Sekundärgetaktete Schaltnetzteile

Sekundärgetaktete Schaltregler

 

Inhalt

1.1 Abwärts Wandler

1.1.1 Aufbau und Funktion

1.1.2 Dimensionierung

1.1.3 Beispiel

1.2 Aufwärts Wandler

1.2.1 Aufbau und Funktion

1.2.2 Dimensionierung

1.3 Invertierender Wandler

1.3.1 Aufbau

1.3.2 Funktion

1.3.3 Dimensionierung

 

 

1. Sekundärgetaktete Schaltregler

Ein sekundärgetakteter Schaltregler besitzt immer den folgenden Aufbau:

Zunächst wird die Netzspannung über einen Transformator auf etwas über die maximal benötigte Ausgangsspannung transformiert und anschließend Gleichgerichtet. Danach wird diese über einen getakteten Transistor in ein Rechtecksignal zerhackt und über eine Filter wieder eine Gleichspannung geformt. Hinter dem Filter liegt nun die Ausgangsspannung des Netzteils an. Diese stellt außerdem die Eingangsgröße des eigentlichen Reglers da, der über das Tastverhältnis des Transistors deren Wert konstant hält.

Offensichtlich wird für diesen Schaltnetzteiltyp jedoch immer noch der selbe Transformator wir für ein lineares Netzteil benötigt. Damit beschränken sich hier die Optimierungen auf den durch einen Schalter ersetzten Linearregler. Gewicht und Größe lassen sich somit nur in Form eines kleineren Kühlkörpers reduzieren. Daher wird der sekundärgetaktete Schaltregler nur für kleine Leistungen eingesetzt, bzw. dort wo schon eine Gleichspannung vorliegt und diese nur auf ein anderes Potential gewandelt werden soll. Damit ergeben sich wiederum drei Wandler typen: Den Abwärtswandler, bei dem die Ausgangsspannung kleiner der Eingangsspannung ist, der Aufwarstwandler, bei dem die Ausgangsspannung über den Eingangsspannung liegt, sowie der invertierende Wandler, bei dem die Ausgangsspannung unter dem Bezugspotential der Eingangsspannung liegt.

Trotz des völlig unterschiedlichen Verhaltens werden die drei Typen aus den selben Bauteilen aufgebaut die nur anderst verschaltet sind. Dies sind neben dem selbstverständlich erforderlichen Schalters jeweils eine Spule und eine Kondensator.

 

1.1 Abwärts Wandler

1.1.1 Aufbau und Funktion

Wie bereits erwähnt ist beim Abwärtswandler die Ausgangsspannung stets kleiner als die Eingangsspannung. Im folgendes Bild bedeutet das Ua <= Ue, genauer liegt Ua je nach Tastverhältnis zwischen 0V und Ue. 0V wird dabei erreicht wenn der Schalter stets auf Position 2 steht. Steht er hingegen immer in Position 1 ist die Ausgangsspannung bei Annahme einer idealen Spule gleich der Eingangsspannung. Wechselt der Schalter zwischen Position 1 und 2 liegt am linken Anschluss der Spule eine Rechteckspannung an, deren Mittelwert je nach Tastverhältnis zwischen 0V und Ue liegt. Spule und Kondensator bilden dann ein LC-Filter und geben genau diesen Mittelwert als Gleichspannung aus.

 

Die Funktionsweise des Abwärtswandler lässt sich aus der Strom/Spannungsbeziehung einer Spule erklären. Der Strom hängt dabei folgendermaßen von der Spannung ab:

Betrachtet man die Schaltung, fällt auf dass die Spannung UL konstant bleibt solange der Schalter nicht umgelegt wird. Konkret gilt für die Schalterstellung 1:

und für Schalterstellung 2:

Damit lässt sich das Integral durch Multiplikation mit der Dauer der Schalterstellungen ersetzten:

Löst man die hinteren beiden Teile der Gleichung nach Ua auf, erhält man:

Wie erwartet ist das Verhältnis der Ausgangs- zur Eingangsspannung direkt proportional zum Verhältnis der Zeit in Schalterstellung 1 zur Periodendauer und entspricht damit genau dem Mittelwert der getakteten Spannung nach dem Schalter.

