration:

Diodenkonfiguration Mit diesem Fenster Die vier Modi mit Diodenspannung sind in den vier folgenden Grafiken zum Vergleich dargestellt.

1N4001 im Modus 1 1N4001 im Modus 2

1N4001 im Modus 3 1N4001 im Modus 4 Der eingestellte Modus wird sofort für alle Berechnungen angewendet. Der Update des Diagramms kann sich gegenüber der Umstellung im Dioden-Fenster um eine Sekunden verzögern.

4 Auswahl von Ladeelko und Verbraucherstrom

Kapazität, Strom, Frequenz Der Ladeelko wird in Mikrofarad in das Eingabefeld Elko 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 Innenwiderstand 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 Laststrom 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. Die Box-Beschriftung zeigt immer den aktuellen Zustand an.

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5 Auswahl der Simulationsparameter

Die Anzahl der darzustellenden Wellenzüge kann in den beiden Eingabefeldern "Wellenzüge" 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 Bild speichern kann das Bild als Grafikdatei entweder im PNG- oder im BMP-Format gespeichert werden.

6 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.

In der Gruppe "Wärmeleistungs-Eigenschaften" werden die Wärmeleistung der Sekundärseite des Trafos und die der Dioden angezeigt. Aus der Nutzlast wird ferner die Effizienz berechnet und angegeben. Man beachte, dass für die Trafo-Gesamtleistung noch die Leistung der Primärseite hinzugefügt werden muss.

Alle Ergebnisse gelten nur für den letzten simulierten Wellenzug, eine Mittelung findet nur über diesen Wellenzug statt.

7 Vergleich von realen Werten mit Simulationen

Vergleich der realen Werte mit simulierten Wie genau finden sich die berechneten Werte in realen Netzteilen? Nun, wie das Bild zeigt, ist auf das Simulieren manchmal weniger Verlass als man erwartet. Das geht in beide Richtungen: simulierte Spannungen können zu hoch, aber auch zu niedrig sein. Nur in Ausnahmefällen stimmen beide genau überein.

Beim 24V/16VA-Netzteil mit einem Brückengleichrichter ist die Übereinstimmung zwischen realen Werten und simulierten Spannungen verblüffend gut. Di Unterschiede liegen unter einem Volt.

Beim 2*15V-Netzteil sind die simulierten Spannungen zu niedrig, der Unterschied nimmt bei großeren Strömen noch zu. Beim 2*12V-Netzteil sind die simulierten Spannungen zu hoch, auch hier nehmen die Unterschiede noch zu. Nur beim 2*7,5V-Netzteil werden die anfangs etwas zu hohen simulierten Spannungen bei ansteigenden Strömen niedriger und Realität und Simulat nähern sich an.

Die Ursachen für die Unterschiede können vielfältig sein: In jedem Fall gilt:

8 Testen von Netzteilen

Um solche Netzteile zu testen, braucht man eine Dummy Load. Die simuliert in diesem Fall einen Verbraucher, der einen konstanten Strom aus dem Netzteil zieht. Zwei solcher Schaltungen mit einem PNP-Darlington-Leistungstransistor, der die Leistung über einen großen Kühlkörper abgibt, habe ich hier beschrieben. Mit ihr lassen sich auch große Netzteile auf Herz und Nieren prüfen.

9 Beispiele für kleine Netzteile ...

  1. für ein 9V-Netzteil als Ersatz für eine Batterie hier, und
  2. für ein +/-15V-Netzteil für Experimente mit Operationsverstärkern hier.


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