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In vielen Bereichen werden Spannungswandler für bestimmte Zwecke optimiert und lassen sich dann nicht mehr in eine der bisher behandelten Gruppe der Standardwandler einordnen. In diesem Kapitel will ich solche Wandler zusammenfassen und beschreiben.
Bereits bei den Schaltnetzteilen hat sich die Notwendigkeit einer niedrigen Betriebsspannung zur Steuerung der Leistungselektronik gezeigt. Aus Platz- und Kostengründen ist es oft nicht möglich, ein konventionelles Hilfsnetzteil in ein Gerät einzubauen. Wie bei den Schaltnetzteilen ist auch bei vielen anderen Anwendungen nicht einmal eine galvanische Netztrennung erforderlich. Wegen der hohen Spannungsdifferenz kommt ein Längsregler oder Vorwiderstand nicht in Frage. Bereits bei nur 10 mA Laststrom müßten dann bei Netzspannungen von 230 Volt 2-3 Watt in Wärme umgesetzt werden. Eine Steuerelektronik für Schaltnetzteile kann aber ohne weiteres auch mal 100 mA Strom aufnehmen. 50-Hz-Trafos sind meistens zu groß und ein Spartrafo bringt bei der hohen Spannungsdifferenz ebenfalls kaum Vorteile. Eine Hilfsspannungserzeugung mittels Phasenanschnitt habe ich bereits in Kapitel 4 beschrieben. Die älteste und bekannteste Methode, große Verlustleistungen zu vermeiden, ist die Verwendung von Blind-Vorwiderständen an der Netzwechselspannung. Da Netzdrosseln noch größer wären als Trafos mit gleichem Ausgangsstrom, kommen nur Kondensatoren als Vorwiderstände in Frage. Bei Ausgangsströmen über etwa 50 mA werden die aber ebenfalls sehr groß und teuer. Eine weitere Möglichkeit, kleinere Spulen und/oder Kondensatoren zu verwenden besteht darin, mit hohen Frequenzen zu arbeiten. Diese können entweder eigens dafür erzeugt werden oder einem Schaltnetzteil entnommen werden, nachdem es über einen Anlaufwiderstand gestartet ist. In Kapitel 6 Bild 6.1 L/M habe ich bereits zwei sehr leistungsfähige Abwärtswandler für solche Anwendungen beschrieben. Außerdem sind auch die in anderen Kapiteln beschriebenen einfachen Wandler für solche Zwecke geeignet.
Da die benötigten Kapazitäten bei 50 Hz schnell unhandliche Ausmaße annehmen, wenn größere Stromstärken benötigt werden, ist es sinnvoll mit wesentlich höheren Frequenzen zu arbeiten. In Bild 13.1.2 A ist ein besonders einfacher HF-Generator für die Hilfsspannungserzeugung zu sehen. Eine Besonderheit besteht darin, daß nur eine einfache Drossel benötigt wird. Die Schaltung arbeitet als ein etwas abgewandelter Colpitts-Oszillator, der so beschaltet ist, daß der Schwingkreis auf Massepotential liegt. Die positive Halbwelle des Blindstromes in der Drossel wird dann einfach mit einer Diode auf C 4 ausgekoppelt. Eine Zenerdiode begrenzt die Ausgangsspannung auf ca. 15 Volt. Den eigentlichen Schwingkreis mit einer Resonanzfrequenz von ca. 50 kHz bilden die Drossel und C 3. C 2 bildet mit C 1 einen Spannungsteiler, der dafür sorgt, daß an der Basis des Transistors eine etwas größere Amplitude anliegt als am Emitter. C 1 ist nur ein Koppelkondensator, der die Gleichspannungsdifferenz zwischen Basis und Emitter überbrückt. R 2 liefert den Basisstrom und legt den Arbeitspunkt des Transistors beim Start des Oszillators fest. Der Widerstand R 3 übernimmt den Gleichstromanteil des Emitterstromes und sollte daher nicht größer sein als unbedingt nötig. Er muß jedoch relativ groß gegenüber dem Blindwiderstand von C 2 sein, der in diesem Fall bei etwa 15 Ohm liegt. R 1 ist nur ein zusätzlicher Sicherungswiderstand, der im Fehlerfall durchbrennen würde und verhindert, daß die Kondensatoren und die Drossel zerstört werden. Der Transistor wird so wenig belastet, daß er i.d.R. ohne Kühlkörper auskommt. Um die Blindstromverluste gering zu halten, sollte eine entsprechend hochwertige Drossel verwendet werden. C 3 muß ein Verlustarmer Kondensator vom Typ MKP, FKP oder FKC sein. Für C 2 reicht ein normaler Folienkondensator und für C 1 ein Keramik-Vielschichtkondensator. Die Schaltung ist dauerkurzschlußfest, da im Kurzschlußfall der Schwingkreis nur mit geringer Dämpfung schwingen würde. Der Ausgangsstrom errechnet sich genau wie bei der 50-Hz-Schaltung in Bild 12.1.1 A
Bild 13.1.2 A: einfachster trafoloser HF-Hilfsspannungsgenerator
Bild 13.1.2 B: Generator mit erhöhter Ausgangsleistung
