Versuch 1: Linear geregeltes Netzteil

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1 Labor Elektronische Schaltungen Prof. Dr. P. Stuwe Dipl.-Ing. A. Hoppe Versuch 1: Linear geregeltes Netzteil Gruppennr... Datum Name:. Name:.. Vortestat Note / Bemerkung Matr.-Nr.:. Matr.-Nr.: Theorie Die Stromversorgung elektronischer Einrichtungen oder Geräte kann z.b. aus dem Netz, aus Batterien bzw. Akkumulatoren oder auch aus Solarzellen erfolgen. Oftmals entspricht die zur Verfügung stehende Spannung (z.b. die 230 V - Netzwechselspannung) nicht derjenigen Spannung, die zur Versorgung eines elektronischen Gerätes erforderlich ist. So ist es die Aufgabe einer Stromversorgung, die zur Verfügung stehende Eingangsspannung in eine gewünschte Ausgangsspannung umzuformen. Handelt es sich bei der zur Verfügung stehenden Spannung um die Netzspannung, so spricht man auch von einem Netzteil. In diesem Versuch wird insbesondere auf diese Art von Netzteilen und ihre Bestandteile eingegangen. Aufgabe eines Netzteiles ist oft, aus einer Netzwechselspannung eine sehr viel niedrigere Gleichspannung zu erzeugen, welche i.a. zur Versorgung elektronischer Schaltungen benötigt wird. Der Anspruch an Stabilität, Einstellbarkeit, Restwelligkeit und Belastbarkeit der Ausgangsspannung bestimmt die Art und die Dimensionierung eines Netzteils. Aufgrund der unterschiedlichen Arbeitsweise unterscheidet man ungeregelte Netzteile, die (klassischen) linear geregelten Netzteile und die Schaltnetzteile. Während bei konstanter Last ein ungeregeltes Netzteil seinen Zweck erfüllen kann, erfordert eine wechselnde Ausgangslast ein stabilisiertes oder geregeltes Netzteil. Abb. 1 : Funktionsblöcke eines Netzteils mit linearer Regelung V NETZTEIL.DOC

2 Das Blockschaltbild eines linear geregelten Netzteiles ist in Abb. 1 dargestellt. Der Netztransformator transformiert die Netzspannung in eine (oder mehrere) niedrigere Ausgangswechselspannung(-en). Nach der Gleichrichtung wird die entstandene pulsierende Spannung geglättet bzw. gesiebt und schließlich einer Stabilisierungs- oder Regelstufe zugeführt. Abb. 2 : Prinzip eines primär getakteten Schaltnetzteils (Schaltregler) Bei einem primär getakteten Schaltnetzteil wird zunächst die Netzspannung gleichgerichtet und geglättet. Diese Spannung wird über einen Transistor mit hoher Frequenz auf die Primärwicklung eines Transformators durchgeschaltet. Das Schalten bei hohen Frequenzen ( khz) erlaubt die Verwendung wesentlich kleinerer Transformatoren. Die transformierte, hochfrequente Sekundärspannung wird abschließend wieder gleichgerichtet und gesiebt. Über das Puls-Pausen-Verhältnis des Schaltsignals lässt sich die Höhe der Ausgangsspannung steuern oder regeln. Abb. 2 zeigt das vereinfachte Blockschaltbild eines primär getakteten Schaltnetzteils. Häufig wird ein solcher Schaltregler auch nach einem Transformator, einer Autobatterie oder einer Solarzelleneinheit eingesetzt, um aus einer schwankenden Eingangsspannung eine stabile Ausgangsspannung zu erzeugen. In diesem Laborversuch soll ein linear geregeltes Netzteil aufgebaut werden, daher geht der theoretische Teil in erster Linie auf die Funktionsblöcke dieser Netzteile ein. 1.1 Kenngrößen des Transformators Die im Zusammenhang mit Netzteilen wichtigen Kenngrößen des Transformators sind neben Nennspannung N und Nennstrom I N sein Verlustfaktor f V sowie sein Innenwiderstand R. Der Verlustfaktor f V ist definiert als Verhältnis von Leerlaufspannung L zu Nennspannung: fv L N 2

