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Den Eintakt-Flußwandler wird vorwiegend dort eingesetzt, wo mit minimalem Aufwand Potentialfreie Hilfsspannungen erzeugt werden sollen. Da es sich meistens um kleinere Betriebsspannungen handelt, ist der Aufbau unkritisch und ein elektronischer Überlastungsschutz nicht erforderlich.
Bild 8.1 A: Fluß und Sperrphase beim Eintakt-Flußwandler
Die Wandlerphasen in Bild 8.1 A sind auf den ersten Blick denen des Sperrwandlers in Bild 7 A sehr ähnlich. Allerdings arbeiten die beiden Schalter jetzt synchron. Entweder es fließt ein Strom durch Primär- und Sekundärspule oder es fließt überhaupt kein Strom im Trafo. Außerdem ist jetzt zu beachten, daß die Polarität der Spulen zueinander vertauscht ist. Genau wie beim Sperrwandler entsteht auch beim Eintakt-Flußwandler ein unerwünschtes Streufeld, das mit einem geeigneten Dämpfungsglied primärseitig entsorgt werden muß. Zusätzlich zum Streufeld muß beim Flußwandler aber noch die im Kern gespeicherte Energie entsorgt werden. Durch Vermeidung eines Luftspaltes und Verwendung von hochpermeablen Werkstoffen (Weicheisen oder Ferrit) kann diese Energie aber minimiert werden.
Um einen Flußwandler regelbar machen zu können, ist noch eine zusätzliche Speicherdrossel nötig. Der Aufwand lohnt eigentlich nur bei höheren Leistungen, z.B. in Schaltnetzteilen.
Man findet den Eintakt-Flußwandler gelegentlich in älteren geregelten Schaltnetzteilen, was aber gegenüber dem Sperrwandler keinen so großen Vorteil bringt. In Zeiten, als schnelle Hochvolt-Schalttransistoren noch zu teuer für einen Gegentaktwandler waren, war eine Leistungssteigerung um den Faktor 2 gegenüber dem Sperrwandler trotz der zusätzlichen Speicherdrossel sicher auch ein Argument.
Bild 8.2 A: Fluß- und Sperrphase beim regelbaren Eintakt-Flußwandler
Der regelbare Eintakt Flußwandler arbeitet ähnlich wie ein Step-Down-Wandler. In Bild 8.2 A sind die Phasen des Wandlers aufgezeigt. Während der Flußphase wird die ungeregelte Sekundärspannung über eine Speicherdrossel auf die Ausgangsspannung geschaltet. Da die Sekundärspannung wesentlich höher ist als die Ausgangsspannung, wird die Drossel dabei "aufgeladen". Während der Sperrphase wird die Drossel vom Trafo getrennt und stattdessen mit dem Minuspol der Ausgangsspannung verbunden, sodaß sie ihre gespeicherte Energie wieder auf den Ausgang geben kann. Genau wie auch beim Step-Down-Wandler wird dann die Ausgangsspannung durch das Tastverhältnis und die Höhe der Sekundärspannung bestimmt. Da man dem Trafo min. 50 % der Periodendauer zum Entmagnetisieren zugestehen sollte, liegt die obere Grenze der Einschaltdauer bei 50 %. D.h., die Sekundärspannung muß mindestens doppelt so groß sein wie die vorgesehene Ausgangsspannung. Um noch Regelreserven zu haben, sollte man aber mindestens den Faktor 3 einkalkulieren.
Günstigerweise können die beiden sekundärseitigen Schalter wieder durch Dioden ersetzt werden, sodaß die Steuerung der Ausgangsspannung über die Einschaltdauer des primärseitigen Schalters möglich ist.
Wesentlich häufiger anztutreffen als Eintakt-Flußwandler sind die Gegentakt-Flußwandler. Gegentakt bedeutet, daß es für den Wandler keine ausgesprochene Sperrphase gibt. Der Trafo kann im Idealfall bis fast 100 % der Zeit Energie von der Primär- zur Sekundärspule übertragen.
Bei den Gegentaktwandlern gibt es drei Grundtypen, die jeweils geregelt oder ungeregelt sein können. Daraus ergeben sich bereits sechs Kombinationen von Gegentakt-Wandlertypen. Die Grundtypen wären:
Genau wie der Eintaktwandler sollte auch der Gegentaktwandler im "Sättigungsbetrieb" mit Betriebsspannungen unter 40 Volt betrieben werden. Bei höheren Spannungen ist ein sicherer Betrieb der Transistoren nicht mehr gewährleistet.
