Strom- und Spannungsversorgung

Strom- und Spannungsversorgung - Sauberer Strom für dein Funkgerät

Jedes Funkgerät braucht Strom - und der muss sauber und stabil sein! Von der Steckdose bis zur stabilisierten Gleichspannung lernst du hier den kompletten Weg.

Stell dir vor: Ein Netzteil ist wie eine Wasseraufbereitungsanlage:

Der Transformator ist wie ein Druckminderer (senkt die "Spannung")
Der Gleichrichter ist wie ein Rückschlagventil (lässt nur eine Richtung durch)
Der Siebkondensator ist wie ein Wassertank (glättet Schwankungen)
Der Spannungsregler ist wie ein Druckregler (hält konstant)

Frage AD301: Photovoltaikmodul

Frage AD301 zeigt ein Solarmodul mit verschalteten Solarzellen:

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Antwort: Leerlaufspannung: 18 V, Kurzschlussstrom: 4 A

Warum?

Reihenschaltung: Spannungen addieren sich → 30 Zellen × 0,6 V = 18 V
Parallelschaltung: Ströme addieren sich → 4 Reihen × 1 A = 4 A

Merke: In Reihe = Spannung addieren, Parallel = Strom addieren!

Frage AD302: Leerlaufspannung berechnen

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Antwort: Die Leerlaufspannung beträgt ca. 21 V.

Warum? Der Kondensator lädt sich auf die Spitzenspannung der Sekundärspannung auf: 15 V × √2 ≈ 21 V.

Fragen AD303-AD304: Spannungsfestigkeit von Bauteilen

Frage AD303 zeigt einen Einweg-Gleichrichter:

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Antwort: Die Spannungsfestigkeit muss mindestens 25 V betragen.

Warum? Der Kondensator wird auf die Spitzenspannung aufgeladen:

$U_{Sek} = \frac{230\,\text{V}}{20} = 11{,}5\,\text{V}$ (Effektiv)
$U_{peak} = 11{,}5\,\text{V} \times \sqrt{2} \approx 16{,}3\,\text{V}$
Nächsthöhere passende Spannungsfestigkeit: $\mathbf{25\,\text{V}}$

Frage AD304 fragt nach der Spannungsfestigkeit der Diode:

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Antwort: Die Spannungsfestigkeit muss mindestens 156 V betragen.

Warum? Bei Einweg-Gleichrichtung muss die Diode die doppelte Spitzenspannung aushalten! Wenn der Kondensator voll geladen ist und die Wechselspannung in die negative Halbwelle geht, liegt an der Diode:

$U_{Sek} = \frac{230\,\text{V}}{5} = 46\,\text{V}$ (Effektiv)
$U_{peak} = 46\,\text{V} \times \sqrt{2} \approx 65\,\text{V}$
Sperrspannung: $2 \times 65\,\text{V} = 130\,\text{V}$
Gewählt wird eine ausreichend höhere Spannungsfestigkeit: $\mathbf{156\,\text{V}}$

Frage AD305: Brückengleichrichter

Frage AD305 fragt nach der richtigen Diodenanordnung:

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So erkennst du den korrekten Brückengleichrichter:

Vier Dioden in Rautenform (Brücke)
Wechselspannung an den Seitenecken
Gleichspannung an oben (+) und unten (−)
Plus (+): Zwei Kathoden treffen sich
Minus (−): Zwei Anoden treffen sich

Warum diese Anordnung? Bei jeder Halbwelle leiten zwei Dioden diagonal - der Strom fließt immer in der gleichen Richtung durch die Last.

Frage AD306: Spannung am Siebkondensator

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Antwort: Die Spannung beträgt etwa 40 V.

Warum? Der Siebkondensator lädt sich auf die Spitzenspannung auf:

$U_{Sek} = \frac{230\,\text{V}}{8} = 28{,}75\,\text{V}$ (Effektiv)
$U_{Sieb} = 28{,}75\,\text{V} \times \sqrt{2} \approx \mathbf{40\,\text{V}}$

Merke: Am Siebkondensator liegt näherungsweise die Spitzenspannung: $U_{peak} = U_{eff} \times 1{,}41$

Praxis: Beim Brückengleichrichter sind es ca. 1-2 V weniger (2× Diodenflussspannung). In der Praxis sind es daher etwas weniger als 40 V.

