Referat Schaltnetzteile - Arten von Schaltnetzteilen, Durchflußwandler, Sperrwandler

Schaltnetzteile

1. Allgemeines

Die Stromversorgung von elektronischen Systemen erfolgt meist über Netzteile oder Batterien. Bei der Verwendung von Netzteilen ist hier meist eine Regelung nötig, da die Spannungsschwankungen, die sonst durch Netzspannungsschwankungen sowie Laständerungen entstehen würden, die Bauelemente beschädigen, oder zumindest ihren Betrieb beeinträchtigen würden.

Bei geregelten Netzteilen gibt es verschiedene Ausführungsmöglichkeiten.

Bild 1.1 Parallelregler

Eine Möglichkeit hierbei ist der Parallelregler. Dieser weist ein recht gutes Regelverhalten auf, hat aber einen schlechten Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad eines Parallelreglers hängt von der Last und damit dem Laststrom sowie der Eingangsspannung ab. Er wird bei steigender Eingangsspannung sowie wachsendem Lastwiderstand schlechter, letzteres weil hier ein immer größerer Teil des (bei konstanter Ein- und Ausgangsspannung) konstanten Eingangsstromes im Parallelregler 'verbraten' werden muß. Aus diesem Grund werden Parallelregler nur bei kleinen Leistungen und etwa konstanten Lastwiderständen verwendet. Anstelle des im Blockschaltbild gezeichneten Reglers und Paralleltransistors kommt hier meist eine Z-Diode.

Bild 1.2 Serienregler

Dieser ist gegenüber dem Parallelregler bereits erheblich besser. Hier hängt der Wirkungsgrad nur mehr vom Verhältnis der Spannungen U1/U2 ab. Dieses ist aber speziell bei kleinen Spannungen dadurch begrenzt, daa am Regler selbst etwa 5 V abfallen müssen, damit er regeln kann. Damit kann hier bei einem Netzteil zur Spannungsversorgung von TTL maximal ein Wirkungsgrad von 50 % erreicht werden.

Bei den bisher beschriebenen Reglern war vor dem eigentlichen Regler ein Netztransformator sowie eine Gleichrichtung mit Glättung notwendig.

Bild 1.3 Thyristorregler

Bei diesem Regler wird eine gesteuerte Gleichrichtung verwendet. Da hier am Thyristor selbst nie Spannung und Strom gleichzeitig vorhanden sind, hat dieser Regler einen sehr guten Wirkungsgrad. Er weist aber am Ausgang eine große Welligkeit auf. Aus diesem Grund wird dieser Regler vor allem in der Starkstromtechnik, wo die Glättung der Ausgangsspannung von untergeordneter Bedeutung ist, verwendet. Hier wird auch oft anstelle der Spannungsglättung mit einem Kondensator, die zwangsläufig Stromspitzen hervorruft, eine Stromglättung mit einer Induktivität vorgenommen. In der Elektronik hat diese Reglertype nur als Vorregler für Regelnetzgeräte mit großem Ausgangsspannungsbereich Bedeutung. Hier wird zunächst mit einem Thyristorregler die Spannung auf die gewünschte Spannung plus einer Regelspannung für den nachgeordneten Längsregler heruntergeregelt. Dieser Längsregler sorgt dann für die Glättung und genaue Ausregelung der Spannung.

Bild 1.4 Schaltregler

Eine Abhilfe gegen alle bisher erwähnten Nachteile bietet hier der Schaltregler. Hier wird im allgemeinen zunächst die Netzspannung gleichgerichtet und anschließend mit einer höheren Frequenz (20 - 100 kHz) und variablem Tastverhältnis wieder wechselgerichtet. Diese Spannung wird dann transformiert und anschließend wieder gleichgerichtet. Durch die hohe Betriebsfrequenz wird die Verwendung relativ kleiner Transformatoren möglich. Dadurch, daa die Regelung durch einen geregelten Schalter, an dem Spannung und Strom nie gleichzeitig vorhanden sind, über dessen Tastverhältnis erfolgt, ist hier wie auch beim Thyristorregler der Wirkungsgrad sehr hoch. Durch die hohe Betriebsfrequenz kann die Welligkeit aber trotzdem mit einfachen Mitteln niedrig gehalten werden. Um bei diesem Regler eine Potentialtrennung zu erreichen, ist es notwendig, daa der eigentliche Regler ohne Bezugspotential arbeitet, was in der Regel mit Optokopplern erreicht wird.

