Kleine DC/DC-Konverter

Transkript

1 Kleine C/C-Konverer Gleichspannungswandler uner der upe Von rof. r.-ing. Marin Oßmann chalnezeile gehören nich unbeding zu den beliebesen chalungen von Hobbyelekronikern. pezialeile sind of schwer zu beschaffen und euer, und Fehler werden mi einem lauen und euren Knall besraf. Beschränk man sich aber auf kleine pannungen und sehr kleine eisungen, gib es ein paar universelle und modifizierbare chalungen, an denen man die wichigsen rinzipien veranschaulichen kann. ie Aufgabe von C/C Wandlern is, eine Gleichspannung in eine andere Gleichspannung umzusezen. abei kann die neue Gleichspannung höher, niedriger, inverier und oder isolier von der Eingangsgleichspannung sein. emensprechend gib es mehrere Konvererprinzipien, von denen wir einige besprechen. ie Grundschalungen sind in Bild 1 zusammengefass dargesell. ie Eingangsspannungen sind mi U in bezeichne, die Ausgangsspannung mi U ou. Allen hier gezeigen chalungen is gemeinsam, dass die wesenliche Funkion von einem chaler, einer iode und einer pule erledig wird. Zuers besprechen wir die einfachse chalung, den so genannen own- oder Buck- Konverer, auch als Tiefsezseller bekann. Er sez eine Eingangs- in eine niedrigere Ausgangsspannung um. ein Arbeisprinzip is wie folg umrissen: Is der chaler geschlossen, lieg an der Indukiviä eine posiive pannung, weil U in > U ou is. eswegen seig der pulensrom linear an. ie pule nimm Energie auf. Öffne man nun den chaler, fließ der rom weier durch die pule in den Ausgangskondensaor, aber über die iode. Jez is die pulenspannung negaiv, so dass der pulensrom a c linear sink. ie in der pule gespeichere Energie wird zum Ausgang ransferier. ann schale man chaler wieder ein, und das piel beginn von vorne. Welche pannung am Ausgang b a b d c d Bild 1. Einige C/C-Wandler: a) Buck, b) Boos, c) BuckBoos, d) Flyback erzeug wird, häng nun davon ab, wie man den chaler anseuer. abei können sich prinzipiell drei Aren des romverlaufes einsellen, wie sie im Bild 2 dargesell sind. Is der pulensrom beim Einschalen ' 64 Elekor 11/2002

2 a coninuous mode CM b disconinuous mode M c CM - M Grenzberieb Bild 2. rinzipielle romformen Funkion des Aufwärs-Konverers (Boos- Converer, Hochsezseller) nach Bild 1b. Is chaler geschlossen, is die pulenspannung gleich der Eingangsspannung und der pulensrom seig linear an. Öffne man nun chaler, so sorg die pule dafür, dass der rom weierfließ, und zwar unabhängig davon, wie hoch die Ausgangsspannung is. er rom fließ dann durch iode. Im saionären Fall is die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung und die pulenspannung negaiv, was wiederum zu linearem inken des pulensroms führ. In dieser hase wird wieder die Energie aus der pule in den Ausgang ransporier. ann schale man wieder ein und das piel wiederhol sich. Um nun aus chalung Bild 3 einen Aufwärswandler zu machen sellen wir ersmal alle Transisoren auf den Kopf, um den chaler nach unen zu bringen, wie das rindes chalers noch nich auf Null abgeklungen, fließ sändig ein pulensrom: Man sprich vom koninuierlichen Berieb (CM Coninous Mode). Is der pulensrom wie in b) zeiweilig null, sprich man vom diskoninuierlichen oder lückenden Berieb (M disconinous mode). äss man den pulensrom genau auf Null sinken und schale dann sofor den chaler wieder ein, sprich man von CM/M Grenzberieb. Über die Einschaldauer beziehungsweise das uls/ausenverhälnis kann man nun Ausgangsspannung und