Fragen AD307-AD308: Gleichrichtertypen erkennen

Frage AD307 fragt, welche Schaltung Vollweg-Gleichrichtung erzeugt:

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So erkennst du Vollweg-Gleichrichtung:

Brückengleichrichter (4 Dioden in Raute) ODER
Mittelpunktschaltung (2 Dioden + Trafo mit Mittelanzapfung)
Beide Halbwellen werden genutzt → doppelte Brummfrequenz (100 Hz)

Frage AD308 zeigt eine Mittelpunktschaltung (Vollweg) und fragt nach der Ausgangskurve:

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Antwort: Die Ausgangsspannung zeigt eine Vollwelle nach unten (negative Gleichrichtung):

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Warum? Die Schaltung hat 2 Dioden + Trafo mit Mittelanzapfung. Die Kathoden zeigen zum Trafo, die Anoden treffen sich am Ausgang → beide Halbwellen werden genutzt, aber negativ gleichgerichtet (Ausgangsspannung unter 0 V).

So erkennst du die Ausgangskurven:

Einweg: Nur "Berge" (positive Halbwellen), dazwischen Null
Vollweg: Alle "Berge" nach oben geklappt, keine Lücken
Mit Siebung: Wellige Linie oben, die langsam abfällt und wieder aufgeladen wird

Fragen AD309-AD310: Brummfrequenz

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Antwort AD309: Restwelligkeit 3 V, Brummfrequenz 100 Hz.

Warum 100 Hz? Bei Vollweg-Gleichrichtung werden beide Halbwellen genutzt → doppelte Frequenz des Netzes (2 × 50 Hz = 100 Hz).

Gleichrichtertyp	Brummfrequenz	Warum?
Einweg	50 Hz	Nur jede 2. Halbwelle
Vollweg/Brücke	100 Hz	Beide Halbwellen

Fragen AD311-AD314: Schaltnetzteil

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Antwort AD311: Block E ist ein Impulsbreitenmodulator (PWM).

Warum? Der PWM steuert, wie lange der Schalttransistor pro Periode leitet. Längere Pulse = mehr Energie = höhere Ausgangsspannung. So wird die Spannung geregelt.

Antwort AD312: Der Hauptnachteil ist das unerwünschte Signalspektrum (HF-Störungen).

Warum? Der schnelle elektronische Schalter (typisch 50-500 kHz) erzeugt steile Flanken → kann breitbandige HF-Störungen erzeugen!

Praxis-Tipp (AD313): Störsignale alle ~120 kHz im Empfänger? → Schaltnetzteil in der Nähe! Die Schaltfrequenz und ihre Oberwellen verursachen diese regelmäßigen Störungen.

Frage AD314 fragt nach dem Netzfilter:

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So erkennst du ein Netzfilter:

Drosseln (Spulen) in beiden Netzleitungen
Kondensatoren: X-Typ zwischen L und N, Y-Typ nach PE (Schutzleiter)
Sitzt direkt am Netzeingang

Warum diese Bauteile? Die Drosseln sperren HF (hoher Blindwiderstand), die Kondensatoren leiten HF nach Masse ab (niedriger Blindwiderstand bei hohen Frequenzen).

Fragen AD315-AD318: Linearspannungsregler

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Antwort AD315: Die Ausgangsspannung beträgt 5 V.

Warum? Die Zenerdiode (5,6 V) hält die Basisspannung konstant. Am Emitter liegt ca. $U_Z - U_{BE}$ ≈ 5 V. Dies funktioniert nur im Regelbereich (Zenerstrom ausreichend, Transistor nicht in Sättigung).

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Antwort AD316: Die Eingangsspannung muss größer als die Ausgangsspannung sein.

Warum? Der Linearregler "verheizt" die überschüssige Spannung. Er braucht typisch 2-3 V mehr am Eingang als am Ausgang (bei klassischen Reglern; LDO-Typen weniger) (Dropout-Spannung).

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Antwort AD317: Die Ausgangsschwankung ist stark reduziert (praktisch vernachlässigbar).

Warum? Der Regler gleicht Eingangsschwankungen aus. Eine kleine Restwelligkeit bleibt (endliche Regelgüte), aber sie ist vernachlässigbar - solange die Eingangsspannung nicht unter die Dropout-Grenze fällt.

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Antwort AD318: Verlustleistung = 4,4 W

Praxis: 4,4 W Verlustleistung erfordert einen Kühlkörper! Ohne ausreichende Kühlung droht thermisches Abschalten oder Überhitzung.

Warum? Die "verlorene" Spannung mal Strom ergibt die Verlustleistung:

$P_{Verlust} = (U_{ein} - U_{aus}) \times I$

Fragen AD319-AD321: Verlustleistung und Wirkungsgrad

Beispielrechnung AD319:

$P_{Verlust} = (13{,}8\,\text{V} - 9\,\text{V}) \times 0{,}9\,\text{A} = 4{,}8\,\text{V} \times 0{,}9\,\text{A} = \mathbf{4{,}32\,\text{W}}$

Frage AD320 - Wirkungsgrad berechnen:

$\eta = \frac{P_{aus}}{P_{ein}} = \frac{U_{aus} \times I}{U_{ein} \times I} = \frac{U_{aus}}{U_{ein}}$

Antwort AD320: $\eta = \frac{5\,\text{V} \times 0{,}45\,\text{A}}{13{,}8\,\text{V} \times 0{,}455\,\text{A}} \approx \mathbf{0{,}36}$ (nur 36%!)

