SKRIPTUM. Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik für MB und WIMB LU Leistungselektronik. Franz Keplinger

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1 INSTITUTE OF SENSOR AND ACTUATOR SYSTEMS SKRIPTUM Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik für MB und WIMB 3. Leistungselektronik Franz Keplinger LU

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3 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Kennlinien 1 3 Gleichrichterschaltungen Brückenschaltung Mittelpunktschaltung Villardschaltung Thyristor als Wechselstromschalter Thyristor an ohmscher Last Thyristor an induktiver Last Schaltnetzteile Abwärtswandler Aufwärtswandler Inverswandler Vorbereitung Typische Testfragen Verständnisfragen i

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5 1 Einleitung Die moderne Leistungselektronik ist ein wesentlicher Motor bei der Entwicklung neuer Produkte. Meist ist sie recht unauffälliger Bestandteil wie in Netzteilen von Computern oder auch in Motorsteuerungen bis hin zu höchsten Leistungen. In dieser Laborübung werden typische Grundschaltungen erklärt und anhand von Messungen soll ein tieferes Verständnis erreicht werden. 2 Kennlinien Die wohl wichtigste Art der Beschreibung von Bauelementen erfolgt über die Darstellung mit Kennlinien von U(I). Eine sehr einfache Methode zur Aufnahme dieser Kennlinien zeigt Abb Da das Oszilloskop nur Spannungen messen kann, muss ein dem Strom proportionaler Spannungsabfall an einem Widerstand erzeugt. Die Spannungseingänge des Oszilloskops weisen eine gemeinsame Masse auf, es können nicht zwei beliebige, unabhängige Spannungen gemessen werden. Daher muss der Bezugspunkt (= Masse) zwischen die beiden Bauelemente R und D gesetzt werden. (Achtung: Ist bereits ein Punkt der Schaltung geerdet, so entsteht über die Erdung des Oszilloskops ein Kurzschluss.) Wird Abb. 2.1: Schaltung zur Aufnahme der Diodenkennlinie. X und Y sind die Eingänge des Oszilloskops für xy-betrieb. die Kennlinie mit hinreichend geringer Änderungsrate der Spannung aufgenommen (gilt 1

6 2 Kennlinien normalerweise bei 50 Hz) so wird die statische Kennlinie gemessen. Beispiele dafür sind in Abb. 2.2 zu sehen. Wird jedoch bei höheren Frequenzen gemessen, so tritt bei den I [A] 1,0 Siliziumdiode (1N4007) Schottkydiode (1N5821) Lawinendurchbruch 1200 V thermischer Durchbruch 50 V 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 U [V] 100 na 100 µa Abb. 2.2: Typische statische Kennlinien der Siliziumdiode (schwarz) und der Schottky-Diode (rot). meisten Bauelementen ein Verhalten auf, das deutlich von der idealen Charakteristik abweicht. Die Diode z. B. geht nicht beliebig schnell vom leitenden in den sperrenden Zustand über. Wird an der leitenden Diode die Spannung abrupt umgepolt (bei t = 20 µs in Abb. 2.3) so verursacht die Speicherladung einen großen Rückstrom, der nur durch die Widerstände im Kreis begrenzt ist. Die Zeit bis zum Abfall dieses Rückstroms wird Speicherzeit genannt. Erst danach beginnt die Diode zu sperren. Damit wird auch + 2 V I Speicherzeit I U 0-2 V U t [µs] 80 Abb. 2.3: Wird die Spannung an der Diode umgepolt, so sperrt sie nicht sofort, sondern es fließt während der Speicherzeit ein Rückstrom (hier zwischen 20 und 29 µs). 2 ISAS, TU-Wien

7 verständlich, dass eine Diode nur bis zu jenen Frequenzen sinnvoll eingesetzt werden kann, bei denen die Speicherzeit vernachlässigbar ist. Eine Diode, welche zur Gleichrichtung von Netzspannung (50 Hz) entworfen wurde, ist nicht für den Einsatz in Schaltnetzteilen (f > 10 khz) geeignet. V1.0, F. Keplinger 3