Neben dem selbstschwingenden Gegentaktwandler gibt es auch oszillatorgesteuerte. Dies ist die einfachste Methode, die Sättigung des Trafokernes zu verhindern.
Die Wechselstrombelastung der Betriebsspannung läßt sich mit einem klassischen Gegentaktwandler im Vergleich zu Eintakt- oder Halbbrückenschaltungen drastisch reduzieren. Leider erhöht sich dabei der Aufwand bei der Herstellung des Trafos beträchtlich. Neben den zwei Primärwicklungen werden, wie in Bild 8.3 B zu sehen, noch zwei Hilfswicklungen benötigt, mit deren Hilfe eine Rückführung der Streufeldenergie auf die Betriebsspannung möglich ist. Bei Wandlern hoher Leistung lohnt der Aufwand, weil jedes Prozent der Verbesserung des Wirkungsgrades etliche Watt Verlustleistung einspart und Kühlungsprobleme vermeiden hilft.
Bild 8.3 B: Ungeregelter Gegentakt-Flußwandler für hohe Leistungen
Als Taktgeber dient ein PWM-Regler-IC vom Typ SG 3525. Dies ist sozusagen der Nachfolgetyp des SG 3524, den ich schon in diversen Beispielen verwendet habe. Der Vorteil des SG 3525 besteht darin, daß er bereits einen Gegentakt-MOSFET-Treiber eingebaut hat. Damit lassen sich die beiden Schalttransistoren besonders einfach ansteuern. Der Regelverstärker ist so beschaltet, daß er keine Funktion hat. Die Schaltfrequenz wird von R 1 und C 3 bestimmt. R 2 bestimmt die Totzeit, die die Transistoren brauchen, um zu sperren, bevor der jeweilige Gegenzweig eingeschaltet werden darf. Sie liegt mit den angegebenen Werten für C 3 und R 2 bei ca. 0,7 µs. C 2 bewirkt beim Einschalten einen Softstart, indem der PWM-Modulator langsam bis zur vollen Impulsbreite hochgefahren wird. Bei Betriebsspannungen bis 15 Volt kann der SG 3525 direkt mit der Betriebsspannung versorgt werden, sodaß der 7812-Regler entfällt. Bei höheren Betriebsspannungen muß u.U. eine separate Stromversorgung für den SG 3525 vorgesehen werden.
Mit den angegebenen Transistoren können bei 40 Volt Eingangsspannung Übertragungsleistungen bis ca. 1 kW erreicht werden. Bei Eingangsspannungen bis ca 25 Volt können auch 55-Volt-MOSFETs, z.B. IRF 1405 (160 A) eingesetzt. Damit lassen sich dann Dauerleistungen weit über 2 kW übertragen. Prinzipiell läßt sich durch Parallelschaltung mehrerer MOSFETs jede beliebige Leistung erzielen. Die einfache Ansteuerung der Schalttransistoren erlaubt auch hohe Betriebsspannungen wie z.B. Netzspannung. Bei Netzspannungsbetrieb ist jedoch, soweit eine sekundärseitige Überlastung nicht auszuschließen ist, wieder eine elektronische Schutzschaltung erforderlich.
Genau wie beim geregelten Eintakt-Flußwandler wird auch beim Gegentakt-Flußwandler eine Speicherdrossel zwischen Gleichrichter und ausgangsseitigem Siebelko benötigt. In Bild 8.4 A habe ich mal die vier Phasen im Gegentaktbetrieb am Beispiel einer Vollbrücke aufgezeichnet. Links ist die 1. Flußphase zu sehen, bei der zwei diagonal gegenüberliegende Brückenschalter geschlossen sind. Die Eingangsspannung liegt jetzt an der Primärspule des Trafos an, wird direkt auf die Sekundärspule transformiert und mit einem Brückengleichrichter gleichgerichtet. Wie beim Eintaktwandler liegt die Sekundärspannung an der Speicherdrossel, wodurch diese aufgeladen wird, während sich gleichzeitig der Siebelko auflädt.
Bild 8.4 A: Die Phasen des regelbaren Gegentakt-Flußwandlers
In der Mitte ist die 1. Sperrphase zu sehen, in der alle Schalter der primärseitigen Brücke geöffnet sind. Der immer noch fließende Strom in der Speicherdrossel kann jetzt rückwärts durch die vier Gleichrichterdioden fließen, wobei die Drossel wieder entladen wird. Der Laststrom wird in dieser Phase auch den Siebelko am Ausgang entladen.
