Informations- und Kommunikationstechnik

Sperrwandler

Das Prinzip des fremdgesteuerten Sperrwandlers ist in vielen Schaltungsvarianten zu finden. Mit galvanischer Netztrennung werden sie Hoch-Tiefsetzsteller, im englischen Sprachgebrauch Flyback-Converter genannt. Der Drosselwandler hat als Sperrwandler keine galvanische Trennung. Ein Schaltungstyp arbeitet als Aufwärtswandler, englisch Upconverter. Seine Ausgangsspannung ist größer als die Eingangsspannung. Die andere Schaltungsvariante ist der Inverswandler, englisch Buck-Boost-Converter. Er erzeugt aus der positiven Eingangsspannung eine negative Ausgangsspannung.

Der Sperrwandler überträgt in der Sperrphase des Schalttransistors die Energie auf den Ausgang.

Primär getaktete Schaltnetzteile für kleine Ausgangsleistungen sind oft Sperrwandler. Man findet sie in Fernsehgeräten und zur Hochspanungserzeugung für CRT-Bildröhren, Blitzgeräten und Zündfunkenanlagen. Ohne eine Schaltzeitregelung sind Drosselwandler nicht kurzschlussfest und dürfen nicht lastfrei betrieben werden. Von allen DC-DC-Wandlern ist die Ausgangsspannung eines Sperrwandlers am stärksten von der Belastung abhängig.

Sperrwandler-Schaltnetzteil / Fly-Back-Converter

Die Schaltung zeigt das Prinzip eines fremdgesteuerten Sperrwandlernetzteils. Zur Energiespeicherung und Übertragung werden gekoppelte Drosselspulen verwendet. Der Aufbau entspricht einem Transformator mit dem Unterschied, dass der Kern einen Luftspalt hat. Dieser verzögert als magnetischer Widerstand den schnellen Feldabbau und unterstützt so die Energiespeicherung.

Die an der Primärseite vorgeschaltete Gleichrichterstufe ist nicht dargestellt. Anstelle des selbstsperrenden MOSFET-Transistors kann als elektronischer Schalter auch ein npn-Schalttransistor verwendet werden. Der Übertrager ist ein Schaltnetztrafo mit Ferritkern. Zur Gleichrichtung auf der Sekundärseite wird eine schnelle Schaltdiode, besser aber eine Schottkydiode eingesetzt. Der Wickelsinn der Spulen zueinander und die Polung der Diode bestimmt die Polarität der Ausgangsspannung.

Sperrwandlerprinzip mit Netztrennung

Funktionsbeschreibung

Ein positiver Steuerpuls schaltet den Transistor für die Zeit ti leitend. Durch die Primärspule fließt ein linear ansteigender Strom und erzeugt ein Magnetfeld im Trafokern. Die Spannung an der Spule ist um die kleine Sättigungsspannung des leitenden Transistors niedriger als die Eingangsspannung. Während dieser Zeit fließt in der Sekundärspule kein Strom, da die Diode gesperrt ist.

Schaltet das Steuersignal den Transistor für den Zeitraum tp in den Sperrzustand, so wird in die Sekundärspule unter Abbau des gespeicherten Magnetfelds eine Spannung entgegengesetzter Polarität induziert. Als Folge davon wird die Diode leitend und lädt den Kondensator auf die Ausgangsspannung auf. Durch die angeschlossene Last fließt Strom.

Im eingeschwungenen Betriebszustand wird der Laststrom bei leitendem Schalttransistor und gesperrter Diode von der Kondensatorladung aufrechterhalten. Das Übersetzungsverhältnis der Spulen und die Schaltzeiten des Transistors bestimmen den Wert der Ausgangsspannung. Sie ist ohne besondere Regelvorkehrungen sehr vom Lastwiderstand abhängig und nimmt mit zunehmendem Laststrom ab. Bei festgelegten Schaltzeiten wirken sich Laständerungen des Ausgangs nicht auf die Eingangsspannung aus.

Inverswandler, Buck-Boost-Converter

In diesem DC-DC-Wandler ist das Energiespeicherelement eine Drosselspule. Ein elektronischer Schalter legt die Eingangsgleichspannung für eine kurze Einschaltzeit an die Drossel. Der Stromfluss muss dabei auf den anfangs nahezu linearen Stromanstieg in der Drossel begrenzt bleiben. Während dieser Zeit bleibt die Diode gesperrt. Im Kern der Drossel wird magnetische Energie gespeichert.

