Primärgetaktete Schaltnetzteile

Primärgetaktete Schaltregler

 

Inhalt

2.1 Eintakt Sperrwandler

2.1.1 Aufbau und Funktion

2.1.2 Dimensionierung

2.2 Eintakt Durchflusswandler

2.3 Halbbrücken Gegentaktwandler

2.4 Vollbrücken Gegentaktwandler

 

2. Primärgetaktete Schaltregler

Wie bei den sekundärgetakteten Schaltreglern gibt es auch für die primärgetakteten einen charakteristischen Aufbau:

 

Dabei ist vor allem die Lage des Schalters ausschlaggebend. Wurde beim sekundärgetakteten Schaltregler noch die Eingangsspannung Transformiert, gleichgerichtet und dann auf den Schalter gegeben, liegt hier der Schalter auf der Primärseite des Transformators. Das hat zur Folge, dass am Transformator eine Wechselspannung beliebiger Frequenz anliegt und nicht zwangsläufig die 50Hz der Netzspannung. Dabei macht man sich die Tatsache zu Nutze, dass die Windungszahl und damit die Größe eines Transformators indirekt proportional zur kleinesten übertrabaren Frequenz sein muss. Hinzu kommt dass sich eine kleine Winungszahl positiv auf den Wirkungsgrad auswirkt, da die Kupferverluste der Spulen reduziert werden. Da sich die Frequenz nun zumindest theoretisch unbegrenzt erhöhen lässt, kann jede gewünschte Trafogröße erreicht werden, wobei dem in der Realität Hystereseverluste und Skineffekt entgegenstehen. Realistische Schaltfrequenzen liegen bei etwa 200kHz, was schon zu einer enormen Größen und Gewichtsersparnis führt. Dabei ist ein Wirkungsgrad von über 90% möglich.

Schwierigkeiten beim Aufbau eines Primärgetakteten Schaltreglers ergeben sich aus der Lage des Schalters im Primärkreis. Dies sind zum einen die benötigte Spannungsfestigkeit, die mindestens dem Scheitelwert der Eingangsspannung, zum anderen dessen Ansteuerung. Da die Rückkopplung des Regelkreises zwischen durch den Transformator getrennten Potentialen liegt, muss auch im Rückwärtszweig eine Potentialtrennung erfolgen. Dazu werden in der Regler Optokoppler eingesetzt, die das Schaltsignal des Reglers an auf Potential des Primärkreises übertragen und dann den Schalttransistor ansteuern.

Auch bei den primärgetakteten Schaltregler gibt es mehrere Grundschaltungen, von denen die wichtigsten im folgenden angeführt werden.

 

2.1 Eintakt Sperrwandler (Flyback-Converter)

2.1.1 Aufbau und Funktion

Der Eintaktsperrwandler ist der einfachste zu Realisierende primärgetaktete Schaltregler.

Die Funktion entspricht weitgehend den sekundärgetakteten Typen. Ist der Schalter geschlossen, wird Energie in der primärseitigen Spule gespeichert. Im Sekundärkreis fließt kein Strom, da die Diode gesperrt ist. Wird der Schalter geöffnet, ändern die Spannungen am Transformator ihre Polarität Die Diode wird leitend und es wird die Energie gespeicherte auf der Sekundärseite an den Kondensator abgegeben. Somit wird bei jedem Schaltvorgang zunächst Energie vom Primärkreis in den Trafo geladen und danach an den Sekundärkreis abgegeben. Die Bezeichnung beschreibt folglich die Funktion des Wandler: Energie wird bei gesperrtem Schalter übertragen. Bezüglich der Spannungsfestigkeit des als Schalter verwendeten Transistors, hat das oben genannte Umpolen zur Folge, dass die maximal anliegende Spannung mindestens der doppelten Spitzenspannung von Ue entspricht. Hinzu kommen etwaige Spannungsspitzen durch Streuinduktivitäten am Trafo, weshalb die Spannungsfestigkeit nochmals höher gewählt werden sollte.

Die Funktionsweise wird bei Betrachtung der Ströme nochmals verdeutlicht:

oben: Tastverhältnis

unten: grün: Ip, rot: Is

Die Ströme sind im obigen Fall dabei nur bei einem Übersetzungsverhältnis von 1:1 gleich.