Rechts ist die 2. Flußphase zu sehen, in der die beiden Schalter geschlossen sind, die in der 1. Flußphase geöffnet waren. Jetzt liegt wieder die Eingangsspannung an der Primärspule des Trafos, jedoch mit umgekehrten Vorzeichen. Wegen des Brückengleichrichters liegt die Sekundärspannung jetzt wieder mit gleichem Vorzeichen wie in der 1. Flußphase an der Speicherdrossel an. Die Drossel wird daher auch wieder aufgeladen.
Nach der 2. Flußphase folgt eine 2. Sperrphase, die mit der 1. identisch ist. Ich habe daher darauf verzichtet, diese nochmal zu zeichnen. Danach geht es dann wieder mit der 1. Flußphase weiter. Die Funktion der Speicherdrossel ist identisch mit derjenigen des Abwärtswandlers. Die Ausgangsspannung ergibt sich aus der Sekundärspannung multipliziert mit dem Verhältnis von Gesamtflußdauer zu Periodendauer. Beim Gegentaktwandler kann die Flußdauer von null bis fast 100 % der Periodendauer betragen. Eine minimale Sperrphasendauer darf nicht unterschritten werden, damit sichergestellt ist, daß innerhalb eines Brückenzweiges niemals zwei Schalter gleichzeitig eingeschaltet sind.
Ein geregelter Gegentakt-Flußwandler ist immer aufwendiger aufgebaut als ein einfacher Sperrwandler. Deshalb wird er nur bei höheren Leistungen zu Einsatz kommen, wo die Vorteile des Flußwandlers im Bereich Leistungsbauteile überwiegen. Die untere sinnvolle Leistungsgrenze für den Flußwandler läßt sich nicht klar festlegen, sie dürfte bei Netzteilen irgendwo zwischen 100 und 200 Watt liegen. Das hängt aber auch von den Ein- und Ausgangsspannungen ab. Bei niedrigen Ein- und/oder Ausgangsspannungen ist die Strombelastung der Bauteile bei Sperrwandlern besonders hoch. Hier kann ein Flußwandler schon bei niedrigeren Leistungen zum Einsatz kommen. PC-Netzteile, die ja auch beträchtliche Leistungen bei niedrigen Spannungen abgeben müssen, werden deshalb sehr gerne als Gegentakt-Flußwandler aufgebaut.
Genau wie beim ungeregelten Gegentakt-Flußwandler gibt es auch beim geregelten drei Grundausführungen. Die Vor- und Nachteile sind jeweils gleich:
Für Punkt 1 möchte ich als Beispiel ein 24-Volt-Netzteil beschreiben. Wie man in Bild 8.4 B sieht, ist der Trafo recht aufwendig. Diese Version ist daher nur dann zu empfehlen, wenn der Trafo Kostenmäßig nicht zu sehr ins Gewicht fällt. Die übrige Schaltung gestaltet sich dagegen relativ einfach. Die beiden MOSFETs können direkt mit dem SG 3525 angesteuert werden.
Bild 8.4 B: Gegentakt-Netzteil mit separaten Primär- und Sekundärspulen
je Halbwelle
Die ungeregelte Version dieser Schaltung habe ich bereits in Bild 8.3 C gezeigt.
Die Schutzschaltung ist identisch mit der in Bild 8.3 L gezeigten und beschriebenen. Auch die Regelschaltung dürfte Ihnen bekannt vorkommen. Wie Sie sehen, kann man viele der beschriebenen Funktionsblöcke zu einer großen Variationsvielfalt kombinieren.
Sehr häufig wird man einen Halbbrücken-Flußwandler auch in primär getakteten 230-V-Schaltnetzteilen einsetzen. Dazu muß die Halbbrücke für Betriebsspannungen bis min. 400 Volt ausgelegt werden. Bei diesen Spannungen kommen nur noch N-Kanal-MOSFETs oder IGBTs zum Einsatz. Üblicherweise steuert man die Schalttransistoren oder zumindest den oberen Brückenzweig mit einem Steuertrafo an. Eine interessante Alternative zu den Trafos sind die Gate-Treiber-ICs von IR. Der IR 2110 besitzt je einen Gate-Treiber für den unteren und den oberen Brückenzweig. Die Betriebsspannung des oberen Brückenzweiges darf bis zu 500 Volt betragen. Damit eignet sich das IC hervorragend zur Realisierung von Flußwandler-Schaltnetzteilen. Die Steuereingänge des IR 2110 lassen sich sehr einfach mit einem TL 494 ansteuern. In Bild 8.4 D habe ich ein Schaltbeispiel eines so realisierten Wandlers aufgezeichnet. Dieses Konzept deckt in etwa den Leistungsbereich von 200 -1000 Watt ab.