Wird ein höherer Ausgangsstrom benötigt, kann man zwar die Schaltung so dimensionieren, daß der Blindstrom im Schwingkreis höher wird, ich empfehle aber zunächst, auch den kapazitiven Blindstrom mitzunutzen. In Bild 13.1.2 B ist eine solche bessere Blindstromausnutzung zu sehen. Im Prinzip wird einfach ein Brückengleichrichter in den Schwingkreis eingefügt, wodurch sich der Ausgangsstrom verdoppelt. Die Halbierung der Induktivität erhöht zusätzlich die Resonanzfrequenz und damit auch den Blindstrom. Der Ausgangsstrom errechnet sich dann zu . C 5 sorgt während der Startphase dafür, daß die noch hochohmigen Dioden kapazitiv überbrückt werden und so der Schwingkreis geschlossen ist. Auf der Drosselseite ist das nicht nötig weil durch den Gleichstrom in der Drossel eine Diode bereits leitend ist und dadurch das untere Ende der Drossel wechselstommäßig auf Masse liegt. Ein Nachteil der beiden zuletzt beschriebenen Schaltungen besteht darin, daß die Energiezufuhr nicht regelbar ist. Bei geringer Ausgangsbelastung muß die überschüssige Leistung von der Zenerdiode ZD verheizt werden. Das wäre in Bild 13.1.2 B bereits rund 1 Watt Verlustleistung in der Zenerdiode. Mit zunehmender Ausgangsleistung wäre dann eine einfache Regelschaltung wünschenswert.
Wird eine permanent anliegende Hochspannung benötigt, kommen die bereits erwähnten Standard-Wandlertypen zum Einsatz. Die einfachste Methode, aus der Netzspannung eine Hochspannung zu erzeugen ist immer noch eine 50-Hz-Kaskade. Damit lassen sich ohne Trafo problemlos Spannungen von mehreren kilovolt erzeugen. Ein Nachteil besteht darin, daß die Ausgangsspannung keine galvanische Netztrennung besitzt. Hohe Leistungen lassen sich damit auch nicht erreichen, da die Kondensatoren bei 50 Hz sonst unhandlich groß und teuer werden würden.
In vielen Fällen wird bei einer Hochspannung keine oder nur sehr wenig Leistung benötigt. Insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten wie z.B. Geiger-Müller-Zähler oder Restlichtverstärker wird man versuchen, die Leistungsaufnahme möglichst gering zu halten. Resonanz- und Sinuswandler haben aufgrund des hohen Blindleistungsumsatzes und den damit verbundenen Verlusten eine etwas höhere Stromaufnahme. Bei Flußwandlern ist die induzierte Spannung in den Spulen nicht so hoch, es sei denn, man erhöht die Arbeitsfrequenz drastisch oder man verkürzt die Einschaltdauer des Schalttransistors, was aber in jedem Fall die Verlustleistung erhöht. Für kleine Hochspannungswandler mit kleiner Leistung bevorzugt man deshalb den Sperrwandler. Er hat den Vorteil, daß sich trotz niedriger Schwingfrequenz relativ hohe Spannungen in den Spulen induzieren lassen. Das erleichtert den Aufbau der Sekundärspule erheblich. Während man bei normalen Sperrwandlern versucht, die induzierte Spannung in Fluß- und Sperrphase in ähnlicher Größenordnung zu halten, wird man bei Hochspannungswandlern versuchen, die Spannung während der Sperrphase um ein Vielfaches höher werden zu lassen.Der Schalttransistor muß dann natürlich eine entsprechend hohe Spannungsfestigkeit haben. In Bild 13.3.1 A sind zwei einfache Hochspannungswandler zu sehen. Die einfachere Version (links) ist für Batteriebetrieb und kleinste Leistungen gedacht. Damit der Wandler eine definierte Ausgangsspannung abgibt, ist er primärseitig geregelt. Eine sekundärseitige Regelung wäre zwar auch möglich, hat aber den Nachteil, daß bei hohen Spannungen der erforderliche Spannungsteiler eine relativ hohe Verlustleistung verursacht. Das sollte man bei Batteriebetrieb vermeiden. Auf eine Streufeldentsorgung kann man bei derart kleinen Betriebsspannungen und Wandlerleistungen verzichten. Da die verwendeten Trafos meistens recht klein ausfallen, sollten aus der Sekundärspule nicht mehr als 1000 Volt herausgeholt werden. Für höhere Ausgangsspannungen empfehle ich die Verwendung einer Hochspannungskaskade. Wegen der primärseitigen Regelung kann der Generator wahlweise eine positive oder negative Ausgangsspannung erzeugen. Weiterhin könnte man am Kollektor von T 2 noch eine Induktionsspannung von 5-10 Volt abgreifen und mit einer Diode gleichrichten um eventuell noch vorhandene Elektronik mit einer "normalen" Betriebsspannung zu versorgen.