Wer sich nun aber die Frage stellt, warum es überhaupt noch andere Regler als diese gibt, der möge versuchen, einen Schaltregler aufzubauen und zum Funktionieren zu bringen. Laut Auskunft einer verlässlichen Quelle (Prof. Freudenthaler) ist dies ohne Spezialwissen und/oder viel Zeit praktisch unmöglich.

Um den letzten Absatz etwas nüchtener zu formulieren: Der Entwicklungsaufwand für Schaltnetzteile ist relativ hoch, weshalb diese in der Regel von speziellen Firmen als komplette Baugruppen gefertigt werden.

2. Arten von Schaltnetzteilen

Bei Schaltnetzteilen unterscheidet man prinzipiell zwischen primär und sekundär getakteten Wandlern. Bei primär getakteten Wandlern erfolgt das Takten direkt in der gleichgerichteten Netzspannung ohne Netztransformator. Die zweite Gruppe hat vor dem Wandler noch einen Netztransformator. Dies bietet den Vorteil einer galvanischen Trennung vom Netz, führt aber zu einem niedrigeren Wirkungsgrad. Die prinzipiellen Schaltungsmöglichkeiten für die beiden Wandlerarten sind aber identisch.

Bild 2.1 Übersicht über getaktete Stromversorgung

Außerdem kann man abhängig vom Einsatz der SNT noch Unterscheidungen treffen.

Wird ein Schaltnetzteil nicht am Netz sondern an einer Gleichstromquelle angeschlossen, so spricht man von einem 'Gleichstromwandler'; auch 'DC-DC-Converter' genannt.

Wird die Spannung am Ausgang nicht gleichgerichtet und am Eingang mit Gleichspannung gespeist, so spricht man von einme 'Wechselrichter' oder 'DC-AC-Wandler'.

Wird ein Schaltnetzteil vom Netz gespeist und ausgangsseitig nicht gleichgerichtet, so spricht man von einem 'Wechselstromumrichter' oder 'AC-AC-Wandler'.

Bei den beiden letzten Typen benötigt man aber noch zusätzliche Einrichtungen (Schwingkreis), damit ausgangsseitig wieder eine Sinusschwingung entsteht.

Im englischen Sprachgebrauch heißen Schaltnetzteile (SNT) 'Switched-Mode Power Supplies (SMPS)'.

3. Durchflußwandler

Die Bezeichnung Durchflußwandler erklärt sich aus dem Übertragungsverhalten der Anordnung, bei der während der Durchlaßphase des Halbleiterschalters ein Energieflua zwischen Primärkreis und Sekundärkreis zustande kommt. Dem Laststrom überlagert sich primärseitig der Magnetisierungsstrom. Deshalb müssen Voraussetzungen getroffen werden, daa sich der Übertrager wieder entmagnetisieren kann.

Bild 3.1 Eintakt-Durchflußwandler

Dies geschieht bei Eintakt-Durchflußwandlern während der Sperrphase des Halbleiterschalters. Dabei wird sekundärseitig der Laststrom mit Hilfe einer Freilaufdiode ausgekoppelt und primärseitig ein Entmagnetisierungsnetzwerk derart gestaltet, daa sich die Polarität der Spannung an den Wicklungen umkehren kann.

Bild 3.2 Gegentakt-Durchflußwandler

Bei Gegentakt- oder Brückenschaltungen folgt der Durchlaßphase eines Halbleiterschalters, nach kurzer Sperrphase beider Halbleiterschalter die Durchlaßphase des zweiten Halbleiterschalters. Die Entmagnetisierung des Übertragers kann so bei symmetrischer Anordnung sichergestellt werden.

Der Übertrager eines Durchflußwandlers kann ausgangsseitig nicht direkt auf einen Kondensator arbeiten, weil hier im Idealfall beliebig hohe Ströme auftreten könnten und eine Steuerung durch Pulsweitenmodulation (PWM) wirkungslos bliebe. Deshalb mua eine Glättungsdrossel vorgesehen werden, die einerseits den Stromanstieg begrenzt und andererseits durch ihr Integralverhalten die eingangsseitig auftretenden Spannungszeitflächen aufsummiert.