 

1.1.2 Dimensionierung

Da man in der Praxis mit möglichst einem Transistor auskommen will, und sich damit nur ein einfacher ein/aus Schalter, jedoch keine Wechselschalter realisieren lässt wird die Schalterstellung 2 durch eine Diode gegen Masse ersetzt:

Ist der Schalter geschlossen gibt es gegenüber der vorigen Schaltung keine Veränderung, da die Diode bei vorausgesetzt positivem Ue sperrt. Wird der Schalter geöffnet treibt die Spule den Strom in gleichbleibender Richtung weiter und die Spannung über der Diode fällt bis diese Leitend wird ab. Dieser Zustand tritt bei einer Spannung die knapp unter Massepotential liegt ein.

Bei der Dimensionierung der Bauteile ist die Spule das zentrale Element. Deren Induktivität hängt dabei vom minimal entnommenem Strom, dem Tastverhältnis sowie von der Ein- und Ausgangsspannung ab:

Da Ein und Ausgangsspannung, sowie der minimal entnommene Strom Ia festgelegt sind, bleibt als Dimensionierbare Größe nur noch die Periodendauer T. Um mit einer möglichst kleinen Spule auszukommen wäre es günstig diese so klein wie möglich zu wählen. Begrenzt wird dies jedoch durch die Tatsache, dass der als Schalter verwendete Transistor eine begrenzt hohe Schaltfrequenz besitzt und die ideal als Null angenommenen Schaltverluste aufgrund einer begrenzten Flankensteilheit während des Umschaltvorgangs wesentlich erhöht werden. Realistisch sind daher Schaltfrequenzen zwischen 10kHz bis etwa. 300kHz.

Für die Kapazität des Kondensators ist eine hohe Schaltfrequenz natürlich ebenfalls von Vorteil, da dessen Größe proportional zur Periondendauer T ist.

Wobei delta U natürlich die gewünschte bzw. tolerierbare Restwelligkeit darstellt. Allerdings hat auch hier eine extrem hohe Frequenz einen negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad, da hier parasitäre Effekte wie die der Serienwiderstand und die Serieninduktivität zum Tragen kommen. Diese Effekte lassen sich durch die Verwendung von hochwertigen Kondensatoren (low ESR / ESL Typen, Keramik Kondensatoren) oder der Parallelschaltung mehrerer kleiner statt eines Großen verkleinern.

 

1.1.3 Beispiel

Um die Funktion und das Vorgehen bei der Dimensionierung zu verdeutlichen, sollen hier die Bauteile für folgende Anforderungen ausgewählt werden:

Ue = 10V; Ua = 3V; delta U=0,1V, Ia(min) = 10mA

Zunächst wird die mit dem verwendeten Schalter mögliche Schaltfrequenz ausgewählt. Hier soll eine Schaltfrequenz von 50KHz bzw. eine Periodendauer von 20us verwendet werden.

Danach kann die Induktivität der Spule ermittel werden:

Jetzt muss nur noch der Kondensator bestimmt werden:

Da die Ausgangsspannung proportional zur Einschaltzeit des Schalters ist, muss das Tastverhältnis 3/10 gewählt werden, was hier eine Einschaltzeit von 6us bedeutet. Im folgenden sind Ein- und Ausgangsspannung sowie der Strom durch Spule und Kondensator aufgezeichnet:

oben: grün: Ue, rot: Ua

unten: grün: IL rot: IL

Dieser Verlauf ist allerdings nur gültig solange nicht weniger als der zuvor festgelegte minimale Ausgangsstrom entnommen wird. Sinkt dieser unter die festgelegte Grenze muss das Tastverhältnis nachgeregelt werden. Aus diesem Grund ist für die Ansteuerung des Schalters eine relativ aufwendige Regelung notwendig, um eine immer konstante Ausgangsspannung zu garantieren. Diese vergleicht kontinuierlich die Ausgangsspannung mit einer festgelegten Referenzspannung und regelt das Tastverhältnis bei Bedarf nach. Da man hierfür in der Praxis aber wohl immer einen fertigen Regler verwenden würde, soll auf dessen Aufbau hier nicht näher eingegangen werden.