Bild 8.4 D: Geregelter Halbbrücken-Gegentakt-Flußwandler mit
Gate-Treiber-IC
Zur Funktion: Zunächst der Hilfsspannungswandler, den ich in Bild 6.1 M bereits ausführlich beschrieben habe, die Betriebsspannung der Steuer-ICs. Dieser Wandler startet mit einem relativ hohen Strom, sodaß sich die Ausgangsspannung schnell aufbaut. Ein schneller Anstieg der Ausgangsspannung des Hilfswandlers ist nötig, damit ein kontrollierter Softstart durchgeführt werden kann. Nach dem Einschalten der Betriebsspannung wird zunächst der FB-Eingang (Pin 3) des TL 494 über C 8 und D 5 auf etwa 4,5 Volt gelegt, sodaß der TL 494 kein Ausgangssignal erzeugt. Wenn sich C 7 nun langsam auflädt, sinkt die Spannung an Pin 3 bis auf null. Dabei verringert sich die Totzeit bis zum Minimum von etwa 0,7 µs. Bei minimaler Totzeit gibt der Wandler dann seine Maximale Leistung ab. Für die Regelung der Ausgangsspannung kann die sekundärseitige Regelung über einen Optokoppler die Spannung am DT-Eingang Pin 4 erhöhen, um die Totzeit nach Bedarf zu erhöhen. Pin 4 dient der Einstellung der minimalen Totzeit, die sich durch die Regelung bis auf 100 % der Periodendauer erhöhen kann. Die sekundäre Regelung ist gewohnt einfach gehalten.
Die Ausgangstreiber des TL 494 steuern den IR 2110 an, der schließlich die Endstufentransistoren T 6 und T 7 ansteuert. Die Kondensatoren C 17 und C 18 bilden eine symmetrische Gleichspannungsentkopplung, wie sie in Halbbrückenschaltungen üblich ist. Für den elektronischen Überlastungsschutz befindet sich noch ein Stromwandler (SW) in Serie zur Primärspule des Wandlertrafos. Mit dem Mittelpunktgleichrichter D 6 und D 7 wird der um den Faktor 100 reduzierte Primärstrom gleichgerichtet und fließt, Je nach Halbwelle, über R 25 oder R 26. Die an R 24 liegende Spanung ist dann positiv und proportional zum Betrag des Primärstromes. Die Schaltung ist so dimensioniert, daß bei ca. 600 mV @ 6 A die Schutzschaltung den Wandler abschaltet. Die Werte von R 25 und R 26 müssen ggf. natürlich der gewünschten Ausgangsleistung angepasst werden.
Da die beiden Regelverstärker des TL 494 für die Spannungsregelung nicht gebraucht werden, wurde Verstärker #1 stillgelegt und Verstärker #2 als thermischer Überlastungsschutz beschaltet. Die Diode D 3 dient als Temperatursensor und muß an einer dafür geeigneten Stelle, z.B. am Kühlblech, montiert werden. Der Spannungsteiler R 12, R 13 ist so dimensioniert, daß der Wandler herunterregelt, wenn die Flußspannung von D 3 geringer als etwa 300 mV wird. Dieser Wert muß aber in der fertigen Schaltung ggf. optimiert werden.
Bei einem schnellen Stromanstieg im Störfall bzw. bei einem Kurzschluß spricht die aus T 4 und T 5 bestehende Schutzschaltung an. T 4 und T 5 bilden einen Thyristor, der die Betriebsspannung der ICs durch den Strom in R 19 und R 20 so stark belastet, daß diese zusammenbricht. Zuvor wird allerdings der Kontrolleingang Pin 11 des IR 2110 sofort auf logisch 0 geschaltet, damit beide Endstufentransistoren schnellstmöglich abschalten. Der Thyristor (T4, T5) bleibt eingeschaltet, bis die Betriebsspannung zusammengebrochen ist und der Hilfsspannungswandler abgeschaltet hat. Da T 4 und T 5 jetzt stromlos sind, können sie wieder sperren. Währenddessen kann sich C 5 aufladen, bis der Hilfswandler wieder einschaltet. Bleibt die Störung weiterhin vorhanden, wiederholt sich dieser Vorgang periodisch.
Die Anpassung der Schaltung an die gewünschten Ausgangsleistung erfolgt im wesentlichen über die Dimensionierung der Leistungsbauteile und der Strommeßwiderstände R 25, R 26.
[Beispiel aus dem "Das Netzteil- und Konverterhandbuch" von Jörg Rehrmann, 180 Seiten, DIN A4, 39,80 Euro, jetzt bestellen][zurück]