Warum so schlecht? Linearregler wandeln die überschüssige Spannung in Wärme um. Je größer die Differenz $U_{ein} - U_{aus}$, desto schlechter der Wirkungsgrad!

Antwort AD321: Wirkungsgrad der Z-Dioden-Stabilisierung = 0,14 (nur 14%!)

Warum so extrem schlecht? Bei der einfachen Z-Dioden-Schaltung fließt immer der gleiche Strom durch den Vorwiderstand - auch wenn die Last wenig braucht. Die meiste Energie wird im Widerstand verheizt.

Fragen AD322-AD325: Bias-T (Fernspeiseweiche)

Antwort AD322: Ein Bias-T dient zur Gleichspannungsversorgung und HF-Signalübertragung über eine gemeinsame Leitung.

Warum braucht man das? Typischer Einsatz: Ein Vorverstärker (LNA) sitzt direkt an der Antenne auf dem Mast. Die Versorgungsspannung wird über das Koaxkabel geschickt - zusammen mit dem HF-Signal!

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So erkennst du ein Bias-T:

Kondensator (C): Im HF-Pfad - lässt HF durch, blockt DC
Spule/Drossel (L): Im DC-Pfad - lässt DC durch, sperrt HF
Drei Anschlüsse: HF-Ein, HF+DC-Aus, DC-Ein

Warum diese Anordnung?

C blockt DC: Der Kondensator hat für Gleichspannung unendlichen Widerstand → DC kommt nicht zum Empfänger
L blockt HF: Die Drossel hat für HF hohen Blindwiderstand → HF geht nicht ins Netzteil

Antwort AD324: $C_1$ dient zur Trennung der Gleichspannung vom Empfängereingang.

Antwort AD325: Bei der Spule ist die Strombelastbarkeit zu beachten!

Warum? Der gesamte Versorgungsstrom für den Vorverstärker fließt durch diese Spule. Ist sie zu dünn, wird sie heiß oder brennt durch.

Zusammenfassung für die Prüfung

Frage	Thema	Richtige Antwort
AD301	Photovoltaikmodul	18 V, 4 A
AD302	Leerlaufspannung	Ca. 21 V
AD303	Kondensator Spannungsfestigkeit	25 V
AD304	Dioden Spannungsfestigkeit	156 V (doppelte Spitzenspannung!)
AD305	Brückengleichrichter	4 Dioden in Raute, 2 Kathoden an +, 2 Anoden an −
AD306	Spannung Siebkondensator	40 V (Spitzenspannung!)
AD307	Vollweg-Gleichrichtung	Brücke oder Mittelpunkt
AD308	Mittelpunkt-Vollweg Ausgangskurve	Vollweg negativ (beide Halbwellen nach unten)
AD309	Restwelligkeit ablesen	3 V; 100 Hz
AD310	Brummfrequenz Vollweg	100 Hz (doppelte Netzfrequenz)
AD311	Schaltnetzteil Block E	Impulsbreitenmodulator (PWM)
AD312	Schaltnetzteil Nachteil	HF-Störspektrum
AD313	Störungen alle 120 kHz	Schaltnetzteil
AD314	Netzfilter	Drosseln + Kondensatoren
AD315	Z-Diode Ausgangsspannung	ca. 5 V ($U_Z - U_{BE}$)
AD316	Linearregler Bedingung	U_ein > U_aus
AD317	Schwankung am Ausgang	Nahezu null (Regler gleicht aus)
AD318	Verlustleistung Regler	4,4 W
AD319	Verlustleistung berechnen	4,32 W
AD320	Wirkungsgrad	0,36
AD321	Wirkungsgrad Z-Diode	0,14 (sehr schlecht!)
AD322	Bias-T Zweck	DC + HF über eine Leitung
AD323	Bias-T erkennen	C für HF, L für DC
AD324	C1 im Bias-T	Trennt DC vom Empfänger
AD325	Spule im Bias-T	Strombelastbarkeit beachten!

Tipps für die Prüfung:

Siebkondensator: Immer Spitzenspannung! ($U_{eff} \times 1{,}41$)
Einweg-Diode: Doppelte Spitzenspannung aushalten!
Brummfrequenz: Einweg = 50 Hz, Vollweg = 100 Hz
Linearregler: Ineffizient, aber störungsarm
Schaltnetzteil: Effizient, aber HF-Störungen!