Beim Abschalten der Eingangsspannung generiert die Drossel eine entgegengesetzte Induktionsspannung. Die Diode wird leitend und der Drosselstrom fließt unter Abbau des Magnetfelds in gleicher Richtung weiter. Der Kondensator wird in der angegebenen Polarität geladen.

Inverswandler mit Speicherdrossel

Der Laststrom wird zur Sperrzeit des Transistors von der Drosselspannung durch die leitende Diode geliefert. Im Einschaltzeitraum mit gesperrter Diode ist der Kondensator die Spannungsquelle, aus dem die Last den Laststrom zieht. Im eingeschwungenen Zustand stellt sich ein mittlerer Laststrom ein. Der zur Einschaltperiode in der Drossel zunehmende Strom ist dann so groß wie der in der Sperrphase abnehmende Strom. Der Inverswandler arbeitet im quasistationären Zustand und stellt für den Lastwiderstand eine konstante Ausgangsspannung zur Verfügung.

Die folgenden Diagramme sind das Ergebnis der Schaltungssimulation. Die Eingangsspannung betrug 10 Volt, die Taktfrequenz 5 kHz mit einem 1:4 Tastverhältnis. Im quasistationären Zustand stellten sich −2,48 V Ausgangsspannung ein. Mit 50 Ohm Lastwiderstand wurden 49,7 mA Laststrom gemessen.

Signaldiagramme des Inverswandlers

Während der Einschaltzeit liegt an der Drossel die Eingangsspannung abzüglich einer geringen Sättigungsspannung des elektronischen Schalters. Der Drosselstrom nimmt innerhalb der ersten Zeitkonstanten τ = L / R praktisch linear zu. Der Widerstand R ist der Drahtwiderstand der Drossel. Im Simulationsversuch betrug die Zeitkonstante τ = 10 ms. Durch die Drossel fließt ein durch Gl.(1) bestimmbarer Strom. Die Diode ist gesperrt und die Drossel speichert magnetische Energie.

Formeln für Inverswandler

Zu Beginn der Abschaltzeit induziert die Drossel eine Induktionsgegenspannung. Die Diode wird dadurch leitend und der Drosselstrom fließt in gleicher Richtung wie zuvor. Der Kondensator wird auf die Ausgangsspannung abzüglich der Diodenschwellenspannung geladen. Mit abnehmender magnetischer Energie nimmt auch der Strom innerhalb der ersten Zeitkonstanten fast linear ab. Der Drosselstrom berechnet sich in guter Näherung nach Gl.(2).

Im dargestellten quasistationären Zustand sind die beiden absoluten Stromänderungen gleich groß. Gleichung Gl.(1) und Gl.(2) lassen sich mit entgegengesetztem Vorzeichen gleich setzen. Durch Umformen erhält man die Bestimmungsgleichung Gl.(3) der Ausgangsspannung. Sie ist invers zur Eingangsspannung und durch das Tastverhältnis bestimmbar. Der so berechenbare Wert von ≈2,5 V wird vom Messwert 2,48 V bestätigt.

Während der Periodendauer T fließt durch den Lastwiderstand ein Ausgangsstrom −Iaus. Zur Abschaltzeit tp wird der Ladungstransport von einem mittleren Diodenstrom bereitgestellt. In der Einschaltzeit ti bei gesperrter Diode fließt kein Diodenstrom. Die durch die Last transportierte Ladung ist das Produkt aus integriertem Diodenstrom und Abschaltzeit und muss flächengleich dem Produkt aus Laststrom und Periodendauer sein.

Stromdiagramme des Inverswandlers

Zur Leitphase der Diode kann der mittlere Drosselstrom durch eine Flächenberechnung unter der Diodenstromkurve ermittelt werden. Die gelbe Fläche im oberen Diagramm ist dann gleich der im unteren Diagramm, dem Produkt des Ausgangsstroms und der Periodendauer T. Die Mess- und Rechenwerte stimmen gut überein.