überragene eisung regeln. owei die Theorie, doch nun direk zu einer einfachen prakischen chalung. E-Treiber ie chalung [1] in Bild 3 versorg eine E, ausgehend von einer Beriebsspannung von 9 V mi hohem Wirkungsgrad. ie Baueile wurden von der Originalschalung auf europäische Verhälnisse angepass. Wie funkionier sie nun im eail? Transisor erfüll die Funkion des chalers. iode und pule l bilden die weieren Komponenen des own-konverers. Nach dem Einschalen sorg für einen ersen Basissrom für (da die urchlassspannung von höher als 0,7 V is) und beginn zu leien. ann bekomm aber auch via Basissrom, so dass er leie. ie pannung an unk seig und versorg nun mi viel Basissrom. Am unk liegen nun ewa 9 V, der rom in beginn, anzuseigen. ie romansiegsgeschwindigkei wird dabei von der Indukiviä und der an ihr liegenden pannung besimm. er seigende rom führ zu einem pannungsabfall an. Erreich dieser 0,7 V (bei ewa 70 ma), beginn auch T3 zu leien und zapf den Basissrom von ab. er rom an kann nich weier seigen, deswegen sink die pannung an unk. adurch wird ausgeschale und lezendlich auch. er rom durch fließ nun durch weier, bis er auf null gesunken is. ann seig die pannung an wieder und das piel beginn von Neuem. ie Transisoren sorgen durch die Verschalung als Thyrisor- Terode für die posiive Rückkopplung, die die chwingung erzeug. T3 führ zum Abschalen von beim eingesellen romwer. er Konverer arbeie an der CM/M Grenze. Ein Foo eines Tesaufbaus is in Bild 4 zu sehen. Modifikaionen Will man aus dieser chalung ansa einer E eine andere chalung mi Energie versorgen, schwing die chalung bei vielen asen nich an, weil die Belasung das anfängliche Einschalen von über verhinder. Abhilfe schaff ein Kondensaor (0,1 µf) zwischen unk und der Basis von. Weier is zur Gläung der panung ein Elko (10 µf) am Ausgang anzuschließen. er Konverer arbeie ungeregel und sell eher eine rom- als eine pannungsquelle dar. Für manche einfache Anwendung kann so ewas aber schon ausreichend sein. 5 V auf 12 V Aufwärswandler Kann man mi dem gleichen Konzep auch einen Aufwärswandler realisieren? Zuers zur grundlegenden +9V 10k 100k T3 2x BC µH Bild 3. own-konverer zum E-Berieb Bild 4. Tesaufbau des E-Konverers E 11/2002 Elekor 65

3 zipschalbild nach Bild 1 verlang. Auch die osiion von iode und pule verauschen wir. ie Rückkopplung von nach wird modifizier und siehe da, die in Bild 5 dargeselle chalung funkionier. Mi der Zenerdiode können wir sogar eine Regelung der Ausgangsspannung auf 12 V realisieren. Wird die Ausgangsspannung zu hoch, verschieb sich der Arbeispunk von, so dass kürzer oder zeiweise gar nich eingeschale wird. Bei einem Ausgangssrom von 20 ma sell sich eine Ausgangsspannung von 12,6 V ein. Bei 5 V Eingangsspannung lieg der Eingangssrom dann bei 64 ma. er Wirkungsgrad beräg dami 77 %, gar nich schlech für so eine simple chalung. In Bild 6 is der robeaufbau zu sehen. R4 T3 BC560 47k N2219 Z2 +12V 20mA Geregeler own-konverer Geh es nich noch einfacher, reichen viel- Bild 5. Geregeler 5-nach-12V-Konverer Bild 6. Aufbau des Konverers nach Bild 5 1,2 V auf 5 V Aufwärswandler Auch dieser own-konverer läss sich in einen Up-Konverer verwandeln. as Ergebnis is in Bild 8 zu sehen. Gegenüber der chalung aus Bild 5 ha diese den Voreil, dass ie schon mi 1,2 V Beriebsspannung einwandfrei arbeie. ie Funkion des own-konverers übernehmen wieder Transisor mi pule und iode. ie Regelung wird wieder über die Zenerdiode 4 geseuer, die