Wissenskontrolle

0 / 25 Fragen richtig

AD301

Ein Photovoltaikmodul besteht aus vier parallel geschalteten Reihen von je 30 Solarzellen mit je Zelle 0,6 V Leerlaufspannung und 1 A Kurzschlussstrom. Welche Leerlaufspannung und welchen Kurzschlussstrom liefert das Modul?

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AD302

Berechnen Sie für diese Schaltung die Leerlaufspannung an den Klemmen A - B.

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AD303

Welche Spannungsfestigkeit des Kondensators sollte mindestens gewählt werden, wenn das Transformationsverhältnis 20:1 beträgt und ein Sicherheitsaufschlag auf die Spannungsfestigkeit von 50 % berücksichtigt werden soll?

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AD304

Bei einem Transformationsverhältnis von 5:1 sollte die Spannungsfestigkeit der Diode (max. Spannung plus 20 % Sicherheitsaufschlag) in dieser Schaltung nicht weniger als ...

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AD305

Welche der folgenden Auswahlantworten enthält die richtige Diodenanordnung und Polarität eines Brückengleichrichters?

AD306

Wie groß ist die Spannung am Siebkondensator $C_{\textrm{S}}$ im Leerlauf, wenn die Netzwechselspannung von 230 V anliegt und das Windungsverhältnis 8:1 beträgt?

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AD307

Welche Gleichrichterschaltung erzeugt eine Vollweg-Gleichrichtung mit der angezeigten Polarität?

AD308

Welche Form hat die Ausgangsspannung der dargestellten Schaltung?

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AD309

Im folgenden Bild ist die Spannung am Ausgang einer Stromversorgung dargestellt. Die Restwelligkeit und die Brummfrequenz betragen ...

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AD310

Welche Grundfrequenz hat die Ausgangsspannung eines Vollweggleichrichters, der an eine 50 Hz-Versorgung angeschlossen ist?

AD311

Welche Funktion übernimmt der elektronische Schalter (Block E) des Schaltnetzteils?

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AD312

Was ist der Hauptnachteil des dargestellten Schaltnetzteils?

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AD313

In einem Amateurfunkempfänger werden etwa alle 120 kHz unerwünschte Signale festgestellt. Dies ist wahrscheinlich zurückzuführen auf ...

AD314

Welche der dargestellten Schaltungen könnte in den Netzeingang eines Schaltnetzteils eingebaut werden, um eine Verbreitung von Störungen in das Stromversorgungsnetz zu verringern?

AD315

Wenn man folgendes Signal an den Eingang der gezeigten Schaltung anlegt, beträgt die Ausgangsspannung zwischen A und B ungefähr ...

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AD316

Welche Beziehung muss zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung der folgenden Schaltung bestehen, damit der Linearspannungsregler IC1 eine stabilisierte Ausgangsspannung erzeugt?

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AD317

Bei dieser Schaltung mit einem 12 V-Festspannungsregler schwankt die Eingangsspannung zwischen 15 V und 18 V. Wie groß ist die Spannungsschwankung am Ausgang?

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AD318

Wie groß ist die Verlustleistung im Linearspannungsregler IC1?

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AD319

Ein linearer Spannungsregler stabilisiert eine Eingangsspannung von 13,8 V auf eine Ausgangsspannung von 9 V. Es fließt ein Ausgangsstrom von 900 mA. Wie groß ist die Verlustleistung im Spannungsregler?

AD320

Ein linearer Spannungsregler stabilisiert eine Eingangsspannung von 13,8 V auf eine Ausgangsspannung von 5 V. Es fließt ein Eingangsstrom von 455 mA und ein Ausgangsstrom von 450 mA. Wie groß ist der Wirkungsgrad?

AD321

Wie groß ist der Wirkungsgrad $\left(\eta = \dfrac{P_{\textrm{L}}}{P_{\textrm{IN}}}\right)$ der dargestellten Spannungsstabilisierung, wenn durch den Lastwiderstand $R_{\textrm{L}}$ = 470 Ohm ein Strom von $I_{\textrm{L}}$ = 10 mA und durch die Z-Diode ein Strom $I_{\textrm{Z}}$ = 15 mA fließt.

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AD322

Zu welchem Zweck wird ein Bias-T (Fernspeiseweiche) eingesetzt?

AD323

Was stellt die folgende Schaltung dar?

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AD324

Zu welchem Zweck dient $C_1$ in dem dargestellten Bias-T?

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AD325

Was ist bei der Dimensionierung der Spule in dem dargestellten Bias-T zu beachten?

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