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In diesem Kapitel geht es um Spannungswandler, die mit Hilfe einer hohen Schaltfrequenz, die i.d.R. über 20 kHz liegt, eine unstabilisierte Ausgangsspannung erzeugen. Diese Wandler kommen ohne Spulen aus und können mit hohem Wirkungsgrad Eingangsspannungen teilen, vervielfachen oder invertieren. Solche Wandler findet man vorwiegend dort, wo mit geringem Aufwand zusätzliche Hilfsspannungen erzeugt werden sollen, z.B. in Batteriebetriebenen Geräten. Dieser Wandlertyp besteht grundsätzlich aus zwei Bestandteilen:
Da die Rechteckgeneratoren, zumindest bei den Vervielfacher- und Inverterschaltungen, völlig unabhängig von den Gleichrichterschaltungen betrachtet werden können, möchte ich mich zunächst mit den Rechteckgeneratoren befassen. Rechteckgeneratoren, die man immer für Spanungswandler mit geschalteten Kapazitäten benötigt, lassen sich aber auch, wie ich später zeigen werde, für einfache Fluß- und Resonanzwandler verwenden. Die Schaltung vereinfacht sich erheblich, wenn man auf Standard-ICs für den Rechteckgenerator, wie z.B. den NE555 zurückgreift.
Sollen noch höhere Leistungen und/oder Spannungen geschaltet werden, kann die folgende Schaltung in Bild 5.1 B verwendet werden. Auch hier wird wieder der 555-Oszillator verwendet. Als Endstufe dienen zwei N-Kanal-MOSFETs. Durch Verwendung eines P-Kanal-FETs im oberen Zweig der Endstufe würde sich zwar die Ansteuerung vereinfachen, allerdings haben P-Kanal-Typen grundsätzlich einen höheren Einschaltwiderstand. Wenn es darauf ankommt, möglichst große Ströme mit möglichst kleiner Verlustleistung zu schalten, sollte die Schaltung immer so ausgelegt sein, daß N-Kanal-MOSFETs eingesetzt werden können. Die angegebenen Transistoren haben einen Einschaltwiderstand von ca. 40 mW und können einen Ausgangsstrom von etwa 30 Ampere liefern. Für höhere Ströme können auch noch stärkereTransistoren verwendet werden. Die Betriebsspannung sollte bei max. 24 Volt liegen. Bei Betriebsspannungen bis 15 Volt kann die Betriebsspannung des 555 direkt mit der Betriebsspannung der Endstufe verbunden werden.
Bild 5.1 B: Rechteckgeneratoren für höhere Leistung und höhere
Betriebsspannung (rechts)
Die Ansteuerung des unteren Zweiges der Endstufe ist besonders einfach, da der Source-Anschluß des MOSFETs direkt an der negativen Betriebsspannung liegt. Für den oberen Zweig ist ein zusätzlicher Kleinsignal-MOSFET erforderlich, der synchron zum unteren Endtransistor angesteuert wird. Wenn der Transistor im unteren Zweig durchgeschaltet wird, schaltet auch der BS170 durch und legt das Gate des oberen MOSFETs auf null Volt. Gleichzeitig wird der 4,7µF-Kondensator über eine Diode auf etwa 15 Volt aufgeladen. Ist die Ausgangsspannung des 555 null, sperrt der BS170 und der untere MOSFET. Der 4,7µF-Kondensator kann jetzt seine Spannung über den 220-W-Widerstand auf das Gate des oberen MOSFETs legen, der dann voll durchschaltet. Die absolute Gatespannung dieses Transistors liegt dann min. 10 Volt über der Betriebsspannung der Endstufe. Der BS170 muß daher mindestens diese erhöhte absolute Gatespannung sperren können. Die Ansteuerung der Endstufe muß sicherstellen, daß niemals beide Transistoren gleichzeitig durchgeschaltet sind. Dies wird dadurch gewährleistet, daß die Gates beim Einschalten jeweils über einen 220W-Widerstand aufgeladen und so die Endtransistoren etwas verzögert eingeschaltet werden. Beim Ausschalten werden die Gates dagegen sehr niederohmig über den BS170 bzw. eine Diode entladen. Wenn einer der Endtransistoren Einschaltet, ist also der jeweils andere bereits seit min. 100ns ( je nach Transistortyp ) gesperrt. Die Schaltung der Endstufe funktioniert prinzipiell auch bei höheren Spannungen, z.B. 300 Volt, allerdings wird die Ansteuerung des oberen Endstufenzweiges mit steigender Spannung und Frequenz zunehmend problematisch. Für die Ansteuerung benötigt man einen besonders schnellschaltenden und kapazitätsarmen Treibertransistor. Das Problem läßt sich durch Verwendung eines Treibertrafos für den oberen Zweig weitgehend vermeiden (rechtes Bild). Schaltendstufen für hohe Betriebsspannungen werden daher häufig mit Treibertrafos im oberen Zweig angesteuert. Der Treibertrafo braucht nur sehr wenig Leistung übertragen und kann daher sehr klein ausfallen. Das Übersetzungsverhältnis sollte etwa 1:1 sein. Da die Streuinduktivität des Treibertrafos u.U. ein schnelles Entladen der Gatekapazität verhindert, ist ein zusätzlicher Entladetransistor ( BC557 ) direkt am Leistungsschalter angebracht. Ein Problem bei den Hochvoltendstufen ist die Spannungsversorgung des Oszillators. Ggf. muß ein zusätzliches kleines 12-15V-Netzteil eingebaut werden.
Ein einfacher Rechteckgenerator läßt sich auch komplett diskret aufbauen. Da die Schaltung in Bild 5.1 C sehr einfach aufgebaut ist, bietet sie trotz des niedrigen Preises von Standard-ICs (NE 555) eine interessante Alternative.
Bild 5.1 C: Diskret aufgebauter Rechteckgenerator
Der Generator ist vorzugsweise für Betriebsspannungen im Bereich von 12 Volt vorgesehen. Bei höheren Betriebsspannungen wirkt sich der relativ hohe Stromverbrauch des Oszillators negativ aus. Der Oszillator ist ein klassischer mit zwei NPN-Transistoren aufgebauter astabiler Multivibrator. Die Arbeitswiderstände der Transistoren sind mit 220 Ohm recht niederohmig gewählt. Das verursacht zwar einen relativ hohen Stromverbrauch, ist aber nötig, um die Gate-Kapazitäten der MOSFETs ausreichend schnell laden zu können. Wenn die Schaltfrequenz niedriger gewählt wird und/oder MOSFETs mit kleiner Gate-Kapazität eingesetzt werden, können die Widerstände wesentlich hochohmiger werden, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Die Emitterdioden D 1 und D 2 schützen die B-E-Strecken von T 1 und T 2 vor zu hoher Sperrspannung. Leider halten die B-E-Dioden bipolarer Transistoren kaum mehr als 5 Volt in Sperrichtung aus. Beim Umkippen des Mutltivibrators tritt aber die Betriebsspannung, hier 12 Volt, in Sperrichtung an der B-E-Diode auf. An der Basis von T 1 tritt sogar die doppelte Spannung auf, da C 1 direkt an der erhöhten Gate-Steuerspannung von T 3 liegt. Damit das Tastverhältnis der Ausgangsspannung nicht zu stark von 50 % abweicht, ist deshalb R 2 deutlich größer als R 4.
[Beispiel aus dem "Das Netzteil- und Konverterhandbuch" von Jörg Rehrmann, 180 Seiten, DIN A4, 39,80 Euro, jetzt bestellen][zurück]