Schaltnetzteile und ihre Peripherie

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1 Ulrich Schlienz Schaltnetzteile und ihre Peripherie Dimensionierung, Einsatz, EMV > V 3., aktualisierte und erweiterte Auflage Mit 346 Abbildungen Vieweg Praxiswissen vieweg

2 VII Inhalt Vorwort zur dritten Auflage V 1 Einführung Vorbemerkung : Stromversorgungen PFC Power-Factor-Corrector Problemstellung Definition des Leistungsfaktors Geltende Norm Lösung durch PFC Betriebsarten zur Leistungsfaktorkorrektur Die Ladungspumpe Schaltungsbeispiele Wirkungsgrad und Ausgangsleistung einer Ladungspumpe Idealisierung 11 2 Der Abwärtswandler Der Abwärtswandler mit nicht lückendem Strom Berechnung der Ausgangsspannung Berechnung der Induktivität L Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb Die Größe des Ausgangskondensators Analytische Berechnung des Effektivwertes Numerische Bestimmung des Effektivwertes Der Abwärtswandler mit lückendem Strom Der Eingangsstrom Der Ausgangsstrom : Die Ausgangsspannung Grenze zum nicht lückenden Betrieb Tastverhältnis in Abhängigkeit des Ausgangsstroms Der Abwärtswandler mit Umschwmgkondensator Vorbemerkung Schaltung beim Abwärtswandler 27 3 Der Aufwärlswandler Der Aufwärtswandler mit nicht lückendem Strom Berechnung der Ausgangsspannung Der Eingangsstrom Berechnung des Ausgangsstromes Berechnung der Induktivität L 32

3 VIII Inhaltsverzeichnis Die Größe der Ausgangskapazität Die Grenze des nicht lückenden Betriebs Der Aufwärtswandler mit lückendem Strom Die Stromverläufe Berechnung der Ausgangsspannung Normierung Die Grenze zum nicht lückenden Betrieb Bidirektionaler Energiefluss 38 4 Der Multi-Parallel-Wandler Der Einfach-Synchronwandler Das Schaltbild Die Stromverläufe Berechnung der Stromeffektivwerte Der Zweifach-Synchronwandler Das Schaltbild Die Stromverläufe Berechnung der Effektivwerte Die Stromverläufe für vj< 0, Vierfach-Synchronwandler Das Schaltbild Die Stromverläufe für vj> 0, Gegenüberstellung der Ergebnisse Synchronisation von Mehrfachwandlern I-I-Messung I-T-Control PWM-gesteuert Vergleich der Synchronisationsverfahren 57 5 Der Inverswandler Der Inverswandler mit nicht lückendem Strom Die Ausgangsspannung Berechnung der Induktivität L Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb Der Inverswandler mit lückendem Strom 64 6 Der Sperrwandler Der Sperrwandler mit nicht lückendem Strom Die Ausgangsspannung Berechnung der Induktivität L Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb Der Sperrwandler mit lückendem Strom Berechnung der Ausgangskennlinien Beispiel: Sperrwandler mit zwei Ausgangsspannungen 75

4 Inhaltsverzeichnis _ IX 6.4 Dimensionierungsbeispiel Die quantitativen Strom- und Spannungsverläufe Berechnung der Effektivwerte Dimensionierung des Trafos Gegenüberstellung der Verluste 80 7 Der Eintaktflusswandler 81 / 7.1 Der Eintaktflusswandler mit nicht lückendem Strom Die Ausgangsspannung Die Primärseite Die Induktivität L Grenze des nicht lückenden Betriebs Der Eintaktflusswandler mit lückendem Strom Die Strom- und Spannungsverläufe Nprmierte Ausgangsgrößen Die Grenze des lückenden Betriebs Die Ausgangsdiagramme 88 8 Der Gegentaktflusswandler Schaltung und Kurvenverläufe Die Ausgangsspannung Ansteuerung des Gegentaktwandlers Brücken Primärseite Sekundärseite Sperrverzugszeit von Dioden Problemstellung, Messschaltung Abhilfe Dimensionierungsbeispiel Resonanzwandler Die Boucherot-Schaltung Beziehungen 105, Ansteuerung mit Rechteckspannung Berechnung der dritten Oberwelle Realisierung der Rechteckspannung *5 Ein Ausführungsbeispiel: 12V-Vorschaltgerät für Energiesparlampe Gegentaktwandler mit Umschwingen des Drosselstroms Grundschaltung Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Schaltzeiten Ausgangskennlinie Periodendauer in Abhängigkeit der Ausgangsspannung Urhschwingbedingung 116

5 X Inhaltsverzeichnis 9.3 Resonanzwandler mit variabler Frequenz Schaltung.' Vereinfachte Schaltung Ersatzschaltung zur Betrachtung von einem Schaltvorgang Spannungs- und Stromverläufe Beziehungen Berechnung der Ausgangsspannung Vergleich hartes" Schalten - Umschwingen Beispielschaltung Beziehungen Auswirkung auf die ohmschen Verluste in der Drossel Leistungsschalter DerMOSFET Das Schaltzeichen des MOSFET Die Body-Diode Das Ersatzschaltbild des MOSFET Einschaltvorgang Ausschaltvorgang Die Gate-Ladung des MOSFET, Die Avalanchefestigkeit DerSenseFET Der TOPFET DerlGBT Das Schaltzeichen des IGBTs Das Ersatzschaltbild des IGBTs Schaltverhalten Brückenbausteine Schaltverluste Abschaltvorgang mit ohmscher Last Abschaltvorgang mit induktiver Last Abschaltvorgang ohne Schaltverluste ; Verbesserte Freilaufdiode Verpolschutzdiode (Kfz) Treiberschaltungen für MOSFETs und IGBTs Einfache Treiberschaltungen Ansteuerung mit CMOS-Gattern Treiber mit Push-Pull-Stufe Aktives Abschaltnetzwerk am Gate Treiber-ICs Treiberschaltungen mit Potentialtrennung Treiberschaltung mit einstellbaren Schaltzeiten Treiber mit Impulsübertrager Primäransteuerung des Impulsübertragers Dimensionierung des Impulsübertragers 153