3 Die Verlustfaktoren für verschiedene Trafo-Kerne mit primärer Standardwicklung (230 V / 50 Hz) können z.b. einer Tabelle in [1] entnommen werden. Für den Innenwiderstand gilt: R I L N bzw. N I L R ( f I N V. N 1) Für I L = 0 (Leerlauf) gilt dann: R L I N N 1.2 Gleichrichterschaltungen Einweggleichrichter Bei einem Einweggleichrichter wird nur eine Halbwelle der Transformatorspannung genutzt. Der Ladekondensator C wird während der positiven Halbwelle über die Diode auf den Spitzenwert der Eingangsspannung - abzüglich des Spannungsfalls D der Diode - aufgeladen. Wird die Schaltung nicht belastet, so steht am Ausgang die Gleichpannung uˆ 2 an. A0 E D E D Abb. 3 : Einweggleichrichtung Bei Belastung der Schaltung durch R L ergibt sich für die Ausgangsspannung nach [1] folgende R Näherung: A A0 1 R L Die maximale auftretende Sperrspannung an der Diode beträgt: D,Sperr 2uˆ E 2 2 E. Durch das periodische Teilentladen und Nachladen des Kondensators C schwankt die Ausgangsspannung u A (t) periodisch um ihren zeitlichen Mittelwert A herum. Bei Netzteilen von Audiogeräten (z.b. Radios) lässt sich diese Schwankung der Ausgangsgleichspannung als Brummen hören. Daher wird der Wechselanteil dieser Mischspannung auch als Brummspannung Br bezeichnet. Diese in Abhängigkeit von der Last auftretende Brummspannung bei der Netzfrequenz f N lässt sich gemäß [1] näherungsweise folgendermaßen abschätzen: I A R 4 BrSS 1 C f N RL Der Nachteil des Einweggleichrichters ist die hohe Welligkeit schon bei geringer Last und die Gleichstrom-Belastung des Transformators. 3

4 1.2.2 Mittelpunktschaltung Durch Nutzung beider Halbwellen der Transformatorspannung lässt sich eine geringere Welligkeit erzielen. Bei der Mittelpunktschaltung (siehe Abb. 4) ist dafür ein Trafo mit Mittelabgriff oder mit zwei Sekundärwicklungen gleicher Spannung erforderlich. Während der positiven Halbwelle der Spannung AB wird der Kondensator über Diode D 1 auf nahezu u = û AB aufgeladen. Mit der darauf folgenden positiven Halbwelle von CB wird der Kondensator dann über D 2 ebenfalls auf u = û CB geladen. Leerlaufausgangsspannung A0 und maximale Dioden-Sperrspannung D,Sperr ergeben sich wie bei dem Einweggleichrichter. Für die Ausgangsspannung bei anliegender Last gilt näherungsweise: R A A0 1 2R L Die Brummspannung ist mit deutlich geringer als beim Einweggleichrichter: BrSS I A R 1 4 2C f N 2R L Abb. 4 : Zweiweggleichrichter in Mittelpunktschaltung Abb. 5 zeigt eine andere Mittelpunktschaltung. Diese nutzt auch die negativen Halbwellen der Spannungen AB und CB. Sie beeinflusst die erste Schaltung nicht. Mit ihr lassen sich zwei zur Masse symmetrische Ausgangsspannungen erzeugen. Die vier Dioden bilden Brückengleichrichter (Graetz-Schaltung). Abb. 5 : Mittelpunktschaltung für (Masse-)symmetrische Ausgangsspannungen 4

5 1.2.3 Brückengleichrichter Der Brückengleichrichter lässt sich auch bei nur einer Trafospannung und nur einer Ausgangsspannung gemäß Abb. 6 verwenden. Während der positiven Halbwelle leiten D 1 und D 3 und der Kondensator wird auf den Spitzenwert der Transformatorspannung abzüglich dem Spannungsabfall über den beiden Dioden aufgeladen. Bei der negativen Halbwelle wird C über D 1 und D 4 geladen. Die Ausgangsspannung im Leerlauf ist also: A0 uˆ AB 2D 2AB 2D. Ausgangsspannung unter Last A, Abb. 6 : Zweiweggleichrichtung mit Brückengleichrichter maximale Diodensperrspannung D,Sperr und Brummspannung Br,SS ergeben sich wie bei der Mittelpunktschaltung Spannungsvervielfachung Zur einfachen Spannungsverdoppelung eignet sich die in Abb. 7 gezeigte Delon-Schaltung. Sie besteht praktisch aus jeweils einem Einweggleichrichter für jede Halbwelle. Die Gleichrichter sind ausgangsseitig in Reihe geschaltet, so dass sich am Ausgang der Schaltung der doppelte Spitzenwert der Eingangsspannung abgreifen lässt (unbelasteter Ausgang, die Spannungsabfälle über den Dioden werden unter diesem Punkt nicht berücksichtigt). Als nachteilig kann es sich auswirken, dass kein Ausgangspol auf Abb. 7 : Delon-Schaltung Masse liegt und dass keine weitere Vervielfachung der Ausgangsspannung möglich ist. Anders ist dieses bei der Villard- Schaltung in Abb. 8. Während der negativen Halbwelle wird der Kondensator C 1 über D 1 auf den Spitzenwert u der Eingangsspannung aufgeladen. Bei der positiven Halbwelle sperrt D 1 Abb. 8 : Villard-Schaltung und C 2 wird über D 2 auf A 2uˆ D aufgeladen. Dieser Spannungswert entsteht durch Reihenschaltung von C 1 und der Trafowicklung und steht am Ausgang der Schaltung an. 5

