Niederspannungs-AC-Netzteil: Phasenschieberschaltung – Komponenten & Best Practices

Bauteile & Materialien

• Niederspannungs-AC-Netzteil
• Zwei Kondensatoren, je 0,1 µF, nicht polarisiert (Radio Shack #272-135)
• Zwei 27-kΩ-Widerstände

Ich empfehle Keramikkondensatoren, da sie polaritätsunempfindlich (nicht polarisiert), preiswert und robust sind. Vermeiden Sie Kondensatoren mit jeglicher Polaritätskennzeichnung, da diese bei AC-Betrieb zerstört werden!

 

Querverweise

Lessons In Electric Circuits, Band 2, Kapitel 1: „Basic AC Theory“

Lessons In Electric Circuits, Band 2, Kapitel 4: „Reactance and Impedance—Capacitive“

 

Lernziele

• Wie phasenverschobene AC-Spannungen sich nicht algebraisch, sondern nach Vektor- (Phasor-)Arithmetik addieren

 

Schaltplan

 

 

Aufbauillustration

 

 

Anleitung

Bauen Sie die Schaltung auf und messen Sie die Spannungsfälle an jedem Bauteil mit einem AC-Voltmeter. Messen Sie die Gesamtspannung (Versorgungsspannung) mit demselben Voltmeter. Sie werden feststellen, dass die Spannungsfälle nicht zur Gesamtspannung addiert werden. Dies liegt an Phasenverschiebungen im Kreis: Der Spannungsfall an den Kondensatoren ist phasenverschoben zum Spannungsfall an den Widerständen, weshalb die Beträge nicht einfach addiert werden. Berücksichtigt man den Phasenwinkel, addieren sie sich doch zur Gesamtspannung, aber ein Voltmeter liefert nur Amplituden, keine Phasenwinkel.

Messen Sie den Spannungsfall über beide Widerstände gleichzeitig. Dieser Spannungsfall wird der Summe der einzeln gemessenen Spannungsfälle an jedem Widerstand entsprechen. Dies zeigt, dass die Spannungsfall-Wellenformen der Widerstände zueinander in Phase sind, da sie sich direkt addieren.

Messen Sie den Spannungsfall über beide Kondensatoren gleichzeitig. Auch dieser Spannungsfall wird der Summe der einzeln gemessenen Spannungsfälle an jedem Kondensator entsprechen. Ebenso zeigt dies, dass die Kondensator-Spannungsfall-Wellenformen zueinander in Phase sind.

Gegeben die Netzfrequenz von 60 Hz (US-Netzfrequenz), berechnen Sie die Impedanzen aller Bauteile und bestimmen Sie alle Spannungsfälle mittels Ohmschem Gesetz (U=I·Z ; I=U/Z ; Z=U/I). Die Polbeträge der Ergebnisse sollten Ihren Voltmeterablesungen nahekommen.

 

Computersimulation

 

Schaltplan mit SPICE-Knotennummern:

 

Die beiden hochohmigen Widerstände R_bogus1 und R_bogus2 sind quer über den Kondensatoren geschaltet, um in SPICE einen DC-Pfad zur Masse bereitzustellen, damit SPICE funktioniert. Dies ist ein „Fix“ für eine Eigenart von SPICE, um zu vermeiden, dass die Kondensatoren in der Analyse als offene Schaltungen gesehen werden. Diese beiden Widerstände sind im realen Kreis vollständig überflüssig.

Netlist (Textdatei mit folgendem Text exakt erstellen):

phase shift
v1 1 0 ac 12 sin
r1 1 2 27k
r2 2 3 27k
c1 3 4 0.1u
c2 4 0 0.1u
rbogus1 3 4 1e9
rbogus2 4 0 1e9
.ac lin 1 60 60
* Spannung an jedem Bauteil:
.print ac v(1,2) v(2,3) v(3,4) v(4,0)
* Spannung an Paaren gleicher Bauteile
.print ac v(1,3) v(3,0)
.end

 

ZUGEHÖRIGE ARBEITSBLÄTTER:

• AC Power Worksheet
• AC phase Worksheet