6 Inhaltsverzeichnis XI Potentialfreie Ansteuerung eines Polwenders Ansteuerung mit verzögertem Einschalten Primäransteuerung Treiberschaltungen für DC-Motoren High-Side-Schalter mit Ladungspumpe Versorgung für den High-Side-Schalter DC-Motoren Ersatzschaltbild eines DC-Motors / Belastungskurven Drehzahlvorsteuerung Regelung der Wandler PWM-Erzeugung Regelung der Ausgangsspannung Analoge/ PI-Regler Pl-Regler mit OP-Schaltung Passiver PI-Regler Einsatz von integrierten Schaltkreisen Verwendung von MikroControllern DA-Wandler : Programmierter PWM-Generator Programmierung eines PI-Reglers Magnetische Bauteile Grundlagen des magnetischen Kreises Die Luftspule Der magnetische Kreis mit Ferrit Dimensionierung von Spulen Vorbemerkung Aussteuerung des magnetischen Kreises Bestimmung des AL-Wertes Ersatzschaltbild der realen Spule Ortskurve der Spule Kupferverluste in der Wicklung Verlustwinkel und Güte Der Transformator Allgemeine Beziehungen für sinusförmige Verläufe Das Streuersatzschaltbild des Trafos Dimensionierung des Trafos Dfmensionierung von Wicklungen Die Primärwicklung Skin-Effekt Folienwicklung Der Wicklungsaufbau Luftstrecken und Überschlagsfestigkeit 205

7 XII Inhaltsverzeichnis 13.5 Stromspitzen bei Transformatoren Auswirkung der Magnetisierungskurve " Normalbetrieb Ausfall von Netzhalbwellen Einschalten eines Netztrafos im Nulldurchgang der Spannung Der Stromwandler Anwendungsbereich Die Schaltung Ein Ausführungsbeispiel Stromwandler mit Gleichrichter Stromwandler in Schaltschränken Kondensatoren für die Leistungselektronik Grundsätzliches Elektrolytkondensatoren Verlustfaktor von Elektrolytkondensatoren Resonanzfrequenz von Elektrolytkondensatoren Wechselstrombelastbarkeit von Elektrolytkondensatoren Folienkondensatoren Die Kopplungsarten Allgemeines Verkopplungen erkennen Die Widerstandskopplung Prinzip der Widerstandskopplung Abhilfemaßnahmen Beispiele Widerstandsberechnung Die kapazitive Kopplung Prinzip der kapazitiven Kopplung Vermeidung und Abhilfemaßnahmen Beispiele Einfacher Nachweis elektrischer Felder im Labor Die magnetische Kopplung Prinzipdarstellung der magnetischen Kopplung Abhilfemaßnahmen bei magnetischer Einkopplung Beispiele Einfaches Messen von magnetischen Störungen im Labor Strahlungskopplung Allgemeines Prinzip der Strahlungskopplung Abhilfemaßnahmen Messung am Kraftfahrzeug Beispiele aus der Leistungselektronik Kommutierungsvorgang an den Leistungsschaltern Ankopplung des Treibers an den Leistungsschalter 242

8 Inhaltsverzeichnis XIII 16 Störquellen..: ; Zeitbereich - Frequenzbereich Bandbreite Störempfindlichkeit Messprinzip Fourierreihen Der Rechteckimpuls Der Träpezverlauf Störungen in einem konventionellen Netzteil Symmetrie Prinzip der Symmetrie Wie erreichen wir die Symmetrie? Definition der Masse Einfluss" von leitenden Flächen 261 ~ 17.5 Verdrillte Leitungen Symmetrische Datenübertragung Prinzip Eigenschaften Grenzen des Verfahrens Symmetrierung mittels Trafo Beispiele EMV in der Schaltungstechnik Bauelemente und Schaltungen unter EMV-Aspekten Widerstände Kondensatoren ' Induktivitäten Der Operationsverstärker Komparatoren Subtrahierverstärker Digitalschaltungen und Prozessoren Die Leiterplatte Übergang von analog auf digital Schaltzeiten von analogen und von digitalen Schaltkreisen 276, Digitalschaltungen mit Schmitttrigger-Verhalten Flipflop als Schnittstelle Anschluss an AD-Wandler Überspannungsschutz Schutzelemente Prüfschaltung Blitzeinschlag in unmittelbarer Nähe" EMV-gerechte Eingangsschaltung Tipps für den Aufbau 281

9 XIV Inhaltsverzeichnis 18.5 Maßnahmen in der Software Nichtbeschaltete Interrupteingänge ' Illegale Op-Codes Watchdogs Plausibüitätsabfragen : Programme testen Wie störfest ist eine Schaltung? Spezifische EMV-Aspekte bei Schaltreglern Der Synchronabwärtswandler als Beispiel Eingangs- und Ausgangsfilter Masseverdrahtung Anschluss der Treiber Messen der Ausgangsspannung Aufgespannte Fläche 286 Literaturverzeichnis 287 Sachwortverzeichnis 289