20 Gleichspannungswandler

Transkript

1 0 Gleichspannungswandler Häufig soll eine Gleichspannung definierer Größe einer anderen Gleichspannung gewonnen werden. Eine kleinere Spannung läss sich im einfachsen Fall mi einem Spannungseiler erzeugen. Eine lasunabhängige kleinere Spannung erreich man mi einem ängsregler. Abbildung 0- Spannungseiler und ängsregler Spannungseiler ängsregler B B Voreil: einfach, billig Nacheil: Ausgangsspannung lasabhängig, wenig belasbar Voreil: Ausgangsspannung sabilisier, belasbar Nacheil: hohe eisungsverluse im ransisor Der Nacheil solcher Schalungen beseh darin, dass relaiv große eisungsverluse in Kauf genommen werden müssen. Mi Schalnezeilen/Schalwandlern lassen sich diese eisungsverluse klein halen. Sie bieen außerdem die Möglichkei einer vorhandenen Gleichspannung nich nur eine kleinere sondern auch eine größere oder eine Gleichspannung umgekehrer Polariä zu gewinnen. Bei den Schalwandlern wird eine vorhandene Gleichspannung mi einem elekronischen Schaler mi hoher Frequenz in eine Recheckspannung zerhack und dann mi Kondensaor- oder Drosselwandlern in die gewünsche Gleichspannung umgesez. Verwende man anselle oder zusäzlich zu einer Drossel einen ransformaor, so kann eine galvanische rennung der beiden Gleichspannungen erreich werden. Im folgenden sollen Drosselwandler zur Erzeugung größerer, kleinerer oder inverser Gleichspannungen beschrieben werden. 0. Drossel-Aufwärswandler i i D i Abbildung 0- Aufwärswandler u D Sch FE C u RE R Bei der folgenden Funkionsbeschreibung wird vereinfachend angenommen, dass der ohmsche Widersand der Drossel, die Durchlassspannung F der Schoky-Diode und die Drain-Source-Spannung DSon des eingeschaleen Feldeffekransisors vernachlässigbar seien. Der schnelle Schalransisor leg die Drossel periodisch für kurze Zei ( ein ) an die Eingangsspannung. 333

2 u ( ein ) = DSon = kons. Dadurch fließ ein linear anseigender Srom durch die Drossel und es wird Energie in der Drossel gespeicher. Der Sromansieg beräg u (ein ) iein = = Die Schoky-Diode D sch is gesperr. Im jeweils darauffolgenden Zeiinervall ( ) sperr der ransisor. Die Drossel erhäl jedoch den Sromfluss aufrech. Der Srom fließ dann über die Schoky-Diode zum Kondensaor C und der as R. u ( ) = u F u Änder sich die Spannung u während des kurzen Zeiinervalls nur unwesenlich, so gil u ( ) kons. Während der Zei änder sich der Drosselsrom um i u = ( ) ein = Is die Spannung kleiner als, so lieg nach wie vor eine posiive Spannung an der Drossel und der Drosselsrom seig weier. Is die Spannung größer als, so erzeug die Drossel eine Gegenspannung, die so groß is, dass die Schoky-Diode leiend wird. Der Drosselsrom sink dann während des Zeiinervalls und die Drossel gib Energie an den Speicherkondensaor und die as ab. Quasisaionärer Berieb (Koninuierlicher Berieb) Im eingeschwungenen Zusand sell sich eine solche Ausgangsspannung ein, dass die Sromzunahme in der Drossel während der Einschaldauer ein gleich groß wird wie die Sromabnahme in der Zei. 334 i ein = - i Abbildung 0-3 Drosselsrom im eingeschwungenen Berieb Durch Gleichsezen ergib sich ein + ein Mi der Periodendauer i i ein ein = ein + ergib sich dar i i

