11 Sinus- und Trapezwandler

[Beispiel aus dem "Das Netzteil- und Konverterhandbuch" von Jörg Rehrmann, 180 Seiten, DIN A4, 39,80 Euro, jetzt bestellen]

Ein großer Nachteil der meisten Wandler sind die steilen Flanken an den Trafospannungen, die nicht nur Funkstörungen sondern auch hohe Schaltverluste in den Transistoren verursachen. Gelingt es, mit (fast) sinusförmigen Spannungen zu arbeiten, kann man so gleich zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen; sinusförmige Spannungen haben (fast) keine Oberwellen und die Anstiegsgeschwindigkeiten sind mäßig. Die einfachste Methode, sinusförmige Spannungen zu erzeugen, ist ein Parallelschwingkreis aus Primärspule und einem Kondensator. Ansonsten kann so ein Wandler ähnlich wie ein selbstschwingender Sperrwandler aufgebaut werden. Sinnvollerweise ist ein Sinuswandler selbstschwingend, damit der Wandler immer genau mit der Resonanzfrequenz des Schwingkreises schwingt. Ein weiterer Vorteil des Sinuswandlers ist auch der Wegfall der Streufeldentsorgung. Die Streufeldenergie wird immer wieder in den Schwingkreis zurückgeführt. Bei einfachen Wandlern kann man selbst bei Netzbetrieb auf die Regelung verzichten, da der Parallelschwingkreis Amplitude und Frequenz stabilisiert. Wenn der Sinusform durch die Energiezufuhr und/oder durch sekundärseitige Gleichrichter stark verzerrt bzw. abgeplattet ist, sieht der Spannungsverlauf eher trapezförmig aus. In solchen Fällen spricht man dann eher von Trapezwandlern.

Auch Sinuswandler können als Eintakt- oder als Gegentaktwandler aufgebaut werden. Eintaktwandler können sehr einfach aufgebaut sein, sind aber nicht so gut für hohe Leistungen geeignet. Damit der Eintaktwandler stabil schwingt, muß die Blindleistung im Vergleich zur Ausgangsleistung relativ hoch gewählt werden. Bei hohen Leistungen kann sich daraus schon ein Kosten- und Platzproblem ergeben. Außerdem muß der Schalttransistor überdimensioniert werden, damit er in der Anlaufphase, wenn der Schwingkreiskondensator noch ungeladen ist, nicht überlastet wird.

Gegentakt-Sinuswandler lassen sich dagegen, ähnlich wie Resonanzwandler, für beliebig hohe Leistungen aufbauen.

11.1 Eintakt-Sinuswandler

Soll ein Sinuswandler als Schaltnetzteil eingesetzt werden, wird man meistens eine Regelung der Amplitude vorsehen. Schaltungstechnisch wird er ähnlich aufgebaut wie ein Sperrwandler. Der Wirkungsgrad ist i.d.R. deutlich höher als bei einem vergleichbaren Sperrwandler. Die Schaltverluste sind geringer, weil die Kollektorspannung nach dem Abschalten von T 1 nur langsam ansteigt und weil sie bereits null ist, wenn er einschaltet. Die Streufeldenergie bleibt im Schwingkreis und muß nicht entsorgt werden. Außerdem läuft die Frequenz im Leerlauf nicht hoch, was den Stromverbrauch bei geringer Last deutlich senkt. Die Amplitude der Sinusspannung kann nicht kleiner als Ue werden. Das schränkt den Regelbereich leider etwas ein. Die negative Halbwelle hat immer die konstante Auslenkung Ue. Je stärker die negative Halbwelle abgeplattet ist, desto höher wird die positive Halbwelle. Die Regelung ist also nur möglich, wenn auf der Sekundärseite die Halbwelle während der Sperrphase von T 1 gleichgerichtet wird. In Bild 11.1 C ist ein primärseitig geregelter Sinuswandler zu sehen.

Bild 11.1 C: Primärseitig geregelter Hochvolt-Sinuswandler

Sobald die Betriebsspannung Ue anliegt, fließt über R 1 ein kleiner Strom in die Basis von T 3. Dieser Basisstrom von T 3 fließt dann über den Emitter auf C 5 und lädt diesen auf. Über die Rückkopplungswicklung W 3 gelangt die Spannung von C 5 über R 4 an die Basis von T 1. Sobald die Basisspannung an T 1 genügend hoch ist, beginnt dieser zu leiten und als Verstärker zu arbeiten. In diesem Zustand beginnt dann der Wandler zu schwingen. Durch die Gleichrichterwirkung der Basis-Emitter-Diode von T 1 beginnt C 5 sich negativ aufzuladen. Damit ein nennenswerter Basisstrom in T 1 fließen kann, muß der negativen Aufladung von C 5 entgegengewirkt werden. Dazu fließt ein Entladestrom über R 2, D 1 und T 3. Vorraussetzung dafür, daß der Strom durch T 3 fließen kann ist der von R 1 kommende Basisstrom.