3.1 Funktionsweise

Die Funktionsweise eines Durchflußwandlers soll anhand eines Eintakt-Durchflußwandlers beschrieben werden.

Bild 3.3 Schaltbild eines Eintakt-Durchflußwandlers;

Übertragungsverhalten im stationären Betrieb

Dieser Wandler besteht aus einem eingangsseitigen Glättungskondensator CE, der die Funktion hat, die gleichgerichtete Netzspannung zu glätten, die vom Wandler beanspruchten pulsartigen Ströme induktivitätsarm zu liefern und den zurückgespeisten Magnetisierungsstrom des Übertragers aufzunehmen. Der Übertrager des Durchflußwandlers besitzt einen Ferritkern ohne Luftspalt, um eine hohe magnetische Kopplung der Wicklungen zu erreichen. Auf dem Ferritkern sind in der Grundausführung drei Wicklungen angebracht.

Die Primärwicklung wird durch einen Transistor an die Eingangsspannung geschaltet. Bei leitendem Transistor entsteht an der Sekundärwicklung eine entsprechend dem Übersetzungsverhältnis induzierte Rechteckspannung, wodurch ein Stromflua in der Sekundärwicklung über die Glättungsdrossel LA zustande kommt (vgl. Bild 3.3 b und c; Zeitabschnitt Tein). Der Strom in der Sekundärwicklung induziert entsprechend dem Übersetzungsverhältnis einen Strom in der Primärwicklung. Zusätzlich zu diesem Laststrom überlagert sich in der Primärwicklung der sogenannte Magnetisierungsstrom.

Der Magnetisierungsstrom mua während der Sperrphase des Transistors wieder abgebaut werden. Dazu dient als dritte Übertragerwicklung die Entmagnetisierungswicklung. Sie besitzt die gleiche Windungszahl wie die Primärwicklung, weist aber einen geringeren Leiterquerschnitt auf, da nur der Magnetisierungsstrom in der Sperrphase des Transistors über diese Wicklung fließt. Die Entmagnetisierungswicklung ist gegenüber der Primär- und Sekundärwicklung gegensinnig gepolt, was im Schaltbild durch Punkte an den Wicklungsanfängen gekennzeichnet ist. Über die Diode D3 ist die Entmagnetisierungswicklung direkt mit der Eingangsspannung verbunden. Während der Leitphase des Transistors wird in der Entamgnetisierungswicklung dieselbe Spannung wie in der Primärwicklung induziert, weshalb an der Diode D3 in Sperrichtung die doppelte Eingangsspannung ansteht.

Während der Sperrphase des Transistors mua die infolge des Magnetisierungsstroms in den Übertragerkern eingespeicherte Energie wieder herausgeführt werden, damit der Magnetisierungsstrom nicht beliebig hoch anwächst und der Ferritkern nicht in die magnetische Sättigung gelangt. Deshalb ist im Sekundärkreis die Freilaufdiode D2 vorgesehen, über die der Strom durch die Glättungsdrossel LA weiterfließt, wenn die Spannung an der Sekundärwicklung Null bzw. negativ wird. Die Diode D1 koppelt in dieser Betriebsphase den sekundärseitigen Stromkreis vom Übertrager ab. Dadurch kann sich die Polarität an den Wicklungen umkehren.

Der Magnetisierungsstrom fließt nun über die Diode D3 und die Entmagnetisierungswicklung in den eingangsseitigen Glättungskondensator zurück. Dabei steht nun am Transistor die doppelte Eingangsspannung als Sperrspannung an. Die Entmagnetisierung des Übertragers ist sichergestellt, wenn die Spannungszeitfläche, also die Fläche, die die Spannung an der Primärwicklung über der Zeitachse einschließt, beim Entmagnetisieren mindestens gleich derjenigen in der Einschaltdauer ist. Aus diesem Grund darf beispielsweise die maximale Einschaltdauer beim Eintakt-Durchflußwandler nicht mehr als 50% der Periodendauer betragen.

Die Glättungsdrossel LA dient dazu, aus dem trapez- bzw. rechteckförmigem Strom- bzw. Spannungssignal, das während der Einschaltdauer Tein an der Sekundärwicklung des Übertragers auftritt, einen stetigen Energieflua zu erzeugen und den Stromanstieg im Übertrager zu begrenzen.

