Schaltnetzteile und ihre Peripherie

Transkript

1 Ulrich Schlienz Schaltnetzteile und ihre Peripherie Dimensionierung, Einsatz, EMV 2., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 294 Abbildungen Vieweg Praxiswissen vieweg

2 VII Inhalt 1 Einführung Vorbemerkung Stromversorgungen PFC Power-Factor-Corrector Problemstellung Lösung durch PFC Die Ladungspumpe Schaltungsbeispiele Wirkungsgrad und Ausgangsleistung einer Ladungspumpe Idealisierung 9 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 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 Umschwingkondensator Vorbemerkung Schaltung beim Abwärtswandler 24 3 Der Aufwärtswandler Der Aufwärtswandler mit nicht lückendem Strom Berechnung der Ausgangsspannung Der Eingangsstrom Berechnung des Ausgangsstromes Berechnung der Induktivität L Die Größe der Ausgangskapazität Die Grenze des nicht lückenden Betriebs Der Aufwärtswandler mit lückendem Strom Die Stromverläufe Berechnung der Ausgangsspanung Normierung Die Grenze zum nicht lückenden Betrieb Bidirektionaler Energiefluss 35

3 VIII 4 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 44 5 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 56 6 Der Eintaktflusswandler 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 Normierte Ausgangsgrößen Die Grenze des lückenden Betriebs Die Ausgangsdiagramme 64 7 Der Gegentaktflusswandler Schaltung und Kurvenverläufe Die Ausgangsspannung Ansteuerung des Gegentaktwandlers Brücken Primärseite Sekundärseite Sperrverzugszeit von Dioden Problemstellung Messschaltung Abhilfe 74

4 IX 8 Resonanzwandler Die Boucherot-Schaltung Beziehungen Ansteuerung mit Rechteckspannung Berechnung der dritten Oberwelle Realisierung der Rechteckspannung Ein Ausfuhrungsbeispiel: 12V-Vorschaltgerät für Energiesparlampe Gegentaktwandler mit Umschwingen des Drosselstromes Grundschaltung Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Schaltzeiten Ausgangskennlinie Periodendauer in Abhängigkeit der Ausgangsspannung Umschwingbedingung 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 der Drossel Zusammenfassung 98 9 Leistungsschalter Der MOSFET Das Schaltzeichen des MOSFET Die Body-Diode Das Ersatzschaltbild des MOSFET Einschaltvorgang Ausschaltvorgang Die Gate-Ladung des MOSFET Die Avalanchefestigkeit DerSenseFET Der TOPFET Der IGBT Das Schaltzeichen des IGBTs Das Ersatzschaltbild des IGBTs Schaltverhalten Weitere Leistungsschalter Schaltverluste Abschaltvorgang mit ohmscher Last Abschaltvorgang mit induktiver Last Abschaltvorgang ohne Schaltverluste Verbesserte Freilaufdiode Verpolschutzdiode (Kfz.) 112

5 10 Treiberschaltungen für MOSFETs und IGBTs Einfache Treiberschaltungen Ansteuerung mit CMOS-Gattern Treiber mit Push-Pull-Stufe Aktives Abschaltnetzwerk am Gate Treiber-ICs Treiberschaltungen mit Potenzialtrennung Treiberschaltung mit einstellbaren Schaltzeiten Treiber mit Impulsübertrager Primäransteuerung des Impulsübertragers Dimensionierung des Impulsübertragers Potenzialfreie 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 Analoger PI-Regler PI-Regler mit OP-Schaltung Passiver PI-Regler Einsatz von integrierten Schaltreglern Verwendung von MikroControllern DA-Wandler Programmierter PWM-Generator Programmierung eines PI-Reglers Tipps rund um den Prozessor 152

6 12 Magnetische Bauelemente Grundlagen des magnetischen Kreises Die Luftspule Der magnetische Kreis mit Ferrit Dimensionierung von Spulen Vorbemerkung Aussteuerung des magnetischen Kreises Bestimmung des A L -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 Dimensionierung von Wicklungen Die Primärwicklung Skin-Effekt Folienwicklung Der Wicklungsaufbau Luftstrecken und Überschlagsfestigkeit 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 183 XI 13 Kondensatoren für die Leistungselektronik Grundsätzliches Elektrolytkondensatoren Verlustfaktor von Elektrolytkondensatoren Resonanzfrequenz von Elektrolytkondensatoren Wechselstrombelastbarkeit von Elektrolytkondensatoren Folienkondensatoren 189

7 XII 14 Die Kopplungsarten Allgemeines Verkopplungen erkennen Die Widerstandskopplung Prinzip der Widerstandskopplung Abhilfemaßnahmen Beispiele Widerstandsberechnung Die kapazitive Kopplung Prinzip der kapazitiven Kopplung Vermeidung und Abhilfemaßnahmen Einfacher Nachweis elektrischer Felder im Labor Die magnetische Kopplung Prinzipdarstellung der magnetischen Kopplung Abhilfemaßnahmen bei magnetischer Kopplung Beispiele Einfaches Messen von magnetischen Störungen im Labor Strahlungskopplung Allgemeines Prinzip der Strahlungskopplung Abhilfemaßnahmen Messung am Kraftfahrzeug Störquellen Zeitbereich - Frequenzbereich Bandbreite Störempfindlichkeit Messprinzip Fourierreihen Der Rechteckimpuls Der Trapezverlauf Störungen in einem konventionellen Netzteil Symmetrie Prinzip der Symmetrie Wie erreichen wir Symmetrie? Definition der Masse Einfluss von leitenden Flächen Verdrillte Leitungen Symmetrische Datenübertragung Prinzip Eigenschaften Grenzendes Verfahrens Symmetrierung mittels Trafo Beispiele 237

8 17 EMV in der Schaltungstechnik 238 XIII 17.1 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 Digitalschaltungen mit Schmitttrigger-Verhalten Flipflop als Schnittstelle Anschluss an AD-Wandler Überspannungsschutz Schutzelemente Prüfschaltung Blitzeinschlag in unmittelbarere Nähe EMV-gerechte Eingangsschaltung Tipps für den Aufbau Maßnahmen in der Software Nichtbeschaltete Interrupteingänge Illegale OP-Codes Watchdogs Plausibilitätsabfragen 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 259 Literaturverzeichnis 260 Sachwortverzeichnis 262