8 3 Gleichrichterschaltungen In der Energietechnik wird für die Übertragung von großen Leistungen nahezu ausschließlich Wechselstrom verwendet, da er sich mit Transformatoren leicht und effizient in seiner Spannung anpassen lässt. In elektronischen Schaltungen werden jedoch meist Gleichspannungen und die in unterschiedlicher Anzahl, Höhe und Ausgangsleistung benötigt. Die Erzeugung dieser Gleichspannungen aus einer gegebenen Wechselspannung ist daher eine der häufigsten Aufgabenstellungen im Bereich der Leistungselektronik. Die dafür verwendeten Gleichrichterschaltungen finden sich in fast allen elektronischen Geräten. Typische Vertreter, welche nur mit passiven (ungesteuerten) Bauelementen auskommen, werden in diesem Kapitel kurz beschrieben. 3.1 Brückenschaltung Der Brückengleichrichter (Abb.3.1) ist die Standardschaltung bei Einphasenwechselstrom. Während der positiven Halbwelle der Sekundärspannung U sek fließt der Strom durch D 3 und zurück über D 2 und bei der negativen Halbwelle über D 4 und D 1 zur Last. In beiden Halbwellen ist die Stromrichtung in der Last in die gleiche. Ohne Kondensator liegt die D D D D C R + Abb. 3.1: Brückenschaltung: Die Dioden zeigen alle zum Pluspol. Der zur Glättung dienende Elektrolytkondensator muss richtig gepolt werden, sonst herrscht Explosionsgefahr. Last R L an der gleichgerichteten Spannung U L (C = 0 in Abb. 3.2), welche eine starke Welligkeit aufweist, was in der Regel unerwünscht ist. Zur Glättung der Lastspannung 4

9 3.2 Mittelpunktschaltung wird daher noch ein Kondensator benötigt, der als Zwischenspeicher fungiert. Sinkt, im Falle der positiven Halbwelle, U sek unter die Kondensatorspannung, so sperrt die Diode ( D 3 und der Kondensator wird über die Last entladen, entsprechend U L (t) = U 0 1 exp( t/τ) ). Wie schnell dieser Entladevorgang abläuft hängt von der Zeitkonstante τ = R L C ab, also auch von der Last. Je größer diese Zeitkonstante ist, um so glatter wird die erzeugte Gleichspannung. 20 ms Abb. 3.2: Spannungsverläufe bei der Brückenschaltung. Für die Zeitkonstante τ wurde ein gut sichtbarer Wert von 20 ms angenommen. 3.2 Mittelpunktschaltung Eine Alternative zur Brückenschaltung ist die Mittelpunktschaltung (Abb. 3.3), die nur zwei Dioden benötigt. Dadurch weist sie einen geringeren Spannungsabfall und somit auch kleinere Verluste auf. Es wird jedoch ein Transformator mit einer Mittelanzapfung bei der Sekundärwicklung benötigt. In jedem Wicklungsteil fließt nur während einer Halbwelle Strom, es wird somit die Wicklung schlechter ausgenützt und mehr Kupfer benötigt. 3.3 Villardschaltung Ein weiteres Beispiel einer Schaltung die nur Dioden und Kondensatoren (passive Bauelemente) benötigt ist die Villardschaltung (Abb. 3.4). Mit ihr können Gleichspannungen V1.0, F. Keplinger 5

10 3 Gleichrichterschaltungen D + C R D Abb. 3.3: Mittelpunktschaltung erzielt werden, die höher sind als die Amplitude der angelegten Wechselspannung. In C + D D U D2 C + R Abb. 3.4: Villardschaltung (Spannungsverdopplungsschaltung): U L 2 Ûsek der ersten negativen Halbwelle von U sek wird der Kondensator C 1 über die Diode D 1 auf den Amplitudenwert von U sek aufgeladen. In der positiven Halbwelle sperrt die Diode D 1 und die Diode D 2 wird leitend. Der Kondensator C 2 wird nun durch die in Serie geschalteten Spannungen Ûsek und U C1 aufgeladen. Da aber während dieses Vorgangs der Kondensator C 1 wieder entladen wird, ist die Spannung an C 2 etwa Ûsek (R L sei hier vernachlässigt). In der zweiten negativen Halbwelle von U sek wird C 1 wieder voll aufgeladen. In den folgenden positiven Halbwellen steigt U L weiter an, bis die Spannung an der Last letztendlich 2 Ûsek erreicht (Abb. 3.5). Das Prinzip dieser Schaltung lässt sich durch Hintereinanderschalten weiterführen (Abb. 3.6). Mit einer solchen n-stufigen Kaskadenschaltung kann dann rund die n- fache Ausgangsspannung erzielt werden. Auch hier ist die Ausgangsspannung keine reine Gleichspannung, vielmehr ist ihr, abhängig von der Größe der Kondensatoren und der Last, eine Brummspannung überlagert. Der direkte Anschluss eines Glättungskondensators an die Last ist nicht möglich, da dieser die Gleichrichterkette überbrücken würde. Weiters muss bei hohen Spannungen durch parallele Widerstände zu den Di- 6 ISAS, TU-Wien