allerdings diesmal an der Basis von eingreif. In dieser chalung wird aus einer NiCd-Zelle (1,2 V) die Beriebsspannung für ein 5-V-ysem erzeug. ie chalung kann maximal 10 ma bei 5 V liefern, was heue ausreich, um ow-power-mikrocompuer zu bereiben. Manchmal benöig man dann zusäzlich noch ein wenig rom aus einer negaiven Versorgungsspannung, beispielsweise für einen Operaionsversärker oder als C-Bias. iese Funkionaliä wurde der chalung hinzugefüg. Kondensaor C4 mi ioden und 3 bilden einen einfachen adungspumpenkonverer. ieser erzeug ungere- leich sogar zwei Transisoren? Es geh asächlich. Bild 7 zeig einen geregelen own-konverer von 20 V auf 12 V. Er wurde in der ieraur [2,3] beschrieben, lediglich die Baueile sind an europäische Verhälnisse angepass V 470 2N2905 ie zenralen Baueile des own-konverers sind Transisor, iode und pule. Erkennbar is wieder die rückgekoppele pnp/npn Transisor-Kombinaion. In diesem Konverer wird der Transisor nich durch das Erreichen des maximalen pulensroms ausgeschale, sondern geseuer von der RC- Kombinaion /R4. Gleichzeiig sorg die Zenerdiode mi dem Emieranschluss von am Ausgang für die pannungsregelung. er Wirkungsgrad dieses Konverers wird mi bis zu 90 % angegeben. 12V 120µH R4 470µ 220µ 1000µ Bild 7. Geregeler own-konverer mi zwei Transisoren 66 Elekor 11/2002

4 +1V2 C5 BC 560 R4 10n 270µH 200mA BC 550 C4 2x C5V1 10mA 1µ 5V 0mA5 5 V auf ±12 V und mehr Als chalnezeilvariane fehl nur noch der Invers-Wandler, der aus einer posiiven pannung eine negaive mach. as Grundprinzip is in Bild 1 c dargesell. Is der chaler geschlossen, seig der rom in der Indukiviä wieder linear an. Wird der chaler nun geöffne, so fließ der rom durch die pule weier, und zwar naürlich wieder durch die iode. adurch enseh eine negaive Ausgangsspanung. Bei diesem Konverer gib es übrigens einen kleinen Unerschied zu den vorhergehenden: Beim Invers-Wandler finde zu keiner Zei ein direker Energieransfer vom Eingang zum Ausgang sa. a dessen wird die gesame Energie immer ers in der Indukiviä gespeicher.. Im Gegensaz dazu wird beim Buck- und beim Boos-Konverer in besimmen hasen Energie direk vom Eingang zum Ausgang ransporier. er Wer der Ausgangsspannung kann beim Bild 8. Boos-Konverer von 1,2 V auf 5 V gele -5 V bei maximal 0,5 ma. er Wirkungsgrad dieser chalung lieg bei ungefähr 60 %. as is sicher nich berauschend, aber bei einer niedrigen Beriebsspannung fäll jeder pannungsabfall ins Gewich. Fäll an der Kollekor-Emier-recke des chalransisors im leienden Zusand 0,2 V ab, sind bereis 20 rozen der Energie verloren. ie Transisoren müssen kräfig durchgeseuer werden, was einen hohen Basissrom beding. ies reduzier aber wiederum den Wirkungsgrad. 2N2905 Z3 Bild 9. Aufbau des Konverers aus Bild 8 1 : 1 Bild 10. Invers/Flyback-Wandler in Einem a 3 b C4 12V 30mA +12V 30mA Invers-Wandler, je nach Beriebsar, größer oder kleiner als der Wer der Eingangsspannung sein. eshalb bezeichne man diesen Konvereryp auch als Up-own- oder Buck- Boos Konverer wird. er Versuchsaufbau in Bild 10 is in der age, aus einer Eingangsspannung von 5 V eine pannung von -12 Vol zu erzeugen. ie Grundschalung is wieder die gleiche wie in Bild 3 und Bild 7. Isolierende Wandler Als lezes bleib nun noch zu erklären, wie man eine isoliere pannung erzeugen kann. as Grundprinzip is in Bild 1d dargesell. a einer einfachen gpule komm aber eine Indukiviä mi zwei Wicklungen zum Einsaz. eie chaler, seig der pulensrom 11/2002 Elekor 67

