Halbleiterschaltungen benötigen Gleichspannungs-Stromversorgungen. Oft reicht eine Batterieversorgung oder ein einfaches Steckernetzteil. Für erhöhte Anforderungen muss die Versorgungsspannung stabilisiert sein. Dieses Kapitel aus dem Buch Grundwissen Elektronik gibt einen Überblick über Schaltungstechnik und Dimensionierung von Stromversorgungen.
In bestimmten Bereichen werden sehr genaue Versorgungsspannungen verwendet, z.B. von 5 V mit einem zugelassenen Bereich von 4,75 V bis 5,25 V für digitale Schaltkreise. In anderen Fällen darf die Betriebsspannung in einem weiten Bereich variieren. Viele einfache Schaltungen wie Tongeneratoren, Verstärker, Radios usw. können daher direkt von einer Batterie versorgt werden und arbeiten auch noch gegen Ende der Entladezeit zufriedenstellend. Besonders sinnvoll ist der Einsatz von Batterien immer dann, wenn ein Gerät immer nur kurzzeitig oder mit extrem geringen Verbrauch eingesetzt wird. Die folgende Übersicht zeigt verschiedene Stromquellen und ihre elektrischen Daten:
| Stromquelle | typ. Einsatz | typ. Spannung | typ. Strom |
| Trockenbatterie | Transportable Geräte | 1,5 V ... 9 V | 1 mA ... 1 A |
| Ni-Cd-Akkus | Modellbau | 1,2 V / Zelle | bis 5 A |
| Steckernetzteil | Universell | 3 V ... 12 V | 0,3 A ... 1 A |
| Labornetzteil | Experimente | 0...30 V | 0...5 A |
Stromquellen und ihre Anwendungsbereiche
Die ersten Versuche zur Elektronik lassen sich z.B. mit einer Flachbatterie (Nennspannung 4,5 V) durchführen. Benötigt man eine höhere Spannung, kann der Einsatz einer 9-V-Blockbatterie sinnvoll sein. Allerdings besitzt dieser kleinere Batterietyp nur eine sehr geringe Kapazität. Der Einsatz ist daher nur dann wirtschaftlich, wenn das Gerät einen sehr geringen Strom benötigt, so dass die Batterie mehrere Monate lang verwendet werden kann. Beispiele sind Messgeräte oder andere portable Geräte mit geringer Einschaltdauer.
Auch bei erhöhten Anforderungen an die Stabilität der Versorgungsspannung lassen sich Batterien einsetzen, da es eine Vielzahl spezielle Stabilisierungsschaltungen speziell für Batterieversorgung gibt.
Wenn es um portable Anwendungen geht, können auch Akkus sinnvoll sein. Ni-Cd-Akkus haben eine sehr flache Entladekennline und liefern eine relativ stabile Spannung von 1,2 V pro Zelle. Sie bieten zudem hohe Spitzenströme und einen niedrigen Innenwiderstand, so dass sie z.B. für Anwendungen mit Elektromotoren eingesetzt werden können. Nachteilig ist ihre hohe Selbstentladung und die Alterung auch bei Nichtgebrauch.
Immer wenn man größere Ströme ab ca. 100 mA benötigt, ist der Einsatz eines Netzgeräts wirtschaftlicher. Die meisten Schaltungen werden mit Netzspannung versorgt. Man verwendet Netzteile zur Anpassung und Gleichrichtung der Spannung. Einfache Geräte geben eine unstabilisierte Spannung ab, die mit zunehmender Belastung abnimmt. Bessere Geräte verwenden eine elektronische Stabilisierung und liefern damit über weite Belastungsbereiche eine hochgenaue Spannung.
Hochwertige Labornetzgeräte erlauben außerdem die freie Einstellung der Ausgangsspannung. Vielfach ist eine einstellbare Strombegrenzung vorhanden, die sich vor allem beim Testen von Geräten bewährt. Im Fehlerfall, also bei zu großem Strom, wird die Spannung automatisch zurückgeregelt, so dass eine Beschädigung von Bauteilen vermieden werden kann.