Wirkungsgrad

Schaltnetzteile zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus. Im Vergleich zu DC-Quellen mit Längsreglern und Transistoren kommt es am Schalttransistor zu keinem nennenswerten Leistungsumsatz. Beim offenen Schalter fließt kein Strom. Beim geschlossenen Halbleiterschalter ist die verbleibende Sättigungsspannung unter 0,5 V. Die am Schalttransistor umgesetzte Leistung bleibt sehr gering.

Aus den Diagrammen und Messwerten der Schaltungssimulation wurde für zwei Lastwiderstände experimentell ein Wirkungsgrad ermittelt. Mit RL = 100 Ω, einer Eingangsspannung von 10 V, dem linearen Anstieg des Drosselstroms und der Einschaltdauer t = 50 µs berechnete sich eine zugeführte Arbeit von We = 17,3 µVAs. Am Lastwiderstand betrug für den Zeitraum einer Periodendauer von 200 µs die Arbeit Wa = 13,3 µs. Das entspricht einem Wirkungsgrad η = 0,77. Ein etwas höherer Wert errechnete sich bei geringerer Belastung mit RL = 200 Ω. Mit der zugeführten Arbeit We = 12,5 µVAs und der in einer Periodendauer abgegebenen Arbeit Wa = 10 µVAs folgt η =  0,8.

Der lastfreie Leerlaufbetrieb des Inverswandlers führt durch kontinuierlichen Anstieg der Ausgangsspannung zur Zerstörung von Schaltungsteilen. Die während der Einschaltphase zugeführte Energie wird im Ausgangskreis additiv gespeichert.

Aufwärtswandler - Upconverter

Eingangs- und Ausgangsspannung sind über eine Drossel und leitende Diode miteinander verbunden. Ohne Schalttransistor fließt Ausgangsstrom. Die Ausgangsspannung kann dabei maximal den um die Diodenschwellenspannung verringerten Wert der Eingangsspannung erreichen.

Sperrwandler, Drossel-Aufwärtswandler

Während der Einschaltphase ti des Transistors liegt der Ausgang der Drossel an Masse und die Diode ist gesperrt. Mit linearem Stromanstieg nimmt die Drossel magnetische Energie auf. In der Schaltpause tp ist die Induktionsspannung so gerichtet, dass die Diode wieder leitet. Der Strom durchfließt die Drossel weiter und lädt nebenbei den Ausgangskondensator nach. Die Ausgangsspannung nimmt um die Spannungsdifferenz zwischen Induktions- und Eingangsspannung zu und ist mit den Puls-/Pausenzeiten des Steuertakts einstellbar.

Die Diagramme sind das Ergebnis einer Schaltungssimulation. Die Eingangsspannung betrug 10 V, die Taktfrequenz 5 kHz mit einer Pulszeit von 50 µs. Eine Drossel mit empirisch bestimmten 10 mH lieferte auch bei wechselnder Last stabile Ergebnisse. Für die Kapazität des Ausgangskondensators reichten 10 µF aus. Ein größerer Wert verbesserte das Simulationsergebnis nicht erkennbar.

Stromverlauf beim Drossel-Aufwärtswandler

In der vereinfachten mathematischen Berechnung werden die Diodenflussspannung und die Sättigungsspannung des leitenden Schalttransistors als vernachlässigbar klein angenommen. Für die Spannungen und Ströme lassen sich die folgenden Beziehungen aufstellen.

Formeln für den Drossel-Aufwärtswandler

Die Simulationsmesswerte für ΔiL = 50 mA sind auch das Ergebnis aus Gl.(4). Die aus dem Laststrom und dem Lastwiderstand errechenbare Ausgangsspannung betrug 12,45 V und ist vom berechenbaren Wert nach Gl.(6) um die Diodenflussspannung niedriger. Mit der theoretischen Ausgangsspannung von 13,3 V und der Gl.(5) ist Drosselstromänderung in der Sperrphase ebenso groß wie zur Leitphase des Schalttransistors. Das ist in Übereinstimmung mit den gelb markierten identischen Strom-/Zeitflächen.

Drosselinduktivität

Drosselinduktivität bei Drossel-Aufwärtswandler

Mit Gl.(5) und Gl.(6) kann die notwendige Induktivität der Drossel ermittelt werden. Es ist zu erkennen, dass neben Eingangs- und Ausgangsspannung auch die zugelassene Drosselstromänderung und die Schaltfrequenz diesen Wert beeinflussen.