Wählt man eine relativ kleine Induktivität der Glättungsdrossel, bekommen die Ströme eine stärker ausgeprägte Dreieckform mit der Folge einer höheren Stromamplitude und vermehrtem Glättungsaufwand. Bei einer großen Induktivität wird die Ausregelzeit bei Lastsprüngen länger und die Bauform der Glättungsdrossel größer. Als guter Richtwert dient die Angabe, daa die Stromwelligkeit in der Glättungsdrossel etwa 10% des Nennstroms betragen soll.

Der Glättungskondensator CA am Ausgang glättet die Stromwelligkeit der Drossel und dient als Energiespeicher bei Laständerungen. Bei einem angenommenen 100%-Lastsprung von Vollast in den Leerlauf mua der Glättungskondensator mindestens die gesamte magnetische Energie der Glättungsdrossel aufnehmen, ohne daa die Ausgangsspannung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

Das Übertragungsverhalten des Durchflußwandlers wird durch folgende Formel wiedergegeben:

n1: Windungszahl der Primärwicklung

n2: Windungszahl der Sekundärwicklung

4. Sperrwandler

Bild 4.1 Sperrwandler

Die Bezeichnung Sperrwandler erklärt sich daraus, daa während der Durchflußphase des Halbleiterschalters Energie im Übertrager gespeichert wird, die in der Sperrphase an die Sekundärseite abgegeben wird. Um möglichst viel Energie im Übertrager speichern zu können, verwendet man Übertragerkerne mit Luftspalt. Da zwischen Primär- und Sekundärkreis kein direkter Energieflua zustande kommt, sondern nur ein indirekter durch Zwischenspeicherung im Übertrager, kann bei diesem Wandlertyp sekundärseitig ohne Zwischenschaltung einer Drossel auf einen Kondensator gespeist werden. Dies ist sogar zwingend erforderlich, damit die Spannung an den Übertragerwicklungen nicht über alle Grenzen ansteigt.

4.1 Funktionsprinzip

Dieser Wandler besteht aus einem eingangsseitigen Glättungskondensator CE, der die Funktion hat, die gleichgerichtete Netzspannung zu glätten und die vom Wandler beanspruchten pulsartigen Ströme induktivitätsarm zu liefern. Im Gegensatz zum Eintakt-Durchflußwandler wird hier der Magnetisierungsstrom nicht auf den Eingangskondensator zurückgespeist sondern dem ausgangsseitigen Glättungskondensator CA zugeführt (vergleiche Bilder 4.2, 4.3).

Der Sperrwandlerübertrager besitzt in seiner Grundausführung zwei Wicklungen die gegensinnig gepolt sind (vgl. Punkte zur Kennzeichnung der Wicklungsanfänge). Bei eingeschaltetem Transistor T1 ist die Anoden-Kathoden-Spannung der Gleichrichterdiode D1 negativ, d.h. es fließt kein Strom in der Sekundärwicklung des Übertragers. In der Primärwicklung fließt der Magnetisierungsstrom und, da beim Sperrwandler ein Ferritkern mit Luftspalt verwendet wird, ein erheblich größerer induktiver Strom, der im Luftspalt ein Magnetfeld aufbaut. In der praktischen Anwendung wird nicht unterschieden zwischen einem Magnetisierungsstrom im Ferrit und im Luftspalt. Nach außen tritt ein induktiver Strom auf, wodurch bei eingeschaltetem Transistor magnetische Energie im Sperrwandlerübertrager (überwiegend im Luftspalt) gespeichert wird.

Bild 4.2 Schaltbild eines Sperrwandlers; Betrieb mit

trapezförmigem Stromverlauf

Beim Sperren des Transistors kehrt sich die Spannung an den Wicklungen um. Die Spannung an der Sekundärwicklung steigt, bis die Gleichrichterdiode D1 leitend wird, also auf den Wert der Ausgangsspannung UA. Da der magnetische Flua im Übertrager stetig verläuft, fließt im Zeitpunkt des Sperrens des Transistors in der Sekundärwicklung der entsprechend dem Übersetzungsverhältnis transformierte Strom der Primärwicklung. Deshalb mua die Gleichrichterdiode D1 direkt auf einen Kondensator CA speisen, der in der Lage ist, den hohen Strom aufzunehmen.