Netzteil-Grundschaltungen
Ein einfaches, nicht stabilisiertes Netzteil besteht aus Transformator, Gleichrichter und Ladekondensator. Üblich ist der Einsatz eines Vierweggleichrichters oder ein Zweiweggleichrichter mit angezapftem Trafo. Beide liefern eine Vollwellengleichrichtung. Während jedoch beim Vierweggleichrichter der Strom jeweils durch zwei Dioden fließt, tritt beim Zweiweggleichrichter nur ein Spannungsabfall von ca. 0,7 V an einer Diode auf. Die Leistungsverluste im Gleichrichter sind damit geringer. Allerdings treten bei einem gleich großen Trafo dafür etwas größere Verluste in der Wicklung auf, weil jede Wicklungshälfte nur in der Hälfte der Zeit, also stoßweise belastet wird.
Netzteile mit Vierweg- und Zweiweggleichrichter
Beide Schaltungen werden in einfachen Steckernetzteilen verwendet. Für den Hobbybereich haben diese Geräte den Vorteil, dass die gesamte Problematik der elektrischen Sicherheit im wahrsten Sinne des Wortes „vom Tisch" ist. Die Hersteller dieser Geräte sorgen bereits für eine ausreichende Isolation und einen Brandschutz auch im Fehlerfall. Am Ausgang des Netzteils kann also gefahrlos gearbeitet werden. Baut man dagegen einen Netztrafo mit in ein Gerät ein, dann sind alle Bestimmungen zur Isolation, zu Sicherheitsabständen, einer eventuellen Erdung und der Absicherung gegen Kurzschlüsse zu beachten.
Beim Einsatz eines einfachen, unstabilisierten Netzteils muss der Innenwiderstand und die Leerlaufspannung beachtet werden. Ein Gerät mit den Kenndaten 12 V/ 0,5 A wird zwar beim Nennstrom von 0,5 A eine Spannung von 12 V abgeben. Im Leerlauf können jedoch leicht Spannungen über 20 V anliegen, was für einige Schaltungen gefährlich werden kann. Der Hauptgrund liegt im Innenwiderstand des Trafos. Besonders die kleineren Trafos werden vom Wicklungsverhältnis für wesentlich größere Sekundärspannungen ausgelegt, damit sie beim Nennstrom die geforderte Spannung abgeben. Für mittlere bis große Trafos liegt die typische Leerlaufspannung um 10 % über der Nennspannung.
Ein zweiter Grund für eine erhöhte Leerlaufspannung liegt in der verwendeten Gleichrichtung und im Ladekondensator. Im Leerlauf kann sich der Kondensator bis auf die Scheitelspannung der sekundären Wechselspannung aufladen, während sich bei belastetem Netzgerät eine mittlere Spannung mit einem gewissen Wechselspannungsanteil einstellt. Zu den Spannungsverlusten des Trafos kommen noch die höheren Spannungsabfälle der Gleichrichterdioden. Das Oszillogramm zeigt den Spannungsverlauf für den unbelasteten und den belasteten Fall. Unter Belastung treten die typischen sägezahnförmigen Brummspannungen auf.
Die Ausgangsspannung belastet und im Leerlauf
Die Höhe der überlagerten Brummstörung mit der doppelten Netzfrequenz von 100 Hz hängt von der Strombelastung und vom verwendeten Ladeelko ab. Der Elko wird jeweils stoßweise geladen und entlädt sich dann teilweise in etwas weniger 10 ms. Die Amplitude dU der überlagerten Wechselspannung lässt sich leicht überschlagen. Die Stromstärke sei 0,5 A, der Ladeelko habe eine Kapazität von 1000 µF. Für die Entladezeit soll vereinfachend 10 ms eingesetzt werden.
Eine Brummstörung von 5 V wäre bei einer Nennspannung von 12 V nicht zu tolerieren. Es müsste also ein entsprechend größerer Ladekondensator eingesetzt werden. Je nach Anforderungen an die Reinheit der Gleichspannung muss eine zusätzliche Brummfilterung oder eine Spannungsstabilisierung nachgeschaltet werden.
Einige Schaltungen benötigen eine bipolare Versorgungsspannung. Zum Betrieb von Operationsverstärkern verwendet man z.B. zwei Spannungen mit +12 V und - 12 V. Ein doppeltes Netzteil kann mit einem Trafo mit zwei Sekundärwicklungen aufgebaut werden. Möglich ist aber auch der Einsatz eines Trafos mit Mittelanzapfung. Mit vier Dioden lässt sich eine zweifache Zweiweg-Gleichrichterschaltung aufbauen.
Ein bipolares Netzteil