5 in der ersen (rimär-) Wicklung linear an, wie beim Inverswandler auch. Es wird Energie in der Indukiviä gespeicher. Nun wird der chaler geöffne, so dass in der rimärwicklung kein weierer rom fließen kann, sondern nur in der ekundärwicklung durch die iode. ie Energie fließ aus der Indukiviä heraus in den Ausgang. iesen Konverer nenn man auch Flyback- oder perrwandler, weil die Energie dann zum Ausgang fließ, wenn der Transisor sperr. ie gesame Energie muss, bevor ie den Ausgang erreich, wie beim Invers-Wandler ers in der Indukiviä gespeicher werden. Ansa von einem Transformaor sprich man deshalb hier of von einer Indukiviä mi zwei Wicklungen. a der Flyback- dem Inverswandler so ähnlich sieh, is kein neues chalbild erforderlich. Wir bringen einfach eine zweie Wicklung auf die pule des Inverswandlers (Wicklungssinn beachen) und erhalen einen zusäzlichen galvanisch gerennen Ausgang. as Windungszahlen-Verhälnis is 1:1, daher sind die beiden Ausgangsspannungen gleich. urch ein anderes Übersezungsverhälnis kann man mi einem Flyback-Wandler auch wesenlich höhere oder niedrigere Ausgaagsspannungen erreichen, ohne ein allzu exremes Tasverhälnis einsezen zu müssen. Im Fall von Bild 10 is übrigens nur der Ausgang des Invers-Wandlers geregel, der zweie (Flyback-) dagegen nich. er Wirkungsgrad dieser chalung lieg auch bei ewa 60 % und mi ihr kann man bequem eine posiive und negaive Versorgungsspannung für Opamps aus einer 5-V-pannung erzeugen. pulen as einzige pezialbaueil in unseren chalungen sind die Indukiviäen. Zu diesen einige Bemerkungen. Im Fachhandel gib es kleine Fesindukiviäen, die aber aufgrund ihres hohen Gleichsromwidersandes für unsere Anwendungen nich geeigne sind. Größere Bauformen mi ensprechender rombelasbarkei kann man allerdings verwenden. Als besonders einfach anzuwenden sellen sich so genanne Trommel-Kerne heraus, wie sie in Bild 11 dargesell sind (urchmesser und Höhe ewa 10 mm). iese finden sich manchmal in alen C-Nezeilen und können umgewickel werden. In unseren Musern fand dafür rah mi 0,2...0,3 mm urchmesser Verwendung. er große ufspal sorg dabei dafür, dass das Kernmaerial nich in äigung gerä. Beim Wickeln der oppel-indukiviä für Flyback-Wandler is auf sehr gue Kopplung zwischen den Bild 11. Trommelkerne für pulen Wicklungen zu achen. In der pule für den Wandler aus Bild 10 wurde dies erreich, indem beide Wicklungen bifilar (quasi mi einem oppeldrah) gewickel wurden. Ausblick Weierbildung Wie wir gesehen haben, kann man auf einfache Weise verschiedense chalnezeile bauen. erarige Billig-Wandler finden übrigens häufig Anwendung in preisweren Elekronikproduken und sellen den chrecken aller ervice-techniker dar, denn wenn irgendwas nich klapp, geh auch gar nichs mehr. as is hal der Nacheil dieser so genannen selbsschwingenden Wandler. (020180)rg Vielleich ha dieser Arikel ja auch bei Ihnen den Appei auf effiziene chalnezeile angereg. chauen ie mal auf die Web-ies und Firmenschrifen der Halbleierherseller: Moorola bzw. ON-emiconducor Texas Insrumens / Unirode inear Technology Maxim Infineon TMicroelecronicfs Inernaional Recifier ieraur hp:// hp:// hp:// hp:// hp:// hp:// hp:// [1] J.. Rohrer, E wiching driver Cus Curren raw o 3 ma, Elecronic esign, Augus 7.h, 2000, age 130 [2] Eugene E. Mayle, ow-cos ep-own Regulaor, Elecronic esign, February 6.h 1995, page 118 [3] rofessionelle chalungsechnik, Band 9, eie 583, Franzis Verlag 68 Elekor 11/2002