Bild 4.3 Schaltbild eines Sperrwandlers; Betrieb mit

dreieckförmigem Stromverlauf

Am Transistor tritt während der Ausschaltzeit als Sperrspannung die Eingangsspannung auf, zuzüglich die entsprechend dem Übersetzungsverhältnis transformierte Ausgangsspannung. Bei der Standarddimensionierung entspricht dies etwas mehr als der doppelten Eingangsspannung.

Man    unterscheidet nun Sperrwandler mit trapezförmigem Stromverlauf im Übertrager und Sperrwandler mit dreieckförmigem Stromverlauf.

4.1.1 Übertragungsverhalten bei trapezförmigem Stromverlauf

Bei trapezförmigem Stromverlauf (Bild 4.2) wird der Transistor zu einem Zeitpunkt wieder eingeschaltet, bevor der Strom in der Sekundärwicklung 0 geworden ist. Wesentliches Merkmal dieser Betriebsweise ist, daa die auftretenden Stromscheitelwerte bezogen auf den Ausgangsstrom deutlich niedriger sind, als bei Betrieb mit dreieckförmigem Stromverlauf.

Der Betrieb mit trapezförmigem Stromverlauf ist in Bild 4.2 dargestellt.

n1: Windungszahl der Primärwicklung

n2: Windungszahl der Sekundärwicklung

Bild 4.4 Ausgangsspannung über Tastverhältnis

Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, daa sich die Ausgangsspannung UA ändert, wenn das Tastverhältnis Tein/T verändert wird. Es besteht allerdings kein linearer Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung und Tastverhältnis sondern ein hyperbolischer. Dies kommt durch den Faktor 1/(1-Tein/T) zum Ausdruck und bedeutet, daa die Ausgangsspannung unendlich groa wird, wenn das Tastverhältnis 1 erreicht. Deshalb dürfen Sperrwandler nicht ohne Lastwiderstand oder ohne geschlossene Regelschleife betrieben werden, da die Ausgangsspannung und damit auch die Sperrspannung des Transistors hohe Werte annehmen können.

4.1.2 Übertragungsverhalten bei dreieckförmigem Stromverlauf

Bei einem Sperrwandler mit dreieckförmigem Stromverlauf im Übertrager wird der Transistor erst wieder eingeschaltet, wenn der Strom in der Sekundärwicklung 0 geworden ist. Diese Betriebsweise hat den Vorteil, daa beim Einschalten des Transistors kein Strom auftritt (keine Einschaltverluste) und bei der Gleichrichterdiode D1 keine nennenswerten Rückströme entstehen.

Dieser Betrieb ist in Bild 4.3 dargestellt.

L1: Induktivität der Primärwicklung

Die Ausgangsspannung UA ändert sich bei konstantem Tastverhältnis abhängig von der Belastung (Bild 4.3 b und c). Die auftretenden Stromscheitelwerte im Verhältnis zum Ausgangsstrom sind bei diesem Wandlertyp am ungünstigsten (Bild 4.3 c).

5. Schaltnetzteile mit mehreren Ausgangsspannungen

Nachdem beim Durchflußwandler die Ausgangsspannung theoretisch (Vernachlässigung der ohmschen Widerstände des Übertragers und der Leitungen bzw. der Drossel) unabhängig von der Belastung ist, bietet sich an, mehrere Sekundärspulen amzubringen. Hier mua aus einer der Sekundärspannungen die Regelgröße abgeleitet werden, woraus sich ergibt, daa diese Spannung am exaktesten geregelt wird (Bild 5.1; Spannung UA1). die Regelung der anderen Spannungen ist weniger exakt. Deshalb müssen sie, wenn nötig, durch geeignete Längsregler (Spannung UA3) oder getaktete Nachregler (Spannung UA4) stabilisiert werden. Der letztgenannte Schaltregler stellt einen sekundärgetakteten Wandler dar.

Bild 5.1 Erzeugung mehrerer Ausgangsspannungen

Anhang Literaturverzeichnis

Schaltnetzteile (SNT)

Dipl.Ing. Nikolaos Merianos

Dipl.Ing. (FH) Werner Schott

Dipl.Ing. Michael Herfurth

Siemens AG Bereich Bauelemente; Technische Mitteilung

Schaltnetzteile

Dipl.Ing. Freudenthaler

Laborvorausarbeitung

Grundlagen der Schaltregelnetzteile (SNT)

Georg Schulz 5AN

1. EMRD-Referat; Oktober 1986