TDK

Alles für kapazitive Stromversorgungen aus einer Hand

| Autor / Redakteur: Christoph Jehle * / Thomas Kuther

Eine kapazitive Stromversorgung: einfach, kompakt und kostengünstig.
Eine kapazitive Stromversorgung: einfach, kompakt und kostengünstig. (Bild: EPCOS)

Kapazitive Stromversorgungen eignen sich vor allem für Anwendungen mit kleiner Leistung. Sie sind einfach, kompakt und kostengünstig. TDK bietet für diese Designs nahezu alle weiteren passiven Bauelemente.

Entwickler stehen vor der Aufgabe, Geräte und Systemeinheiten immer häufiger nur mit kleinen Spannungen und Strömen im Milliampere-Bereich aus dem Netz zu versorgen. Typische Beispiele sind kleine Displays für Messdaten oder Zeitangaben, Mikrocontroller-basierende Messsysteme sowie einfache Regelungen und Steuerungen. Ähnliche Herausforderungen stellen sich, wenn Geräte an Funknetze angebunden werden müssen – etwa bei Smartmetern, deren Zählerstände über Funk ausgelesen werden, oder im Fall netzbetriebener Geräte für das Internet of Things.

Konventionelle Stromversorgungs-Designs haben im Kleinleistungsbereich etliche Nachteile. Lösungen mit Transformatoren oder getaktete Schaltungen benötigen viel Platz und sind kostspielig, außerdem sind die Kupfer- und Eisenverluste bezogen auf die geringe Ausgangsleistung überproportional hoch. Die einfachste Lösung – das Vorschalten eines ohmschen Widerstands – ist zwar kostengünstig, erzeugt aber hohe Verluste und steht so den geforderten hohen Wirkungsgraden entgegen.

Blindwiderstand von Kondensatoren sinnvoll nutzen

Eine elegante wie auch einfache und kostengünstige Möglichkeit, kleine Lasten aus dem Wechselspannungsnetz zu versorgen, besteht in der Serienschaltung aus Kondensator und Last. Dabei wird der sonst unerwünschte Effekt der Phasenverschiebung genutzt: An einem Kondensator tritt die Spannung um 90 Grad phasenversetzt zum Strom auf; er wirkt als reiner Blindwiderstand, an dem praktisch keine realen Verluste entstehen. Somit ist ein als Vorwiderstand eingesetzter Kondensator die ideale Lösung. Bild 1 zeigt das Prinzipschaltbild sowie das dazugehörige Zeigerdiagramm der Spannungen. Im Gegensatz zu konventionellen Designs sind kapazitive Stromversorgungen am Ausgang kurzschlussfest.

Da der Kondensator direkt am Netz liegt, werden an seine Zuverlässigkeit sehr hohe Anforderungen gestellt. Daher empfiehlt es sich, für kapazitive Stromversorgungen ausschließlich X2-Kondensatoren mit Sicherheitszulassungen nach UL und ENEC zu verwenden.

TDK bietet hierfür ein breites Spektrum von EPCOS-X2-Kondensatoren wie die neuen Serien B3292*H/J*. Um auch unter extremen klimatischen Bedingungen wie hoher Temperatur in Kombination mit hoher Luftfeuchtigkeit einen zuverlässigen Betrieb mit stabilen Kapazitätswerten zu ermöglichen, wurde die X2-Heavy-Duty-Serie (B32932* bis B32936*) entwickelt. Diese Bauelemente weisen bei einem 1000-Stunden-Test mit 85 °C und 85% relativer Luftfeuchte eine Kapazitätsdrift von maximal 10% auf. Ein weiterer Vorteil dieser Kondensatoren: Sie sind selbstheilend. Das heißt, dass kleinere Durchschläge zu einer lokal begrenzten Verdampfung der Metallisierung führen, ohne dass sich ein Kurzschluss bildet und die Funktion des Kondensators erhalten bleibt.

Dimensionierung einer kapazitiven Stromversorgung

In der Praxis werden meist Stromversorgungen benötigt, die am Ausgang eine Gleichspannung zur Verfügung stellen. Die einfachste Lösung besteht in der einpulsigen Gleichrichtung wie in Bild 2 dargestellt; für das Berechnungsbeispiel soll eine Ausgangsspannung von rund 9 VDC bei einem maximalen Laststrom von 15 mA erzeugt werden.

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