6 Durch Kaskadierung mehrerer Villard-Schaltungen lässt sich eine Vervielfachung der Eingangsspannung über den Faktor zwei hinaus erreichen. Eine dementsprechende Schaltung zeigt Abb. 9. Die Schaltung besteht aus n 3 Villard-Schaltungen und erzeugt eine Ausgangsspannung von ˆ A 2 n( u D). Die Schaltung besitzt allerdings einen hohen Innenwiderstand, sodass die Ausgangsspannung nur bei relativ kleinem Ausgangsstrom zur Verfügung steht. Des Weiteren steigt mit der Anzahl der Stufen auch die Zeit, die nach dem Einschalten vergeht bis die Ausgangsspannung den gewünschten Wert erreicht hat. Abb. 9 : Kaskadierte Villard-Schaltung 1.3 Stabilisierung und Regelung Stabilisierung mit Z-Dioden Eine einfache Spannungsstabilisierung lässt sich bereits mit einer Zener-Diode Z 1 gemäß Abb. 10 realisieren. Ausgenutzt wird dabei der Effekt, dass im Bereich der Durchbruchspannung eine große Änderung des Stromes I Z durch die Diode nur eine geringe Änderung der Spannung Z hervorruft (sehr kleiner differentieller Diodenwiderstand im Arbeitspunkt). Die Schaltung muss so dimensioniert sein, dass die Eingangsspannung E abzüglich des Spannungsabfalls am Vorwiderstand R V noch größer als die Zenerspannung der Diode bleibt. Der maximal entnehmbare Ausgangsstrom ist dann: Abb. 10 : Stabilisierung mit Z-Diode E Z IA max RV Zu beachten ist, dass I Ama x bei unbelastetem Ausgang durch die Diode fließt und dabei die Verlustleistung P I umgesetzt wird. VZ Z Amax 6

7 1.3.2 Spannungsstabilisierung mit Längstransistor Abb. 11 : Spannungsregelung mit Längstransistor: (a) A liegt fest, (b) A ist einstellbar In der in Abb. 11 dargestellten Schaltung wird eine mittels Z-Diode Z 1 stabilisierte Referenzspannung Ref erzeugt. Diese Spannung wird an die Basis des in Kollektorschaltung (Emitterfolger) betriebenen Transistors gelegt. Am Ausgang stellt sich eine Spannung A = Ref - BE ein. Verkleinert man R L, so vergrößert sich der Basisstrom I B und damit I C. Die Ausgangsspannung verringert sich durch die etwas größere Basis-Emitter-Spannung BE nur wenig. Es muss allerdings dafür gesorgt werden, dass ein entsprechender Basisstrom fließen kann bzw. dass der Transistor eine ausreichend große Stromverstärkung aufweist. Oftmals finden dabei Darlington-Transistoren Verwendung. Für die im Transistor umgesetzte Verlustleistung gilt: PV ( E A ) IA. Bei einem einstellbaren Netzteil, welches nach diesem Prinzip arbeitet, wird somit bei der kleinsten Ausgangsspannung und maximalem (Nenn-)Strom die größte Verlustleistung im Transistor umgesetzt. Die größte einstellbare Ausgangsspannung beträgt: Amax = REF - BE Spannungsregelung (Längsregelung) Das Prinzip der Spannungsregelung ist die Ansteuerung des Längstransistors über ein Differenzsignal, welches aus dem Vergleich der Ausgangsspannung mit einer internen Referenzspannung hervorgeht. In der in Abb. 12 dargestellten Schaltung findet der Vergleich am Transistor T 2 statt. Sinkt die Ausgangsspannung z.b. durch Verkleinerung des Lastwiderstandes, so verkleinert sich auch die aus der Ausgangsspannung erzeugte Teilspannung ist und damit die Basis-Emitter-Spannung von T 2. Der Transistor wird zugesteuert und aufgrund des kleineren Stromes durch R 2 steigt das Potential an der Basis von T 1. Dieser Transistor wird stärker durchgesteuert und bewirkt eine Erhöhung der Ausgangsspannung bis der Sollwert erreicht ist. 7

