Verstärker-Netzteil

Das einfache Netzteil für einen Röhrenverstärker (von dem wir im weiteren ausgehen) besteht aus einem Brückengleichrichter und einem Siebelko in der gängigen Grösse von 470µF. Der (maximale) Lastgleichstrom soll im weiteren 150mA betragen.
Die Berechnung für die Brummspannung wäre:

Upss≈(0,75*Ia)/(fp*C1)
         (0,75*0,15A)/(100Hz*0,000470F)
         ≈2,39V

Bei der obigen Formel ist es wichtig, die Bezugsgrössen (Ampere, Farad) zu beachten. Der Wert 100Hz für f_p ergibt sich aus der verdoppelten Brummfrequenz durch den Brückengleichrichter. Für Einwege- oder Zweiwegegleichrichter ist entsprechend 50Hz einzusetzen. Der Wert von 0,75 ist eine definierte Konstante in der Elektrotechnik die sich aus dem zeitlichen Verlauf der pulsierenden Gleichspannung ermitteln lässt.

Zur Erklärung der 0,75-Konstante:
dieser Nährungswert (abhängig von mehreren Einflüssen) gibt an, wie lange sich der Kondensator bei steigender positiver Flanke auflädt. Der Ladevorgang des Kondensators ist, aufgrund der pulsierenden Gleichspannung ja nicht kontinuierlich. Beim anlegen einer Spannung lädt sich der Kondensator auf bis er annährend die Spitzenspannung erreicht hat. Bei fallender Spannungsflanke am Gleichrichter gibt der Kondensator jedoch einen Teil der gespeicherten Spannung wieder ab. Erreicht die Spannung am Gleichrichter wieder positives Potenzial, wird der Kondensator nicht sofort aufgeladen, da die gespeicherte Spannung höher ist. Erst nachdem die positive Spannungsflanke höher ist als die im Kondensator gespeicherte Spannung, lädt sich dieser weiter auf (um im nachfolgenden wieder einen Teil der Spannung abzugeben, wenn die Spannung am Gleichrichter auf 0V fällt). Beispiel:

Brummfrequenz = 100Hz (entspricht 10mS)
steigende Flanke:                   10mS/2     = 5mS
Ladezeit des Kondensators: 0,75*5mS = 3,75mS
(Dank an Emanuel Geimer)

Nach der obigen Berechnung ergibt sich bei einem Strombedarf von 150mA eine Brummspannung von 2,39V. Für eine Eintaktendstufe oder gar einen Vorverstärker ist das ein bisschen heftig. Unser Ziel (als Beispiel) ist eine maximale Brummspannung von 200mV (0,2V). Leider können wir dies nicht direkt ausrechnen, sondern müssen einen Umweg über den Siebfaktor (s) gehen:

  s = Up1 / Up2
        2,39V / 0,2V = 11,97

Also fügen wir noch ein RC-Glied (R1 und C2) zur weiteren Siebung hinzu (gar nicht mal so unüblich und auch in HighEnd gängige Praxis), leiten die folgende Grundformel ab und ziehen gleich den gewünschten Siebfaktor in die Berechnung mit ein.

 s = ωp * R1 * C2    (Grundformel)
C2= 11,97 / (2 * π * 100Hz * 220Ω)
    = 0,000087F = 87µF

C2 müsste also mit mindestens 87µF dimensioniert werden, um den gewünschten Siebfaktor zu erzielen. Da dieser Wert in der Praxis nicht erhältlich ist, setzen wir hierfür 100µF ein und erhalten dadurch auch einen besseren Siebfaktor. Den Widerstandswert von 220Ω habe ich willkürlich gewählt. Zu beachten ist, dass hierbei der Spannungsabfall zu berücksichtigen ist. Bei einem Widerstandswert von nur 47Ω müsste ein Kondensator von mindestens 405µF eingesetzt werden (Praxiswert 470µF bei einem Siebfaktor von 13,88!).

ω_p ist die Pulskreisfrequenz und berechnet sich aus: 2 * π * 100Hz für einen Brückengleichrichter.

Würde man den Widerstandswert aus der zuvor beschrieben RC-Siebung auf 500Ω erhöhen, dann könnte man für C2 theoretisch knapp 40µF einsetzen, um die gleiche Siebwirkung zu erzielen. Bei Einsatz von 100µF läge der Siebfaktor aber schon bei über 30, bei 220µF bei knapp 70 und bei 470µF würden wir einen Siebfaktor von 147 erzielen (wenn da noch etwas brummen sollte, dann aber nicht vom Netzteil).