3 Durch geeignee Wahl des asverhälnisses / läss sich also die Größe der Ausgangsspannung einsellen. Es is erkennbar, dass die Ausgangsspannung im eingeschwungenen Zusand immer größer is als die Eingangsspannung. Durch die as fließ der Srom I = R Die elekrische adung, die während der Periodendauer durch die as abfließ, muss während der Ausschaldauer des ransisors von der Drossel über die Schoky-Diode geliefer werden. Dar läss sich der Mielwer des Drosselsromes errechnen: i = I Abbildung 0-4 Diodensrom und assrom i D i i i i = I I I Die erforderliche Größe der Indukiviä der Drosselspule läss sich den Gleichungen i() = und berechnen. Es ergib sich: = i Die Größe der erforderlichen Indukiviä häng demnach außer von Eingangs- und Ausgangsspannungen von dem zugelassenen Wechselaneil des Drosselsromes und der Schalfrequenz f = / des Feldeffekransisors ab. 0. Drossel-Abwärswandler FE i i Abbildung 0-5 Drossel-Abwärswandler u RE D Sch u C R Es wird vereinfachend angenommen, dass der ohmsche Widersand der Drossel, die Durchlassspannung F der Schoky-Diode und die Drain-Source-Spannung DSon des eingeschaleen FE und Änderungen von u während ein und vernachlässigbar seien. Der schnelle Schalransisor leg die Drossel periodisch für kurze Zei ( ein ) an die Spannung u ( ein ) = DSon kons. Dadurch fließ ein linear anseigender Srom durch die Drossel. Der Sromansieg beräg u (ein ) iein = Die Schoky-Diode D sch is gesperr. = ein 335

4 Im jeweils darauffolgenden Zeiinervall ( ) sperr der ransisor. Die Drossel erhäl jedoch den Sromfluss aufrech. Hierzu erzeug die Drossel eine Gegenspannung, die so groß is, dass der Drosselsrom über die Schoky-Diode weierfließ. u ( ) = - F - kons. Aufgrund der Gegenspannung sink der Drosselsrom. Die Sromabnahme beräg u ( ) i = = Quasisaionärer Berieb Im eingeschwungenen Zusand sell sich eine solche Ausgangsspannung ein, dass die Sromzunahme in der Drossel während der Einschaldauer ein gleich groß wird wie die Sromabnahme in der Zei. i ein = - i Durch Gleichsezen ein ergib sich ein ein + Mi der Periodendauer = ein + ergib sich dar ein Durch geeignee Wahl des asverhälnisses ein / läss sich also die Größe der Ausgangsspannung einsellen. Es is erkennbar, dass die Ausgangsspannung im eingeschwungenen Zusand immer kleiner is als die Eingangsspannung. Durch die as fließ der Srom I = R Die elekrische adung, die während der Periodendauer durch die as abfließ, muss von der Drossel geliefer werden. Da die Drossel sändig Srom liefer, gil: i = I Abbildung 0-6 Drosselsrom und assrom i i i i Die erforderliche Indukiviä der Drosselspule beräg: = I i I 336

5 0.3 Drossel-Inverswandler FE i D D Sch i Abbildung 0-7 Drossel-Inverswandler u RE i u C R Es wird vereinfachend angenommen, dass der ohmsche Widersand der Drossel, die Durchlassspannung F der Schoky-Diode, die Drain-Source-Spannung DSon des eingeschaleen FE und Änderungen von u während ein und vernachlässigbar seien. Der schnelle Schalransisor leg die Drossel periodisch für kurze Zei ( ein ) an die Eingangsspannung u ( ein ) = DSon = kons. Dadurch fließ ein linear anseigender Srom durch die Drossel. Der Sromansieg beräg iein = u (ein ) Die Schoky-Diode D sch is gesperr. = Im jeweils darauffolgenden Zeiinervall ( ) sperr der ransisor. Die Drossel erhäl jedoch den Sromfluss aufrech. Hierzu erzeug die Drossel eine Gegenspannung, die so groß is, dass der Drosselsrom über die Schoky-Diode weierfließ. ein u ( ) = - F kons. Aufgrund der Gegenspannung sink der Drosselsrom. Die Sromabnahme beräg i = u ( ) Quasisaionärer Berieb = Im eingeschwungenen Zusand sell sich eine solche Ausgangsspannung ein, dass die Sromzunahme in der Drossel während der Einschaldauer ein gleich groß wird wie die Sromabnahme in der Zei. i ein = - i Durch Gleichsezen ergib sich ein ein Mi dem Inverswandler wird einer posiiven Eingangsspannung eine negaive Ausgangsspannung gewonnen. Durch geeignee Wahl des Verhälnisses ein / läss sich die Größe der Ausgangsspannung einsellen. Durch die as fließ der Srom I = R 337