11 3.3 Villardschaltung Abb. 3.5: Spannungsverläufe der Villardschaltung nach dem Einschalten der Sekundärspannung. C + C + C + D D D D D D C + C + C + R Abb. 3.6: Sechsstufige Kaskadenschaltung: U L 6 Ûsek. oden sichergestellt werden, dass sich die Ausgangsspannung gleichmäßig auf die Dioden aufteilt. Anderenfalls würde durch die stark streuenden Sperrschichtwiderstände die Durchbruchspannung an einer Diode überschritten, diese zerstört, wodurch sich die Spannungen an den anderen Dioden erhöht und möglicherweise der gleiche Prozess weitergeht bis die ganze Kette zerstört ist. Die Anwendungen der Villardschaltung liegen in jenen Bereichen, in denen hohe Gleichspannungen bei relativ geringem Laststrom benötigt werden. V1.0, F. Keplinger 7

12 4 Thyristor als Wechselstromschalter Der Thyristor war das erste elektronische Bauelement mit dem auch nennenswerte Leistungen aktiv geschaltet werden konnten. Die Besonderheit dieses Bauelementes ist, dass es sich nur einschalten lässt. Es geht erst dann wieder in den sperrenden Zustand über, wenn der Strom über das Bauelement unter den Haltestrom sinkt und das während einer Zeitdauer, die länger als die Freiwerdezeit sein muss. 4.1 Thyristor an ohmscher Last In der einfachsten Schaltung (Abb. 4.1) wird der zum Zünden des Thyristors T erforderliche Gatestrom i G aus der am Thyristor anliegenden Spannung erzeugt. Je nach Größe des Widerstandes des Potentiometers P wird der minimale Gatestrom früher oder später erreicht und ein kleineres oder größeres Scherzel der Eingangsspannung angeschnitten (Abb. 4.2). Unterschreitet der Strom über den Thyristor den Haltestrom I h so erlischt T P R Abb. 4.1: Thyristor als Wechselstromschalter an einer ohmschen Last. die Stromleitung und der Thyristor wird wieder sperrend. Bei verschwindendem Widerstand P zündet der Thyristor nahezu sofort bei Beginn der positiven Halbwelle und löscht erst nahe dem nächsten Nulldurchgang. Der Stromflusswinkel ist daher rund 180. Wird der Widerstand immer größer gewählt, so wird letztlich der minimale Stromflusswinkel von etwa 90 erreicht (abgesehen von 0 ). 8

13 4.2 Thyristor an induktiver Last Abb. 4.2: Erreicht der Gatestrom i G den für das Zünden erforderlichen Wert von I G,min so wird der Thyristor leitend. Unterschreitet der Laststrom I R den Haltestrom I h so löscht der Thyristor. α... Stromflusswinkel, I h... Haltestrom. Der Gatestrom ist stark vergrößert dargestellt. 4.2 Thyristor an induktiver Last Deutlich anders ist das Verhalten der Schaltung an einer induktiven Last (Abb. 4.3), da die Induktivität als Energiespeicher wirkt. Wird der Thyristor gezündet (erfolgt meist durch einen hinreichend großen Zündimpuls), so beginnt der Laststrom entsprechend di L dt = U L L U sek L (4.1) zu fließen. Der Thyristor bleibt nun solange leitend, bis der relativ kleine Haltestrom T P L Abb. 4.3: Thyristor als Wechselstromschalter an einer induktiven Last. unterschritten wird. Dies tritt durch die Speicherwirkung der Induktivität verzögert ein (Abb. 4.4), der Stromflusswinkel wird damit etwa doppelt so groß wie bei der rein ohmschen Last. V1.0, F. Keplinger 9

