Verständnis von Voll- und Halbwellen-Stromversorgungen - Anwendungshinweis


Dieses Dokument beschreibt die Gefahr der Vermischung von Halbwellen- und Vollwellen-Stromversorgungen und gibt einen Überblick über die grundlegenden Halbwellen- und Vollwellen-Stromversorgungsschaltungen.

Diode
Abb. 1: Schematisches Symbol der Diode

Dioden

Um den Unterschied zwischen Voll- und Halbwellenstromversorgungen zu verstehen, muss man wissen, wie eine Diode funktioniert.
Abbildung 1 zeigt das schematische Symbol für eine Diode. Eine Diode ist ein elektronischer Schalter. Wenn an der Anode (+) eine positivere Spannung anliegt als an der Kathode (-), ist der Schalter geschlossen und Strom fließt durch die Diode von der Anode (+) zur Kathode (-). Wenn an der Kathodenklemme (-) eine höhere positive Spannung anliegt als an der Anodenklemme (+), ist der Schalter offen und es fließt kein Strom.

Die Gefahr der Vermischung von Halbwellen- und Vollwellenstromversorgungen

Abbildung 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vollwellen-Stromversorgung. Viele Steuersysteme verwenden Halbwellen-Stromversorgungen, und bei diesen Systemen ist der untere Anschluss des 24-VAC-Transformators in der Regel mit der Erde verbunden. Wenn ein Vollwellen-Netzteil an ein solches System angeschlossen ist (wie in Abbildung 4 gezeigt), dann ist der obere Anschluss des Transformators während des negativen Halbzyklus des VAC-Netzteils über die Diode D3 ebenfalls mit Masse verbunden. Dadurch entsteht ein Kurzschluss zwischen den Klemmen des Transformators (wie in Abbildung 3 dargestellt), der entweder einen Schutzschalter auslöst, die Diode durchbrennt oder den Transformator durchbrennen lässt - oder möglicherweise alle drei.

Daher sollten Sie niemals versuchen, Halbwellen- und Vollwellen-Netzteile über denselben Transformator zu betreiben.

Halbwellen- und Vollwellen-Stromversorgungen können in ein und demselben Steuersystem koexistieren, sie müssen nur von separaten Transformatoren gespeist werden.

Abb. 2: Grundlegende Vollwellen-Stromversorgung
Vollwelle PS Abb3
Abb. 3: Die Trafoklemmen des Netzteils in Abb. 4 unten sind während des negativen Halbzyklus der Wechselstromversorgung über die Diode D3 miteinander verbunden.
Abb. 4: Grundlegende Vollwellen-Stromversorgung, bei der die untere Klemme des 24-VAC-Transformators unsachgemäß mit Masse verbunden ist

Halbwellen-Stromversorgungen

Abbildung 5 zeigt eine einfache Halbwellen-Stromversorgung. 24VAC ist der Ausgang eines 24VAC-Leistungstransformators. D1 ist die Diode, die den Wechselstrom in pulsierenden Gleichstrom umwandelt. C1 ist ein Filterkondensator, der den pulsierenden Gleichstrom glättet. R1 ist die Last der Schaltung, 275Ω wurden für eine Last von etwa 100 mA gewählt.

Abbildung 6 zeigt die Spannungswellenformen des Halbwellen-Netzteils, wenn die Eingangsspannung 24 VAC RMS (oder 68 Volt Spitze-Spitze) beträgt. Die hellere Wellenform ist die 24-VAC-Versorgung und die dunklere Wellenform ist die Spannung über dem Filterkondensator C1 und dem Lastwiderstand R1.

Wie in Abb. 6 dargestellt, steigt bei jedem positiven Halbzyklus der 24-VAC-Versorgung die Spannung am Filterkondensator und am Lastwiderstand auf den Spitzenwert der Wechselspannung an. Bei der negativen Halbwelle liefert der Kondensator den Strom für die Last. Die Schwankung der Lastspannung, auch Welligkeit genannt, hängt vom Wert des Kondensators ab - ein größerer Kondensator hat eine geringere Spannungswelligkeit.

Abb. 5: Einfache Halbwellen-Stromversorgung
Abb. 6: Halbwellen-Spannungswellenformen der Stromversorgung

Im schraffierten Teil von Abb. 6 ist das effektive Schaltbild der Halbwellen-Stromversorgung in Abb. 7 dargestellt. Die 24-VAC-Versorgung lädt C1 auf und liefert den Laststrom. Da der Kondensator den Strom für den negativen Halbzyklus speichern muss, kann der Ladestrom des Kondensators recht groß sein, in diesem Fall fast 1 Ampere. Je größer der Kondensator, desto größer der Ladestrom.

Abb. 7: Die Diode D1 ist während des schattierten Teils der Wellenform in Abb. 6 geschlossen.
Abb. 8: Die Diode D1 ist während des nicht schattierten Teils der Wellenform in Abb. 6 geöffnet.