Bild 13.3.1 A: Einfache geregelte Hochspannungsgeneratoren für kleine
Leistungen
Wird eine hochstabile Hochspannung benötigt, z.B. für meßtechnische Anwendungen, muß die Spannung sekundärseitig geregelt werden. Im rechten Schaltbild ist ein genau geregelter Hochspannungsgenerator mit etwas höherer Ausgangsleistung zu sehen. Es handelt sich um eine Mischung aus Sperr- und Sinuswandler, bei dem eine Halbwelle sehr stark abgeplattet ist. Die Spannung wird dadurch stark asymmetrisch. Einer langen Flußphase mit konstanter Induktionsspannung folgt eine wesentlich kürzere Sinushalbwelle mit hoher Induktionsspannung. Der wesentliche Vorteil dieser Technik besteht darin, daß die Streufeldenergie, wie bei Eintakt-Sinuswandlern üblich, zurückgewonnen wird und trotzdem der bei Sperrwandlern übliche große Regelbereich zur Verfügung steht. Für die Regelung wird die bewährte Schaltung mit einem Shunt-Regler vom Typ TL 431 eingesetzt, der eine sehr genaue Regelung der Ausgangsspannung ermöglicht. Der Transistor T 1, der den Basisvorstrom für T 2 liefert, arbeitet als Konstantstromquelle. Wenn der Sollwert der Ausgangsspannung erreicht ist, erhöht sich der Strom durch R 5 und es fließt entsprechend weniger durch T 1. Mit dem Basisstrom kann auch die Leistung des Wandlers auf ein Minimum heruntergeregelt werden. Sollen höhere Ausgangsspannungen über 1 kV erzeugt werden, sollte eine Kaskade verwendet werden. Diese kann auch nach dem Spannungsteiler für die Regelung angeschlossen werden. Da der Vervielfachungsfaktor einer Kaskade, wenn die Kondensatoren genügend groß sind, sehr genau eingehalten wird, ist es meistens ausreichend, wenn die Regelung nur die Spannung der ersten Stufe erfasst. Spannungsteiler an höheren Spannungen verursachen außerdem zusätzliche Verluste und erfordern spezielle hochspannungsbeständige Widerstände.
Manchmal kommt es weniger auf die genaue Einhaltung der Hochspannung an als darauf, mit möglichst wenig Aufwand möglichst hohe Spannungen zu erzeugen. Gleichspannungen bis etwa 30 kV lassen sich sehr gut mit Diodensplitttrafos, kurz DSTs, erzeugen. Diese wurden bzw. werden immer noch zur Erzeugung der Anodenspannung von Bildröhren in Fernsehgeräten und Monitoren eingesetzt. Zur Verringerung der Wechselstrombelastung wird die Hochspannungsspule in mehrere kleine Einzelspulen aufgeteilt und jeweils mit einem Gleichrichter versehen. Hier greife ich nochmals auf zwei Schaltungen aus meinem Monitor-Handbuch zurück. DSTs zu Versuchszwecken dürften aus Restbeständen und Schrottgeräten noch in großen Mengen im Umlauf sein. Da man nie weiss, ob die Trafos eine passende Spule besitzen, bringt man sie am besten gleich selbst auf den Kern auf. Da die Spulen nur 5 + 1 Windung besitzen, ist es kein Problem, die Spulen auf dem noch freien Schenkel des Trafos aufzubringen. Die gängigen DSTs für Bildröhren erzeugen positive Ausgangsspannungen. Der negative Ausgang befindet sich auf einem der Pins auf der Unterseite des Trafos. Daneben gibt es weitere Pins, die mit dem negativen Ausgangspin verbunden werden müssen. In den meisten DSTs befinden sich noch Potis, Widerstände und Kondensatoren, die mit der Hochspannung in Verbindung stehen. Werden die nicht angeschlossen, können sie sich auf hohe Spannungen aufladen und Hochspannungsüberschläge verursachen. Da nicht alle internen Kondensatoren mit einem Parallelwiderstand versehen sind, kann es passieren, daß die Hochspannung auch nach dem Abschalten des Generators noch eine Weile erhalten bleibt. Ggf. muß die Ausgangsspannung mit einem zusätzlichen Parallelwiderstand (ca. 1000 Mohm) versehen werden oder jedesmal manuell entladen werden.