14 4 Thyristor als Wechselstromschalter Abb. 4.4: Stromflusswinkel α 1 für höheren Widerstand P als bei α 2. Durch die Speicherwirkung der Induktivität fließt der Laststrom noch weiter, obwohl die Sekundärspannung bereits den Nulldurchgang hatte. 10 ISAS, TU-Wien

15 5 Schaltnetzteile Die im Kapitel 3 behandelten Schaltungen benötigen einen Transformator welcher mit hohem Gewicht und Kosten verbunden ist. Dabei ist die geringe Netzfrequenz Ursache für die Größe (die übertragbare Leistung ist f). In modernen Geräten werden mit Hilfe der Leistungselektronik hohe Frequenzen von khz erzeugt, die eine drastische Verkleinerung des Transformators oder der Induktivitäten zulassen. Diese Entwicklung ermöglichte den Siegeszug von Schaltnetzteilen, sodass sie sich heute z. B. in allen Computern und Geräten der Unterhaltungselektronik finden lassen. Im Folgenden soll an den Beispielen von Gleichstromwandlern die Grundprinzipien der Schaltnetzteile erläutert werden. Allen gemeinsam ist, dass durch einen schnellen Schalter (z. B. MOSFET) kleine Energiemengen der Eingangsseite entnommen und (über einen Zwischenspeicher) der Last zur Verfügung gestellt werden. Durch Variieren des Verhältnisses Einschaltzeit zu Taktzeit kann die transportierte Energie je Takt eingestellt werden. Damit die Last am Ausgang eines solchen Schaltnetzteils nichts von diesem diskontinuierlichen Energietransport sieht, wird noch ein Kondensator zur Glättung verwendet. 5.1 Abwärtswandler Der Abwärtswandler (Abb. 5.1) wandelt eine für die Anwendung zu hohe Gleichspannung am Eingang in eine niedrigere Ausgangsspannung um. Im Prinzip könnte man auch mit einem Vorwiderstand (bei konstantem Laststrom) oder mit einem Längsregler die Lastspannung reduzieren. Dies wäre jedoch mit einem schlechten Wirkungsgrad verbunden und die entstehende Wärme ist auch oft nur sehr umständlich abzuführen. Wird der Transistor eingeschaltet, so liegt an der Diode die Eingangsspannung an und die Spannung an der Induktivität ist U L = U e U a = L di L dt, (5.1) oder anders ausgedrückt di L dt = U e U a. (5.2) L Der Strom durch die Induktivität steigt während dieser Phase linear an. Wird nun der Transistor abgeschaltet, so muss, da der Strom durch die Induktivität stetig ist, der 11

16 5 Schaltnetzteile + nicht lückender Betrieb lückender Betrieb Abb. 5.1: Abwärtswandler mit Spannungen und Strömen im nicht lückenden (i L immer > 0) und im lückenden Betrieb. (Es wurde eine ideale Induktivität ohne ohmschen Widerstand und ohne Sättigungserscheinungen angenommen) Strom über die Diode weiter fließen. Aus der Gleichung der Masche Diode, Induktivität und Last folgt: di L dt = U a L, (5.3) der Strom sinkt wieder. Die Ausgangsspannung U a weist in der Regel nur eine kleine Brummspannung auf und kann daher als konstant angenommen werden. Im stationären Zustand ist der Anstieg des Stromes während t e gleich groß wie der Abfall im Rest der Periode. Aus der Integration der beiden Gleichungen für den Strom i L ergibt sich damit U a U e = T e T = δ, (5.4) wobei δ, das Verhältnis aus Einschaltdauer zu Periodendauer T e /T, als Tastverhältnis bezeichnet wird (0 δ 1). Durch die Wahl dieses Tastverhältnisses lässt sich somit die Ausgangsspannung zwischen Null und etwa der Speisespannung einstellen. Wird das Tastverhältnis so klein, dass durch die Induktivität zeitweilig kein Strom fließt, so liegt der lückende Betrieb vor. 12 ISAS, TU-Wien

