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Schaltnetzteile




                         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










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