Anzeigeröhren


von Prof. Jürgen Plate

Heiz-Stromversorgung

Die Heizspannung kann im Gegensatz zur Anodenspannung normalerweise aus dem Netzteil gewonnen werden. Am Einfachsten geht das sicher mit einem intergrierten Spannungsregler. Das kann entwider ein Festpannungsregler sein (z. B. 6,5 V) oder ein einstellbarer Spannungsregler. Jedoch benötigt der Regler meist einen relativ großen Kühlkörper, da je nach Heizstom relativ viel Leistung im Spannungsregler im Wärme umgesetzt wird. Günstiger sieht die Energiebilanz mit einem Abwärtswandler aus, allerdings ist hier der Schaltungsaufwand größer.

Abwärtswandler

Der Abwärtswandler (Tiefsetzsteller, engl. Buck-Converter, Step-Down-Converter) ist ein Gleichspannungswandler, bei dem der Betrag der Ausgangsspannung Ua stets kleiner als der Betrag der Eingangsspannung Ue ist. Auch ist der Ausgangsstrom eines Abwärtswandlers stets höher als dessen mittlerer Eingangsstrom ist. Jeweils für kurze Zeit fließt jedoch am Eingang ein Strom, der sogar noch etwas höher als der mittlere Ausgangsstrom ist. Deshalb muss besonders bei Abwärtswandlern mit großem Unterschied zwischen Ein- und Ausgangsspannung eingangsseitig ein Stützkondensator mit besonders geringem äquivalentem Serienwiderstand (engl. low ESR) eingesetzt werden, um externe Leistungsverluste und Störungen der Speisespannung zu vermeiden. Die Schaltung muss entweder genau an die Last angepasst werden oder der Halbleiterschalter über einen Regelkreis angesteuert werden, um die Spannung an der Last zu regeln.

Für die Funktion der Schaltung ist entscheidend, dass der Strom durch eine Spule beim Einschalten gleichmäßig zunimmt. Während der Einschaltphase wirkt die Spule als magnetischer Speicher, der geladen wird. Die Spulenspannung (Ue - Ua) ist näherungsweise konstant, die Diode sperrt. In der darauffolgenden Ausschaltphase liegt die Ausgangsspannung an der Induktivität an. Der Ausgangsstrom nimmt kontinuierlich ab, da die Polarität der Spulenspannung nun gewechselt hat. Danach wiederholt sich der gesamte Vorgang. Durch die Wahl des Verhältnisses von Ein- und Ausschaltzeit kann die Ausgangsspannung eingestellt werden. Abwärtswandler (und ebenso Aufwärtswandler) sind insofern bemerkenswert, da sie Spannungen transformieren können, ohne dass dafür ein technischer Transformator benötigt wird.

Bei allen Schaltreglern fließt am Eingang ohne zusätzliche Maßnahmen ein rechteckförmiger, gepulster Strom. Zusätzliche Stromspitzen entstehen beim Umladen parasitärer Kapazitäten am Schaltknoten. Am Eingang muss die Rückwirkungen auf die Eingangsspannung verringert werden. Das bedeutet, dass direkt am Eingang des Schaltreglers ein Kondensator mit geringem ESR notwendig ist, um die Pulsströme direkt an der Quelle zu puffern. Die Stromzuführung wird über eine breitbandige Entstördrossel sichergestellt. Grundsätzlich sollten die gepulsten Ströme nur in einem möglichst kleinen Bereich innerhalb des Schaltreglers fließen. Die Speicherdrossel sollte neben einem geringen Innenwiderstand (ESR) auch ein gutes HF-Verhalten aufweisen.

Der gesamte Bereich des DC/DC-Wandlers sollte auf der Platine als Insel ausgeführt werden. Auch die Anbindung der Masse an die restliche Schaltung sollte nur an einem einzigen Punkt erfolgen, um die gepulsten Ströme des Wandlers von der Umgebung abzuschirmen. Normalerweise sind die Verbindungen im Leistungsbereich so kurz und breit wie möglich auszuführen. Insbesondere sollte die Fläche, die durch das von Eingangskondensator, MOSFET und Catchdiode Dreieck gebildet wird, minimiert werden. Wichtig ist auch die Anbindung des Ausgangskondensators. Auch darf die Ausgangsspannung nicht an der Drossel, sondern erst hinter dem Kondensator abgegriffen werden. Alle Masseverbindung sollten ebenfalls möglichst kurz und breit sein. Weiterführende Informationen:
Das neue InterNetzteil- und Konverter-Handbuch
Dimensionierung von Schaltnetzteilen

Buck-Konverter

Hier gibt es zahllose Schaltungen und Bausteine, die meist für die Stromerzeugung von LEDs gedacht sind. Die folgende Schaltung versteht sich als Beispiel, stellvertretend für viele andere. Der Wandler setzt die Eingangsspannung (Gleich- oder Wechselspannung) auf die gewünschte Gleichspannung herunter. Über das Trimmpotentiometer Tr1 wird die Ausgangsspannung eingestellt; sie kann zwischen 1,5 V und 22 V legen (bei 24 V Eingangsspannung). Mit dem Jumper J1 kann der Wandler leistungslos ein- und ausgeschaltet werden, dazu wird nur ein potentialfreier Schalter benötigt. Der Ausgangsstom kann bis zu 2 A betragen, der Eingangsstom ist ca. 10 % höher.

Linear-Spannungsregler

Der LM317 ist ein Spannungsregler mit variabler Ausgangsspannung. Er sorgt stets dafür, dass zwischen dem Adjust-Anschluss und dem Output immer eine Potentialdifferenz von 1,25 Volt besteht. Man kann die Ausgangsspannung daher über einen Spannungsteiler einstellen. Die eine Seite des Spannungsteilers liegt an Masse, die andere am Ausgang. Der Abgriff führt zum Adjust-Anschluss. Die Ausgangsspannung ergibt sich dann zu Uo = Uref * (1 + R2/R1).

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Copyright © Hochschule München, FK 04, Prof. Jürgen Plate