 

2.1.2 Dimensionierung

Die Ausgangsspannung des Eintakt-Sperrwandlers wird vom Tastverhältnis sowie dem Übersetungsverhältnis bestimmt:

Da der Transformator in dieser Schaltung die Funktion eines Energiespeichers besitzt, wird er Speichertransformator verwendet. Dieser entspricht vom Aufbau einer Speicherdrossel mit einer zusätzlichen Sekundärwicklung, welche stark an die Primärspule gekoppelt ist. Die benötigte Induktivität lässt sich mit folgender Formel berechnen:

Dabei ist UDF die Vorwärtsspannung der Diode. Um deren Verluste zu minimieren, werden Schottky-Dioden mit kleiner UDF und kurzen Schaltzeiten eingesetzt.

 

2.2 Eintakt Durchflusswandler (Forward Converter)

 

Entsprechend der Namengebung beim vorigen Wandler, wird beim Durchflusswandler Energie bei geschlossenem Schalter in den Primärkreis übertragen. Doch zunächst der Aufbau:

Der Transformator besteht bei diesem Wandler aus drei Wicklungen. Die zusätzliche Wicklung übernimmt dabei die Aufgabe des Energiespeichert und besitzt die gleiche Windungszahl wie die 1.Spule im Primärkreis. Bei geschlossenem Schalter liegt die Eingangsspannung über der 1. Wicklung des Primärkreises an. Durch die 2. Wicklung fließt kein Strom, da die Diode D1 in Sperrichtung gepolt ist. Aufgrund des gleichsinnigen Wicklungssinns der Spule im Sekundärkreis zur stromdurchflossenen im Primärkreis ist die Diode D2 leitend und es wird Energie in den Sekundärkreis geladen. Wird der Schalter geöffnet fließt kein Strom mehr durch die Diode 2. Die Spule L versucht den eingeprägten Strom aufrecht zu erhalten und zieht diesen nun durch die Diode D3. Dadurch ändert der Strom durch die Transformatorspule im Sekundärkreis nun bezüglich des geschlossenen Schalterzustandes seine Richtung, wodurch die Diode D1 leitend wird. Damit wird ein Gleichstromfreier Betrieb des Transformators erreicht, wodurch bei dessen Dimensionierung keine Vormagnetisierung berücksichtigt werden muss, und dieser daher weiter verkleinert werden kann. Ein weiterer Effekt ist die Begrenzung der maximal auftretenden Spannung über dem Schalter auf die doppelte Eingangsspannung.

Die Ausgangsspannung errechnet sich aus:

 

2.3 Halbbrücken Gegentaktwandler

Bei allen nun folgenen Halbbrückenwandler werden statt einem Schalter im Primärkreis nunr zwei benötigt.

Dazu kommen zwei Kondensatoren im Primärkreis, die den Spannungmittelpunkt von Ue bilden. Somit liegt über der Primärspule bei einem geschlossenen Schalter die Spannung Ue / 2 bzw. -Ue / 2 an. Aufgrund der Tatsache, dass die Polarität an der Primärseite des Trafos wechselt, müssen sekundär ebenfalls beide Polaritäten berücksichtigt werden. Daher sind in der gezeigten Schaltung 4 Dioden zu einem Brückengleichrichter verschaltet. Da der Transformator symmetrisch betrieben und nur kapazitiv angekoppelt ist arbeitet dieser völlig Gleichstromfrei. Ein weitere Vorteil ist die verringerte Spannung an den Schalter, allerdings liegen diese nichtmehr auf dem selben Potential, sodass für beide eine eigene galvanische Trennung aus Sicht des Reglers erforderlich ist.

Die Ausgangsspannung Ua beträgt bei deisem Wandler:

 

2.4 Vollbrücken Gegentaktwandler

Bei einem Vollbrückengentaktwandler werden 4 Schalter auf der Primärseite zur Erzeugung der Wechselspannung benötigt.

 

Im Betrieb werden immer S1 und S4 sowie S2 und S3 gleichzeitig durchgeschaltet. Damit liegen am Trafo abwechselnd +Ue und -Ue an. Auf der Sekundärseite ist wie beim Halbbrücken Gegentaktwandler ein Brückengleichrichter für die Erzeugung einer Gleichspannung verantwortlich. Die Ausgangsspannung ist aufgrund der Verdopplerung der Erzeugten Wechselspannung bezüglich eines Habbrücken Gegentaktwandlers folglich:

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