 

1.2 Aufwärts Wandler

1.2.1 Aufbau und Funktion

Wie Eingangs bereits erwähnt ist die Ausgangsspannung beim Aufwärstwandler größer der Eingangsspannung. Da sich dieses Verhalten mit einem linearen Regler nicht erreichen lässt wird dieser Typ oft die einzige Möglichkeit eine Spannung oberhalb einer vorhandenen Spannung zu erreichen. Zunächst wieder der theoretische Aufbau:

Befindet sich der Schalter in Position 2 fließt Strom durch die Spule in Richtung Masse. Wird danach der Schalter in Position 1 gebracht, treibt die Spule den Strom in gleichbleibender Richtung weiter und lädt damit den Kondensator auf. Spätestens wenn die Spule die gesamte gespeicherte Energie abgegeben hat, muss der Schalter wieder auf Position 2 gestellt werden um einen erneuten Umladevorgang zu verhindern.

Im Optimalfall sollte sich damit folgender Verlauf ergeben:

oben: grün: Schaltfrequenz, rot: Ua

unten: grün IL, rot IC

Im oberen Bild ist die Schaltfrequenz sowie die Ausgangsspannung zu sehen. Während der Schalter geschlossen ist, steigt der Strom durch die Spule (grün im unteren Bild) kontinuierlich an. Der Kondensator gibt dabei einen konstaten Strom an den Ausgang ab. Wird der Schalter geöffnet, nimmt der Strom durch die Spule wieder kontinulierlich ab. Der Strom durch den Kondensator wechselt zum Ausschaltzeitpunkt seine Richtung, da Energie aus der Spule in den Kondensator geladen wird. Ist der Strom durch die Spule Null, schaltet im optimalfall der Schalter exakt zu diesem Zeitpunkt wieder durch und der Vorgang wiederholt sich.

 

1.2.2 Dimensionierung

Auch bei dieser Schaltung lässt sich der Wechselschalter durch einen einfachen Schalter und eine Diode ersetzten:

Bei der Dimensionierung der Bauteile kann ähnlich wie beim Abwärtsregler vorgegangen werden. Zunächst kann man aus der gewünschten Ausgangsspannung und der verfügbaren Eingangsspannung das An/Aus Verhältnis des Schalters, also des Transistors bestimmt werden:

Dann kann wieder abhängig vom minimal entnommenen Strom die benötigte Induktivität berechnet werden:

Als letztes wird wieder die erforderliche Kapazität in Abhängigkeit der Welligkeit sowie der Schaltfrequenz berechnet:

Auch hier muss für eine konstante Ausgangsspannung das Schaltverhältnis über einen Regler variiert werden. Hier gilt der gleiche Hinweis wie beim Abwärtsregler: Da niemand einen Regler diskret Aufbaut, soll dieser hier nicht genauer beschrieben werden.

 

1.3 Invertierender Wandler

1.3.1 Aufbau

Als letzter der drei sekundärgetakteten Schaltreglern soll nun noch der Invertierende Wandler vorgestellt werden. Wie der Name vermuten lässt, kann damit eine Spannung umgekehrter Polarität bezüglich der Eingangsspannung am Ausgang erzeugen werden.

Auch hier die drei bekannten Bauteile:

Und auch hier lässt dich der Wechselschalter durch eine Diode in einen einfachen Schalter verwandeln:

 

1.3.2 Funktion

Bei geschlossener Schalterstellung fließt Strom aus der Eingangsspannungsquelle in Richtung Masse. Wird der Schalter danach geöffnet fließt der Strom weiter in Richtung Masse, wodurch die Spannung über der Spule ihre Polarität ändern muss, da diese nun nicht mehr als Verbaucher sondern als Quelle wirkt. Liegt diese Spannung unterhalb der im Kondensator, kann Strom aus der Spule in den Kondensator fließen und damit Energie in den Kondensator geladen werden. Ist in der Spule keine Energie mehr gespeichert wird der Schalter wieder geschlossen und der Vorgang beginnt erneut.

oben: grün: Schalterstellung, rot: Ausgangsspannung

unten: grün IL, rot IC

 

1.3.3 Dimensionierung

Wie schon bei den vorigen Spannungswandler bestimmt das Tastverhältnis die Ausgangsspanung:

Für die Bestimmung der Spule muss daneben noch der minmal entnomme Strom bekannt sein:

Zuletzt muss noch der Kondensator in abhängigkeit der Welligkeit der Ausgangsspannung bestimmt werden:

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