Transformatorlose Netzteile: Eine bewährte Lösung zur Kosten- und Platzersparnis

Üblicherweise wandelt ein Abwärtstransformator oder ein Schaltnetzteil die hohe Netzwechselspannung in eine niedrigere Wechselspannung um, die anschließend in die gewünschte niedrige Gleichspannung umgewandelt wird. Obwohl dieser Prozess effizient ist, ist er kostenintensiv und erfordert beim Design oder der Fertigung eines Produkts mehr Platz. Um diese Herausforderungen zu reduzieren, kommen transformatorlose Netzteile zum Einsatz. In diesem Artikel untersuchen wir das transformatorlose Netzteil genauer: Wir erläutern seine Funktionsweise, Typen und präsentieren einfache Schaltungsentwürfe, die Sie selbst nachbauen können.

Ein Abwärtstransformator

Was ist ein transformatorloses Netzteil?

Wie der Name bereits andeutet, erzeugt ein transformatorloses Netzteil aus der hohen Netzwechselspannung eine niedrige Gleichspannung – ganz ohne Transformatoren oder Drosselspulen.

(Drosselspulen)

Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip eines transformatorlosen Netzteils beruht auf der Umwandlung einer hochspannenden einphasigen Wechselspannung in eine niedrige Gleichspannung. Dabei kommt ein Spannungsteiler-Schaltkreis ohne Induktivitäten oder Transformatoren zum Einsatz. Zusätzlich integriert die Netzteilschaltung Prozesse wie Einschaltstrombegrenzung, Spannungsteilung, Regelung und Gleichrichtung.

Funktionsweise des obigen Schaltplans:

• Ziel ist die Umwandlung der hohen einphasigen Netzwechselspannung (230 V / 120 V) in eine benötigte niedrige Gleichspannung (5 V / 3 V / 12 V).
• Die Dioden gleichrichten und regeln die hohe Wechselspannung zur niedrigen Gleichspannung.
• Der Kondensator (in Reihe mit dem Wechselstrom geschaltet) begrenzt durch seinen Blindwiderstand den Stromfluss. Dadurch wird der Strom auf einen spezifischen Wert festgelegt, abhängig vom Typ des transformatorlosen Netzteils. Dabei ist stets ein X-klassierter Kondensator vorzuziehen.
• Der Widerstand dient der Ableitung von Überschussstrom und Wärme.
• Die Brückengleichrichtung eliminiert Spannungsspitzen und glättet durch den Gleichrichtungsprozess die Scheitelspannung.
• Zum Funktionstest wird abschließend eine LED-Lampe angeschlossen.

Typen transformatorloser Netzteile

Es gibt zwei grundlegende Typen transformatorloser Netzteile:

Widerständiges transformatorloses Netzteil

Das widerständige transformatorlose Netzteil nutzt einen Spannungsabfall-Widerstand, dessen Widerstand zudem der Abführung überschüssiger Wärme dient. Häufig wird ein doppelt bemessener Leistungswiderstand empfohlen, da er mehr Leistung umsetzen kann.

Kapazitives transformatorloses Netzteil

Demgegenüber weist das kapazitive transformatorlose Netzteil geringe Leistungsverluste und Wärmeentwicklung auf. Hier fungiert ein X-klassierter Kondensator (für 400 V, 230 V oder 600 V) als Spannungsabfall-Kondensator, der die Überspannung abführt.

Vor- und Nachteile transformatorloser Netzteilschaltungen

Vorteile

• Das Design ist kostengünstig und eignet sich für niederleistungsfähige Anwendungen im Vergleich zu transformatorbasierten Schaltungen.
• Es ist weniger sperrig und kompakt, benötigt also weniger Platz.

Nachteile

• Ein transformatorloses Netzteil kann keinen hohen Ausgangsstrom liefern (maximal 1 Ampere). Daher eignet es sich nur für Anwendungen mit einem Strombedarf von ≤ 1 A.
• Es fehlt die galvanische Trennung vom Netzpotenzial, was für den Anwender eine Gefahr darstellt.
• Die hohe Wärmeentwicklung beeinträchtigt die Ausgangsspannung.
• Spannungsspitzen können die Versorgungs- und die angeschlossene Schaltung letztlich zerstören.

Glücklicherweise bieten die nachfolgenden Schaltungsbeispiele Lösungen für einige dieser Herausforderungen. Lesen Sie weiter.