17 5.2 Aufwärtswandler 5.2 Aufwärtswandler Ist ein Verbraucher mit einer Gleichspannung zu versorgen, die größer ist als die Eingangsspannung, so kann dazu ein Aufwärtswandler verwendet werden (Abb. 5.2). + Abb. 5.2: Aufwärtswandler. i e und i D sind zur besseren Erkennbarkeit leicht versetzt dargestellt. Ist der Transistor leitend, steigt der Strom in der Induktivität entsprechend di L dt = U e L (5.5) an (gepunktete Linie während T e in Abb. 5.2 rechts). Im eingeschwungenen Zustand, wenn der Kondensator schon aufgeladen ist, wird in dieser Phase der Lastwiderstand vom Kondensator gespeist, die Diode sperrt. Wird der Schalter geöffnet (Transistor sperrt), treibt die Induktivität den Strom über die Diode, lädt den Kondensator wieder auf und versorgt die Last. Aus der Masche Eingangsspannung, Induktivität, Diode und Ausgangsspannung lässt sich das Abklingen des Stromes bestimmen. Vernachlässigt man den Spannungsabfall über die Diode so ergibt sich ab (U a ist größer als U e ). di L dt = U e U a L (5.6) Mit einem analogen Rechenvorgang wie beim Abwärtswandler ergibt sich für die Ausgangsspannung U a = 1 1 δ U e. (5.7) In Abb. 5.2 rechts ist die Ausgangsspannung u a kleiner als u T eingezeichnet, da hier der Spannungsabfall an der Diode, der mit kleiner werdendem Diodenstrom auch etwas V1.0, F. Keplinger 13

18 5 Schaltnetzteile kleiner wird, berücksichtigt ist. In der Masche Eingang, Induktivität, Diode (in Durchlassrichtung) und Ausgang befindet sich kein abschaltbares Element (Transistor), daher ist der Aufwärtswandler nicht kurzschlussfest. 5.3 Inverswandler Die Schaltung in Abb. 5.3 zeigt einen Inverswandler, der die Eingangsspannung u e sowohl hinauf- als auch herabsetzen kann. Da die Ausgangsspannung u a die andere Polarität aufweist, wird diese Schaltung häufig als Inverswandler bezeichnet. + nicht lückender Betrieb lückender Betrieb Abb. 5.3: Inverswandler. (Diese Simulation berücksichtigt auch Schwingungen welche durch Parallelkapazitäten der schaltenden Elemente entstehen können.) Wird der Transistor eingeschaltet, so beginnt durch die Diode ein Strom entsprechend di L dt = U e L (5.8) zu fließen. Die Diode entkoppelt dabei die Last (incl. Glättungskondensator) von der Spannungsquelle. Wird nun der Transistor wieder sperrend, so fließt der Strom über R/C und die Diode weiter. Dabei wird die Energie von der Induktivität and die Last 14 ISAS, TU-Wien

19 5.3 Inverswandler (bzw. Glättungskondensator) abgegeben. Der Strom nimmt mit di L dt = U a L (5.9) ab. Aus Gl erhält man für 0 t T e und aus Gl. 5.9 für T e t T i L (t) = U e L t +... (5.10) i L (t) = U a L t + U e L T e (5.11) Daraus ergibt sich im idealisierten Fall (keine Spannungsabfälle an T und D sowie idealer Diode) u a u e = T e T a. (5.12) V1.0, F. Keplinger 15

20 6 Vorbereitung 6.1 Typische Testfragen 1. Gleichrichterschaltungen und deren Funktionsweise 2. Durch Vergrößern des Glättungskondensators steigt/sinkt die Brummspannung. 3. Wie beeinflusst der Lastwiderstand die Ausgangsspannung bei der Mittelpunktschaltung? 4. Kaskadenschaltung 5. Wie groß ist der Stromflusswinkel in Abb In welchem Bereich lässt sich der Stromflusswinkel in der Schaltung Abb. 4.1 einstellen? 7. Wie groß ist der Stromflusswinkel in Abb In welchem Bereich lässt sich der Stromflusswinkel in der Schaltung Abb. 4.3 einstellen? 9. Einweggleichrichterschaltung u t Abb. 6.1: Zeichnen Sie a) die richtige Polarität des Elektrolytkondensators und b) den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung ein. 16