Stellvertretend für die Ausgangsspannung wird die negative Halbwelle der Basis-Steuerspannung für T 1 von D 5 gleichgerichtet und mit C 4 gesiebt. Wenn die Spannung an C 4 so groß wird, daß die Zenerdiode ZD zu leiten beginnt, wird der Basisstrom von T 3 abgezweigt und er beginnt zu sperren. Dadurch kann sich C 5 etwas negativer aufladen, wodurch auch das gesamte Basis-Steuersignal etwas negativer wird. In T 1 fließt dann ein geringerer Basisstrom und der Sättigungsstrom wird auch geringer. Je niedriger der Sättigungsstrom ist, desto unverzerrter wird die Sinusspannung und desto niedriger wird die positive Halbwelle. So kann die Höhe der positiven Halbwelle geregelt werden. Sekundärseitig wird die positive Halbwelle gleichgerichtet und bestimmt daher die Höhe der Ausgangsspannung. Bei stärkerer Belastung wird auch die positive Halbwelle durch die Gleichrichterdiode D 6 abgeplattet. Die Schwingfrequenz wird dadurch niedriger und die Sinusspannung entartet eher zu einer Trapezform. Der Wandler arbeitet dann fast wie ein Sperrwandler. Mit den angegebenen Bauteilwerten lassen sich Ausgangsleistungen von 40-50 Watt erreichen. Soll der Sinuswandler sekundärseitig geregelt werden, braucht einfach nur der Fototransistor des Optokopplers parallel zu Zenerdiode ZD angeschlossen werden (Kollektor des Fototransistors an Basis von T 3). ZD kann im Prinzip auch entfallen, da die Ausgangsspannung durch die Strombegrenzung ohnehin begrenzt wird. Für die sekundärseitige Ansteuerung des Optokopplers ist eine der bereits bei den bisherigen Netzteilen verwendeten Standardregelschaltungen einsetzbar.

11.2 Gegentakt-Sinuswandler

Sollen mit einem Sinuswandler höhere Leistungen übertragen werden, kommen nur noch Gegentaktwandler zum Einsatz.

Selbstschwingende Sinuswandler lassen sich auch mit MOSFETs und IGBTs aufbauen. Mit MOSFETs lassen sich hohe Schwingfrequenzen bei niedrigen Schaltverlusten erreichen. Wegen ihrer eher geringen Spannungsfestigkeit sind sie aber eher für niederspannungsbetriebene Wandler als für Schaltnetzteile mit 230 Volt Eingangsspannung geeignet. IGBTs eignen sich dagegen für netzbetriebene Wandler mit hoher Leistung und mäßiger Schwingfrequenz.

Die Gate-Ansteuerung ist bei einem Sinuswandler so einfach, daß man keine Rückkopplungsspule mehr benötigt. Die Gates werden einfach über einen kapazitiven Spannungsteiler vom Drain oder Kollektor des jeweils anderen Transistors angesteuert. Es handelt sich hier um eine nahezu leistungslose Gateansteuerung, da auch der Gatestrom als Blindstrom dem Schwingkreis entnommen wird. Die zur Gateladung benötigte Energie wird also wieder in den Schwingkreis zurückgeführt. In Bild 11.2 D sind exemplarisch zwei solche Wandler für niedrige (links) und für hohe Betriebsspannungen (rechts) zu sehen. Damit die Wandler anlaufen können, muß zunächst eine Gate-Vorspannung erzeugt werden, die eine Verstärkerfunktion der Transistoren ermöglicht. Die Vorspannung wird mit R 1 und der Zenerdiode ZD erzeugt und muß ggf. an die verwendeten Transistoren angepasst werden. Sie sollte so hoch sein, daß in den Transistoren ein nennenswerter Strom fließt, die Verlustleistung die Transistoren jedoch nicht überlastet. Bei IGBTs ist die benötigte Gate-Vorspannung i.d.R. etwas höher als bei MOSFETs. Über R 2 und R 3 wird die Vorspannung direkt auf die Gates der Transistoren eingekoppelt. Die kapazitiven Spannungsteiler C2/C5 bzw. C3/C4 müssen so dimensioniert werden, daß an den Gates eine ausreichend hohe Signalamplitude von ca. 20 Vss anliegt und andererseits die maximale Gate-Source-Spannung von ± 20 Volt nicht überschritten wird.

Bild 11.2 D: MOSFET/IGBT-Sinuswandler für niedrige und hohe Betriebsspannung

Die beschriebenen Wandler lassen sich im Prinzip für jede beliebige Leistung dimensionieren. Die Niedervoltversion (links) kann mit den angegebenen Transistortypen IRF 540N Leistungen bis zu mehreren 100 Watt umsetzen. Bei 12 Volt Betriebsspannung ließen sich mit leistungsstarken 55-Volt-MOSFETs z.B. IRF 1405 ebenfalls solch hohe Leistungen erzielen. Ein interessanter Anwendungsbereich wäre auch hier wieder die Versorgung von Gasentladungslampen höherer Leistung. Für den Fall, daß nur ein zweipoliger Schwingkreis zur Verfügung steht, d.h. die Mittelanzapfung der Spule nicht zugänglich ist, kann die Betriebsspannung statt über eine auch über zwei Drosseln an den Spulenenden zugeführt werden. Das bedeutet neben dem Mehraufwand allerdings auch eine Erhöhung der Gesamtbelastung der Drosseln. Ich habe das bei dem Niedervoltwandler einmal eingezeichnet, um zu zeigen, wie man auch zweipolige Schwingkreise ansteuern kann. Wenn möglich sollte also der Betriebsstrom immer über die Mittelanzapfung zugeführt werden.

Soll ein Sinuswandler mit Netzspannung betrieben werden, treten bereits bei der regulären Netzspannung von 230 Volt (Scheitelwert 325 Volt) Spitzenspannungen von rund 1000 Volt am Schalttransistor auf. Damit scheiden Standard-MOSFETs, die es nur bis 1000 Volt Sperrspannung gibt, prinzipiell aus. Standard-IGBTs sind dagegen bis 1200 Volt zu haben und daher auch für netzbetriebene Sinuswandler geeignet. Einer größeren Überspannungstoleranz wegen würde ich aber Transistoren mit 1400-1600 Volt Sperrspannung empfehlen. Eingebaute FREDs sind nicht unbedingt erforderlich , da bei dieser Schaltung kein großer Inversstrom fließt. hier würde eine kleine externe Inversdiode ausreichen.

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