Soll eine negative Spannung erzeugt werden, kann der Hochspannungsausgang auf Masse gelegt und die negative Hochspannung am Fußpunkt der Hochspannungsspule an dem entsprechenden Pin auf der Unterseite abgenommen werden. Da der negative Anschluß der Ausgangsspannung gegenüber dem Trafo nicht isoliert ist, muß der gesamte Trafo einschließlich Kern isoliert befestigt werden. Der Draht für die Primärspule muß dementsprechend eine gute Isolation haben. In Bild 13.3.1 D ist ein einfacher Hochspannungsgenerator, vorwiegend für Test- und Experimentierzwecke zu sehen, mit dem sich Gleichspannungen bis etwa 20 kV erzeugen lassen. Um die gewünschte Ausgangsspannung zu erhalten, wird der Generator mit einer variablen Eingangsspannung aus einem Labornetzteil versorgt.
Bild 13.3.1 D: Einfacher 20-kV-Hochspannungsgenerator mit
Diodensplitttrafo
Da im DST eine Einweggleichrichtung der stark asymmetrischen Wechselspannung stattfindet, ist darauf zu achten, daß die Primärspule die richtige Polarität bezüglich der Hochspannungsspule hat. Die richtige Polarität erkennt man an der wesentlich höheren Ausgangsspannung im Vergleich zur falschen Polarität. Sie muß bei einem unbekannten Trafo versuchsweise ermittelt werden. Die Anordnung der Primärwicklung ist im rechten Teil des Bildes zu sehen. Bei der Ermittlung der richtigen Polarität ist natürlich darauf zu achten, daß die Polarität der Rückkopplungsspule im Verhältnis zur Primärspule immer stimmen muß.
Leider ist die Höhe der Ausgangsspannung des Generators in Bild 13.3.1 D kaum berechenbar und stark lastabhängig.
In manchen Anwendungen wird die Hochspannung nur kurzzeitig gebraucht, um z.B. eine elektrische Gasentladung oder eine Flamme zu zünden. In solchen Fällen läßt sich der Wandler meistens relativ einfach aufbauen. Die Ausgangsspannung muß nicht gleichgerichtet werden, eine Regelung ist unnötig und der Wirkungsgrad ist meistens auch belanglos. Am einfachsten läßt sich ein Hochspannungsimpuls aus der Netzspannung erzeugen. In Bild 13.3.2 A sind solche einfachen Hochspannungs-Impulsgeber zu sehen.
Wenn zum Betrieb des Hochspannungsgenerators nur kleine Spannungen zur Verfügung stehen, wird meistens eine andere Technik angewendet, die der klassischen Zündspulentechnik entspricht, die man aus der KFZ-Technik kennt. Die Zündspule ist nichts anderes als ein Transformator, dessen Übersetzungsverhältnis von der gewünschten Ausgangsspanung abhängt. Als Zündspulen noch mit mechanischen Unterbrecherkontakten betrieben wurden, wurde die Primärspule direkt mit der Betriebsspannung, z.B. 12 Volt, verbunden und nach einer gewissen Zeit wieder unterbrochen. Dabei entsteht bereits in der Primärspule eine erhebliche Induktionsspannung, die sich in der Sekundärspule entsprechend dem Übersetzungsverhältnis vervielfacht. Heutzutage schaltet man die Primärspule natürlich mit Transistoren ein und aus. Die dem Trafo zugeführte Energie wird über die Einschaltdauer des Transistors gesteuert. In Bild 13.3.2 B sind zwei einfache Impulsgeneratoren zu sehen, die sich mit einem 555-Timer sehr einfach aufbauen lassen. Der 555 kann entweder durch einen externen Triggerimpuls einen einzelnen Hochspannungsimpuls erzeugen (linkes Bild) oder er ist selbstschwingend und erzeugt periodisch Impulse mit einstellbarer Frequenz (rechtes Bild). Der verwendete MOSFET vom Typ IRF 640N kann Ströme über 10 Ampere schalten und eine Spannung von 200 Volt sperren. Die Potis zur Einstellung der Pulsbreite P bzw. P 2 müssen zunächst am Anschlag