Vier einfache transformatorlose Netzteilschaltungen im Detail

Grundlegendes transformatorloses Design

Ein grundlegender transformatorloser Schaltungsentwurf

Schaltungsbetrieb und Design

• C1 reduziert die hohe Netzwechselspannung (120 V oder 220 V) auf eine niedrigere Gleichspannung für den DC-Lastausgang.
• Wird die Schaltung vom Netz getrennt, bietet R1 einen Entladepfad für den Hochspannungskondensator C1. So wird ein Spannungsschlag an den Steckerstiften verhindert, solange C1 nicht am Netz hängt.
• D1 bis D4 bilden eine Brückengleichrichtung. Sie wandeln die niedrige Wechselspannung von C1 in niedrige Gleichspannung um.
• Die resultierende Gleichspannung ist für die meisten Niederspannungsgeräte (außer Relais) noch zu hoch. Eine Zener-Diode leitet die Überspannung auf den gewünschten Wert ab.
• R2 dient als Strombegrenzungswiderstand. C1 bietet beim erstmaligen Anlegen der Netzspannung nur für Millisekunden einen Kurzschluss. Diese wenigen Millisekunden lassen hohen Wechselstrom in die Schaltung, was die Ausgangslast zerstören könnte. R2 verhindert diesen Schaden.
• C2 fungiert als Filterkondensator. Er wandelt die 100-Hz-Welligkeit der Brückengleichrichtung in eine sauberere Gleichspannung um.

Aufwertung zur spannungsstabilisierten transformatorlosen Versorgung

Hier wandeln wir eine kapazitive Netzteilschaltung in eine variable oder überspannungsfreie, spannungsstabilisierte transformatorlose Versorgung um.

Die Schaltung beim Aufrüsten zur spannungsstabilisierten transformatorlosen Versorgung

Schaltungsdesign / Betrieb

• 1N4007-Dioden gleichrichten die Netzspannung, der 10 µF / 400 V-Kondensator glättet sie. Die resultierende Spitzengleichspannung beträgt 310 V.
• Die Basis des TIP122 (alternativ MJE13005) konfiguriert den Spannungsteiler und hält so die gewünschte Ausgangsspannung. Ein 12 V-Ausgang lässt sich durch Einstellen des 10 kΩ-Potentiometers zwischen Masse/Emitter des TIP122 erreichen.
• Der 220 µF / 50 V-Kondensator erzeugt am Basisanschluss eine kurzzeitige Nullspannung, um den Transistor in einem eingeschalteten Kreis auszuschalten.
• Im Einschaltmoment begrenzt die Drossel über ihre Spule den Einschaltstrom und bietet hohen Widerstand, um Schäden zu vermeiden.

Hinweis: Alternativ kann ein Spannungsregler IC7805 verwendet werden, um eine abgestufte Ausgangsspannung oder 5 V zu erhalten.

Nulldurchgangs-transformatorloses Netzteil

Unser drittes Projekt betrifft hauptsächlich ein kapazitives transformatorloses Netzteil zur Nulldurchgangserkennung. Der Grund: Kondensatoren verhalten sich für wenige Millisekunden wie Kurzschlüsse, wenn sie Versorgungsspannung erhalten. Anschließend laden sie sich auf und kehren zu ihrem spezifizierten Ausgangspegel zurück.

Schaltungsdesign und Betrieb

Nulldurchgangs-transformatorloses Netzteil

Nulldurchgang im Netz

Ein Netzwechselspannungspotenzial umfasst Spannungscycles, die von Null auf Maximum und umgekehrt steigen und fallen – mit Polaritätswechsel.

Nähert sich die Netzspannung dem Scheitelpunkt des Cycles, liegen hoher Strom und hohe Spannung an. Das Einschalten des kapazitiven Netzteils lässt die hohe Spannung in die DC-Last und das Netzteil durchbrechen.

Im Nulldurchgang des Netzes hingegen sind Spannung und Strom schwach, da sie sich dem Phasennullpunkt nähern. Das Einschalten eines Geräts ist nun sicher und es tritt kein Einschaltstromstoß auf.

Kurz gesagt: Das Einschalten eines kapazitiven Netzteils genau dann, wenn der Wechselstromeingang den Nulldurchgang passiert, verhindert Einschaltstromstöße.