Im nicht schattierten Teil von Abbildung 6 ist das effektive Schaltbild der Halbwellenstromversorgung in Abbildung 8 dargestellt. Die Diode ist offen, so dass die 24-VAC-Quelle keinen Strom liefert und der Kondensator den gesamten Laststrom liefert.

Halbwellen-Stromversorgungen sind in der Regel komplizierter als die in Abbildung 5 gezeigte Schaltung. Diese einfache Schaltung wurde gewählt, um sie leicht erklären zu können. Normalerweise gibt es eine Regelschaltung, um den Ausgang auf einer konstanten Spannung zu halten. Regler funktionieren gut, aber sie können die Ausgangsspannung nicht konstant halten, wenn die Spannung des Filterkondensators unter den geregelten Wert fällt. Regler verwenden auch einen Teil der Spannung des Filterkondensators, um korrekt zu arbeiten.

In der hier gezeigten Schaltung fällt die Spannung des Filterkondensators auf 20 Volt, bevor er durch die 24 VAC wieder aufgeladen wird. Daher wäre es unmöglich, einen geregelten Ausgang von mehr als 19,5 VDC zu haben.

Vollwellen-Stromversorgungen

Abbildung 9 zeigt eine einfache Vollwellen-Stromversorgung. 24VAC ist der Ausgang eines 24VAC-Leistungstransformators. D2, D3, D4 und D5 sind die Dioden, die den Wechselstrom in pulsierenden Gleichstrom umwandeln. C2 ist der Filterkondensator, der den pulsierenden Gleichstrom glättet. R2 ist die Last der Schaltung, 275Ω wurden für eine Last von etwa 100 mA gewählt.

Abb. 10 zeigt die Spannungswellenformen der Vollwellen-Stromversorgung, wenn der Eingang 24 VAC RMS (oder 68 Volt Spitze-Spitze) beträgt. Die hellere Wellenform ist die 24-VAC-Versorgung, nachdem sie durch die Dioden in pulsierende Gleichspannung umgewandelt wurde. Die dunklere Wellenform ist die Spannung über dem Filterkondensator C2 und dem Lastwiderstand R2.

Wie in Abb. 10 dargestellt, steigt die Spannung über dem Filterkondensator und dem Lastwiderstand auf den Spitzenwert der Versorgungsspannung an. Wenn die Versorgungsspannung wieder gegen Null geht, liefert der Kondensator den Strom für die Last. Die Schwankung der Lastspannung, die sogenannte Welligkeit, hängt vom Wert des Kondensators ab - ein größerer Kondensator hat eine geringere Spannungswelligkeit.

Bei den dunkel schattierten Kästchen in Abbildung 10 ist das Wirkschaltbild der Stromversorgung in Abbildung 11 dargestellt. Während der hell schraffierten Kästchen in Abbildung 10 ist das effektive Schaltbild der Stromversorgung in Abbildung 12 dargestellt. Während dieser beiden Zeiträume lädt die 24-VAC-Versorgung C1 auf und liefert Laststrom. Der Ladestrom des Kondensators kann recht hoch sein, in diesem Fall fast 0,5 Ampere. Je größer der Kondensator, desto größer der Ladestrom.

Im nicht schattierten Teil von Abbildung 10 sind alle Dioden offen und der Kondensator liefert den gesamten Laststrom.

Abb. 9: Grundlegende Vollwellen-Stromversorgung
Abb. 10: Spannungswellenformen der Vollwellen-Stromversorgung
Abb. 11: Stromverlauf während des dunkel schattierten Abschnitts von Abb. 10.
Abb. 12: Stromverlauf während des hell schraffierten Teils von Abb. 10.

Vollwellen-Stromversorgungen sind in der Regel komplizierter als die in Abbildung 9 gezeigte Schaltung. Diese einfache Schaltung wurde gewählt, um sie leicht erklären zu können. Normalerweise gibt es eine Regelschaltung, um den Ausgang auf einer konstanten Spannung zu halten. Regler funktionieren gut, aber sie können die Ausgangsspannung nicht konstant halten, wenn die Spannung des Filterkondensators unter den geregelten Wert fällt. Regler verwenden auch einen Teil der Spannung des Filterkondensators, um korrekt zu arbeiten. In der auf der vorigen Seite gezeigten Schaltung fällt die Spannung des Filterkondensators auf 25,5 Volt, bevor sie durch die 24 VAC wieder aufgeladen wird. Daher wäre es unmöglich, einen geregelten Ausgang von mehr als 25 VDC zu haben.

Wie auf der ersten Seite dieses Dokuments beschrieben, können Halbwellen- und Vollwellenstromversorgungen in ein und demselben Steuersystem koexistieren, sie müssen nur über getrennte Transformatoren versorgt werden.

Wenn Sie weitere Fragen zu Halbwellen- und Vollwellen-Stromversorgungen haben, wenden Sie sich bitte an Ihren BAPI-Vertreter.


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