stehen, sodaß die Pulsbreite minimal ist. Nach dem Einschalten kann die Impulsbreite dann langsam erhöht werden, bis die Ausgangsspannung den gewünschten Wert erreicht. Anhaltspunkt für den Maximalwert ist der Drainspannungsimpuls des Schalttransistors, der unter 200 Volt liegen muß. Die im Trafo gespeicherte Energie wird nach dem Abschalten des Transistor, sofern der Ausgang nicht belastet wird, in den Kondensator C 3 übertragen. Dieser bestimmt dann die maximale Impulsenergie. Die maximale Spannung am Kondensator beträgt etwa 180 Volt. Das ergibt zusammen mit der 12-Volt-Betriebsspannung eine Drain-Source-Spannung von 192 Volt, was gerade noch akzeptabel ist. Die 12 Volt müssen dann aber relativ stabil sein. Mit dem angegebenen Wert für C 3 ergibt sich dann eine maximale Impulsenergie von W = 1/2 * C * U2 = 0,036 Joule. Wenn der Ausgang belastet wird, kann diese Energie, auch wenn sie bereits im Kondensator gespeichert ist, wieder auf den Ausgang transformiert werden. Wird der Ausgang nicht belastet, geht die Energie aus C 3 zurück in den Trafo. Die Drainspannung wird dann negativ und ein Großteil der nicht verbrauchten Energie wandert über die Inversdiode des MOSFETs zurück in die Betriebsspannungsquelle.
Falls die Energie nicht ausreicht, gibt es mehrere Möglichkeiten, die maximale Impulsenergie zu erhöhen:
Bild 13.3.2 B: Hochspannungs-Impulsgeber für kleine Betriebsspannungen
Soll der Generator durch externe Impulse getriggert werden (linkes Bild), arbeitet der 555 als einfaches Monoflop, das über den Triggereingang Pin 2 getriggert wird. Der 555 triggert, sobald die Spannung an Pin 2 unter 1/3 Ue = 4 Volt sinkt. Über R 1 und R 2 wird an Pin 2 eine Vorspannung von 6 Volt angelegt. Mit C 1wird dann der Triggerimpuls der Vorspannung überlagert. So reicht ein TTL-Pegel zum Ansteuern des Impulsgenerators aus.
Soll der Generator periodisch triggern, muß der 555 etwas anders beschaltet werden. Über R 2 wird C 1, dessen Spannung an beiden Triggereingängen des 555 anliegt, permanent entladen. Wenn die Spannung an C 1 1/3Ue unterschreitet, schaltet der Ausgang T 1 durch. Gleichzeitig wird C 1 über P 2 und die Diode schnell wieder aufgeladen. Sobald C 1 auf 2/3Ue aufgeladen ist, schaltet der Ausgang des 555 (Pin 3) wieder auf null zurück und C 1 kann sich wieder über R 2 langsam entladen. Die Entladezeit von C 1, die die Periodendauer der Impulsfrequenz bestimmt, läßt sich mit P 1 in weiten Grenzen einstellen. Eine Anwendung des periodisch getriggerten Hochspannungsgenerators wäre z.B. ein Weidezaungerät.
Bei der Sekundärspule ist darauf zu achten, daß in dieser Spannungen von 10-20 kV induziert werden können. Sie muß daher besonders sorgfältig gewickelt werden. Üblicherweise wickelt man so eine Spule Lagenweise mit einer Isolationsfolie zwischen den Lagen. Die fertige Spule muß dann in Parafin oder Isolierlack vergossen werden. Um nur eine Seite der Spule gegen einen Überschlag sichern zu müssen, unterscheidet man zwischen "heißem" und "kaltem" Ende der Hochspannungsspule. Das kalte Ende wird meistens mit der Masse der Steuerelektronik verbunden, um zu verhindern, daß sich eine Hochspannung zwischen dem Niedervoltbereich und dem schlecht isolierten kalten Ende der Hochspannungsspule aufbauen kann. Dies könnte leicht zu einem Überschlag im Trafo und im ungünstigsten Fall zu dessen Zerstörung führen.
[Beispiel aus dem "Das Netzteil- und Konverterhandbuch" von Jörg Rehrmann, 180 Seiten, DIN A4, 39,80 Euro, jetzt bestellen][zurück]