21 6.1 Typische Testfragen 10. Zweiweggleichrichterschaltung u u t Abb. 6.2: Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung ein. 11. Gleichrichterschaltung Abb. 6.3: Welche Schaltung zeigt eine Vollweggleichrichtung mit der angegebenen Polarität. 12. Diodenspannung 10:1 230 V Abb. 6.4: Für welche Sperrspannung muss die Diode dimensioniert werden, wenn Sie eine Sicherheit von 20% annehmen? 13. Schaltung des Abwärtswandlers 14. Schaltung des Aufwärtswandlers 15. Schaltung des Inverswandlerswandlers V1.0, F. Keplinger 17

22 6 Vorbereitung 6.2 Verständnisfragen 1. Wie groß ist die maximale Spannung U L in der Schaltung Abb. 3.6 für vernachlässigbaren Laststrom (sehr großes R L )? 2. Geben Sie den Strompfad an, wenn in Abb. 3.5 die Spannung U D1 negativ ist. 3. In welchen Abschnitten in Abb. 3.5 leitet die Diode D 2? 4. Warum ist der maximale Wert der Spannung u R in Abb. 4.2 kleiner als Ûsek? 5. Warum ist der maximale Wert der Spannung u L in Abb. 4.4 größer als Ûsek? 6. In Abb. 4.2 besitzt die Ordinate keine Skalierung. Können sie trotzdem den Wert von Ûsek grob bestimmen? 7. Wie groß ist beim Aufwärtswandler die minimale Lastspannung ohne und mit Lastwiderstand? 8. Wie hängt der Ausgangsstrom vom Tastverhältnis und vom Eingangsstrom ab, wenn ideale Bauelemente angenommen werden? 9. Warum ist U T während T e in Abb. 5.3 nicht Null? 18 ISAS, TU-Wien

23 Allgemeines Leistungselektronik Betreuer: Franz Keplinger CA0119, Gusshausstr Tel Ort: CC0225 (wie Übung 2) LU Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik für MB und WIMB Zeit: 13:00 17:00, Mo Fr Alternativen: Skriptum: (incl. Folien) Franz Keplinger 2/19 Ablauf Sicherheitshinweise Eingangstest (siehe Fragen zur Selbstkontrolle: z.b. Verdopplungs-schaltung, Thyristor an induktiver Last, Aufwärtswandler, ) Durchführung der Messaufgaben (2 Studenten pro Gruppe) Benotung: Test + Mitarbeit Protokoll: Vordruck Elkos richtig polen!!! Lastwiderstände werden heiß! Oszilloskop: Die beiden Kanäle besitzen die selbe Bezugsmasse (= Netzerde). Franz Keplinger 3/19 Franz Keplinger 4/19

24 Elektrolytkondensatoren Kondensatoren flüssiger Elektrolyt Carbonsäuren (z.b. Ameisensäure), Zusätze wie Dimethylformamid (giftig) Falsche Polung oder zu hohe Spannung => Elektrolyse => Druck Franz Keplinger 5/19 Franz Keplinger 6/19 Oszilloskop Oszilloskop Franz Keplinger 7/19 Franz Keplinger 8/19

25 Korrekte Messung Diodenkennlinie Tastkopf Abnehmbare Erdung Einstellbare Abschwächung (= Fehlerquelle) Franz Keplinger 9/19 Franz Keplinger 10/19 Nicht ideales Bauteilverhalten Brückenschaltung Diode sperrt beim Umpolen nicht sofort Franz Keplinger 11/19 Franz Keplinger 12/19

26 Spannungsverdopplung Thyristor Franz Keplinger 13/19 Franz Keplinger 14/19 Thyristor als Wechselstromschalter Thyristor als Wechselstromschalter ohmsche Last induktive Last Franz Keplinger 15/19 Franz Keplinger 16/19

27 Schaltneztteil: Abwärtswandler Abwärtswandler Transistor ein Transistor aus Stationär: i = i Franz Keplinger 17/19 Franz Keplinger 18/19 Schaltnetzteil: Aufwärtswandler Franz Keplinger 19/19