6 Die elekrische adung, die während der Periodendauer durch die as abfließ, muss während der Ausschaldauer des ransisors von der Drossel über die Schoky-Diode D sch geliefer werden. Dar läss sich der Mielwer des Drosselsromes errechnen: i = I i i i = I i D Abbildung 0-8 Drossel-, Dioden- und assrom i i Die erforderliche Größe der Indukiviä ergib sich zu: 0.4 Einschwingvorgänge = ieg bei den Drosselwandlern nach Abschni 0. bis Abschni 0.3 kein quasisaionärer Beriebszusand vor, z.b. beim Aufladen des Gläungskondensaors nach dem Einschalen oder nach plözlichen asänderungen, so is die Gleichgewichsbedingung i ein = - i nich erfüll. Als Folge ändern sich der Mielwer des Drosselsromes i und die Kondensaorspannung bis der quasisaionäre Zusand erreich is. Abbildung 0-9 Seigender Drosselsrom i i i -I i ein i I i ein Bei konsanem asverhälnis ein : ri hierbei ein Einschwingvorgang in Form einer gedämpfen periodischen Schwingung von Drosselsrom i und Kondensaorspannung auf. m einen schnellen, aperiodische Einschwingvorgang zu erreichen, muss das asverhälnis mi einer Regelschalung in geeigneer Form variier werden (PWM = Pulsweienmodulaion). 0.5 Anwendungsbeschränkungen Bei allen Drosselwandlern is darauf zu achen, dass keine Säigung des Kernmaerials der Drossel durch zu hohen assrom aufri. 338

7 Diskoninuierlicher Berieb / ückender Berieb Den gangsseiigen Gläungskondensaoren wird periodisch adung zugeführ. Ein Abfluss dieser adung kann nur über den aswidersand erfolgen. Is der assrom kleiner als die Hälfe der Sromänderung i bei koninuierlichem Berieb, so fäll der Drosselsrom i bereis vor Ablauf der Zei auf Null ab (lückender Berieb; diskoninuierlicher Berieb). Dieser wird hier nich behandel. Die gezeigen Berechnungen gelen nich mehr. eerlauf Der eerlauf sell eine Exremform des diskoninuierlichen Beriebes dar. Beim Abwärswandler sell sich im eerlauf die Ausgangsspannung gleich der Eingangsspannung ein; beim Aufwärs- und Inverswandler seig die Ausgangsspannung im eerlauf bis zur Zersörung von Bauelemenen. Kurzschluß Bei kurzgeschlossenem Ausgang kann die Speicherdrossel bei geschaleem FE keine oder keine nennenswere Gegenspannung aufbauen. Die während ein aufgenommene Energie kann während nich abgegeben werden. Der Drosselsrom nimm daher bis zur Zersörung von Bauelemenen sändig zu (es sei denn, es ri eine Srombegrenzung durch einen hinreichend großen Wicklungswidersand ein). Die dargesellen Drosselwandler sind daher grundsäzlich nich kurzschlußfes. 0.6 Übungsaufgaben zu Schalwandlern Aufgabe 0-: Abwärswandler (iefsezseller) u S R G FE i u u DS Speicherdrossel D C u F i R = 0 V DSon = 0,5 V (leiender FE) F = 0,3 V (leiende Diode) f S = 50 khz R = 0 Ω i F i C Mi dem Schalwandler soll eine Ausgangsspannung u mi einem arihmeischen Mielwer (Index AV) von AV = V erzeug werden. (a) Berechne die Spannung an der Speicherdrossel bei leiendem ( (ein) ) und bei gesperrem ( () ) FE (uner Berücksichigung von DS und F ). (b) Welches asverhälnis p = ein / is erforderlich? (c) Berechne die minimal nowendige Größe der Speicherdrossel, so dass der Drosselsrom i einen maximalen Wechselaneil von 5 % aufweis. 339

8 Aufgabe 0-: Prinzipschalbilder (a) Die Abbildung zeig das Prinzipschalbild eines Schalwandlers. m welchen Wandleryp handel es sich? C R Abwärswandler Aufwärswandler Inverswandler (b) Der Wechselschaler im obigen Prinzipschalbild wird echnisch durch zwei Halbleierbauelemene ersez. Durch welches Halbleierbauelemen wird die Funkion in Schalersellung und durch welches Bauelemen die Funkion in Schalersellung realisier? (c) Zeichnen Sie die Prinzipschalbilder der beiden übrigen Schalwandler in vergleichbarer Weise zur obigen Abbildung Aufgabe 0-3: Schalwandler (a) Nenne die wesenlichen Voreile eines Schalwandlers gegenüber einer Sromversorgung mi linear geregelen ransisoren. (b) Warum werden Schalwandler mi relaiv hoher Schalfrequenz berieben? (c) Warum werden in Schalwandlern vorzugsweise Schokydioden und keine pn-dioden eingesez? 340