Funktionsweise

• Beim initialen Einschalten bleibt der Triac aufgrund fehlendem Gatetreiber gesperrt. Die an das Brückennetz angeschlossene Last bleibt ebenfalls ausgeschaltet.
• Die Spannung vom 105 V / 400 V-Kondensatorausgang wird über Pin 1/2 des Optokoppler-ICs zur IR-LED geleitet. Die Reaktion der IR-LED überwacht und verarbeitet das Eingangssignal. Erreicht der AC-Zyklus den Nulldurchgang, schaltet der interne Schalter um.
• Schließlich wird der Triac gezündet, wodurch das Gerät eingeschaltet bleibt, bis es manuell wieder aus- und eingeschaltet wird.

Schaltendes transformatorloses Netzteil mit IC 555

Die letzte Lösung nutzt den IC 555 im Monostabil-Modus zur Regelung des Einschaltstromstoßes. Dabei wird das Konzept der Nulldurchgangsschaltung integriert.

555 Timer IC

Definition der Nulldurchgangsschaltung

Eine Sinuswelle im Netz beginnt am Nullpotenzial, steigt progressiv zum Scheitelspannungspunkt (120 V oder 220 V) und kehrt zum ursprünglichen Nullpunkt zurück – der positive Halbzyklus.

Nach dem positiven Halbzyklus durchläuft die Wellenform den Vorgang erneut, jedoch in negativer Richtung bis zum Nullpunkt. Je nach Netzfrequenz wiederholt sich der Zyklus 50 bis 60 Mal pro Sekunde.

Trifft die Wellenform an einem Punkt ohne Nulldurchgang auf die Schaltung, stört der hohe Strom der Wellenform den Einschaltvorgang. Die Last sollte den Einschaltmoment genau im Nulldurchgang erfahren, um Probleme zu vermeiden. So stellt der allmähliche Anstieg keine Gefahr dar.

Schaltende transformatorlose Schaltung mit IC555

Schaltungsbetrieb

Aus dem Schaltplan:

• Die vier 1N4007-Dioden arbeiten als Standard-Brückengleichrichter; der Kathodenknoten erzeugt eine 100-Hz-Welligkeit.
• Der 47 kΩ / 20 kΩ-Spannungsteiler reduziert die 100-Hz-Frequenz, die später zum positiven Schienenanschluss des IC555 gelangt. Das Potential wird geregelt, dann durch C1 und D1 gefiltert.
• Über einen 100 kΩ-Widerstand erhält auch die Basis von Q1 das Potential.
• Solange die Netzwechselspannung über (+) 0,6 V liegt, hält Q1 den ausgeschalteten Zustand. Fällt die AC-Wellenform unter (+) 0,6 V, schaltet Q1 ein, zieht Pin 2 auf Masse und erzeugt einen positiven Ausgang an Pin 3 des IC.
• Danach schaltet der IC-Ausgang die Last und den SCR ein und hält diesen Zustand bis zum Ende der Monostabil-Periode. Dann beginnt ein neuer Zyklus.
• Eine stabile EIN-Zeit liefert zusätzlichen Strom zur Last, was zu einer helleren LED führt. Der 1 MΩ-Vorwiderstand ermöglicht die Einstellung der EIN-Zeit des Monostabil. Der IC555-Schaltkreis wird bei nahezu null Wechselspannung begrenzt, sodass im EIN-Zustand keine Spannungsspitze auftritt.

Anwendungen transformatorloser Netzteile

Anwendungen transformatorloser Netzteile umfassen hauptsächlich kostengünstige Niedrigleistungsgeräte wie:

• Analog-Digital-Wandler,
• LED-Lampen,

(LED-Lampen)

• Digitale Kommunikationssysteme,
• Mobiltelefon-Ladegeräte,
• Elektronisches Spielzeug,
• TV-Empfänger,
• Notleuchten,

(Notleuchten)

• Telekommunikationssysteme, und
• Spannungsregler- und Teiler-Schaltungen.

Fazit

Zusammenfassend haben transformatorlose Netzteilschaltungen transformatorbasierte Netzteile zweifellos abgelöst. Ihre begrenzte Stromlieferung kommt Niederspannungsanwendungen zugute. Zudem sind sie preiswert und platzsparend.

Der Artikel zeigt Wege, wie Sie Ihre eigenen transformatorlosen Schaltungen mit den notwendigen Schritten aufbauen können. Falls Sie noch weitere Fragen haben, kontaktieren Sie uns gerne.