Zwei Übersichtsschaltbilder des quasi resonanten Tiefsetzstellers mit Nullspannungsschalter sind in Bild 1-A4 und in Bild 2-A4 auf Blatt 2 zu sehen.

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1 Institut für Leistungselektronik und Elektrische Antriebe Prof. Dr.-Ing. J. Roth-Stielow Aufgabe 4 Zur Spannungsversorgung eines Mikroprozessors wird ein quasi resonanter Tiefsetzsteller eingesetzt. Um möglichst Bauteile mit einer geringen Baugröße im Tiefsetzsteller einsetzen zu können, wird eine sehr hohe Schaltfrequenz für das schaltbare Ventil gewählt. Damit dieses Ventil dabei nicht zu hohe Schaltverluste aufweist, soll das eingesetzte Ventil im Spannungsnulldurchgang ein- bzw. ausgeschaltet werden. Zur Realisierung der geforderten Schaltentlastung wird der Tiefsetzsteller mit einem Serienresonanzkreis, bestehend aus einem Resonanzkondensator C r und einer Resonanzdrossel L r erweitert. Der Resonanzkondensator wird dabei parallel zum schaltbaren Ventil V T eingebaut. Der Tiefsetzsteller wird aus einer idealen Gleichspannungsquelle mit Energie versorgt. Der an den Tiefsetzsteller angeschlossene Verbraucher besteht aus einem Filterkondensator C f und einem Ohm'schen Widerstand R v. Vereinfacht kann dieser Verbraucher zusammen mit der Induktivität L t des Tiefsetzstellers auch als Stromquelle mit einem konstanten Gleichstrom I v dargestellt werden. Zwei Übersichtsschaltbilder des quasi resonanten Tiefsetzstellers mit Nullspannungsschalter sind in Bild 1-A4 und in Bild 2-A4 auf Blatt 2 zu sehen. Bei der Bearbeitung aller Teilaufgaben ist von folgenden vereinfachenden Voraussetzungen auszugehen: Alle Berechnungen werden für den elektrisch eingeschwungenen Zustand durchgeführt. Die Spannungsquelle kann als konstante Gleichspannungsquelle mit der Spannung U 0 angenommen werden. Die im Tiefsetzsteller eingesetzte Resonanzkapazität C r und die eingesetzte Resonanzinduktivität L r verhalten sich wie die entsprechenden idealen Bauelemente. Das im Tiefsetzsteller eingesetzte Ventil V T, sowie die eingesetzte Diode D f und die eingesetzte Induktivität L t, verhalten sich wie die entsprechenden idealen Bauelemente. Für die Induktivität L t und die Resonanzinduktivität L r gilt: L t >> L r. Für die Berechnung des Resonanzkreises darf der Einfluss der im Tiefsetzsteller eingesetzten Induktivität L t vernachlässigt werden. Blatt 1

2 Daten des Tiefsetzstellers: Konstante Versorgungsspannung U 0 = 5 V Schaltfrequenz des Ventils V T f s = 1 MHz Konstanter Verbraucherstrom I v = 10 A Daten des Resonanzkreises: Resonanzkapazität C r = 200 nf Resonanzinduktivität L r = 62,1 nh Anfangsbedingungen zum Zeitpunkt t = 0 des Resonanzkreises: Strom durch die Resonanzinduktivität i Lr (t = 0) = I v Spannung der Resonanzkapazität u Cr (t = 0) = 0 V Bild 1-A4 Bild 2-A4 Blatt 2

3 Teilaufgaben: 4.1 Beschreiben Sie die prinzipielle Funktion des quasi resonanten Tiefsetzstellers anhand der Bilder 3-A4 bis 6-A4. Teilen Sie dazu eine Periode T s in vier geeignete Zeitintervalle mit den Zeitdauern T 1 bis T 4 auf. Hinweise: Zu Beginn des Zeitintervalls 1 wird das Ventil V T ausgeschaltet. Das Ventil V T soll nur im geeigneten Spannungsnulldurchgang von u Cr (t) wieder eingeschalten werden. 4.2 Berechnen Sie die Resonanzfrequenz f r, sowie die charakteristische Impedanz Z r des eingesetzten Resonanzkreises. 4.3 Berechnen Sie die Zeitdauer T 1 bis T 4 aller vier Zeitintervalle einer Periode T s, sowie den zeitlichen Verlauf der Kondensatorspannung u Cr (t) und des Drosselstromes i Lr (t) während dieser Zeitintervalle. 4.4 Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf des Drosselstromes i Lr (t) und der Kondensatorspannung u Cr (t) in das zu dieser Teilaufgabe vorbereitete Lösungsblatt 3 auf Blatt 6 ein. 4.5 Berechnen Sie den zeitlichen Verlauf des Diodenstromes i Df (t) für eine Periode T s. Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf von i Df (t) in das zu dieser Teilaufgabe vorbereitete Lösungsblatt 3 auf Blatt 6 ein. 4.6 Berechnen Sie die sich ergebende mittlere Ausgangsspannung U v des quasiresonanten Tiefsetzstellers für eine Periode T s. Blatt 3

4 Lösungsblatt 1 zu Teilaufgabe 4.1: Bild 3-A4 Bild 4-A4 Blatt 4

5 Lösungsblatt 2 zu Teilaufgabe 4.1: Bild 5-A4 Bild 6-A4 Blatt 5

6 Lösungsblatt 3 zu den Teilaufgaben 4.4 und 4.5 Bild 7-A4 Blatt 6