8 Abb. 12 : Spannungsregelung mit einstellbarer Ausgangsspg. Eine Erhöhung der Ausgangsspannung z.b. durch Vergrößerung des Lastwiderstandes führt zum entgegengesetzten Effekt. T 2 wird stärker durchgesteuert, der Strom durch R 2 wird größer und das Potential an der Basis von T 1 wird kleiner. Der Transistor wird damit zugesteuert, der Spannungsabfall über der Kollektor- Emitter-Strecke von T 1 wird größer und die Ausgangsspannung sinkt bis auf den eingestellten Sollwert Schutzschaltungen In Abb. 13 sind drei Möglichkeiten der Ausgangsstrombegrenzung dargestellt. Steigt in Version (a) der Spannungsabfall an R 1 über ca. D 0,6 V, so leiten die beiden in Serie geschalteten Dioden und der Basisstrom kann sich nicht mehr wesentlich vergrößern. Der Kollektorstrom wird dadurch auf einen Maximalwert von ca. D /R 1 begrenzt. ngünstig ist bei dieser Variante allerdings, dass der Kurzschlussstrom größer ist als der Nennstrom und somit bei Kurzschluss eine sehr hohe Verlustleistung P V E I K am Transistor umgesetzt wird. Abb. 13 : Verschiedene Realisierungsmöglichkeiten von Ausgangsstrombegrenzungen 8

9 In Version (b) wird die Basis-Emitter-Strecke des Längstransistors T 1 durch einen zusätzlichen Transistor T 2 überbrückt und T 1 zugesteuert, sobald die Spannung an R 1 über 0,6 V ansteigt. Der Kurzschlussstrom ist bei geschickter Dimensionierung kaum größer als der Nennstrom. Mit Schaltung (c) lässt sich erreichen, dass der Kurzschlussstrom kleiner ist als der Nennstrom. Auf diese Weise wird erreicht, dass im Kurzschlussfall ( A 0 V, I A = I Amax ) der Transistor T 1 nicht die vollständige Verlustleistung absorbieren muss. Die Durchbruchspannung der Z-Diode D wird so groß gewählt, dass diese bei Normalbetrieb ( A >> 0 V) nicht überschritten wird. Sinkt dann im Falle eines Kurzschlusses die Spannung am Ausgang stark ab (Masche aus Z, R3 und BE2 von T 2 bis zum kurzgeschlossenen Ausgang) wird T 2 durch den nun zusätzlich durch Z und R 3 fließenden Strom weiter aufgesteuert und so der Ausgangsstrom zusätzlich begrenzt. Diese Begrenzung erfolgt also in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung und führt zur sogenannten fold-back -Kennlinie, also einem abnehmenden Ausgangsstrom bei abnehmender Ausgangsspannung Multifuse-Sicherung m den Trafo sekundärseitig abzusichern, können gewöhnliche Schmelzsicherungen oder auch sogenannte Multifuse-Sicherungen verwendetet werden. Hierbei handelt es sich um nichtlineare Widerstände ( PTC / Kaltleiter ). Durch den Strom im Sekundärkreis erwärmt sich der PTC. Steigt der Strom im Sekundärkreis über einen bestimmten Wert an, so erreicht der PTC eine Temperatur bei der sich sein Widerstand sprunghaft erhöht und der Strom wird dadurch begrenzt. Der große Vorteil liegt in der Wiederverwendbarkeit des Bauteils. Ist es wieder abgekühlt, kann es ohne Eingriff o.ä. sofort weiter verwendet werden. 2 Versuchsdurchführung Bitte beachten: Die Messwerte des Oszilloskops müssen auf einem SB-Stick mit max. 2 GB archiviert werden. Sollten Sie über keinen verfügen, melden Sie sich bitte rechtzeitig! Benötigte Geräte: Aufbau mit Transformator, Gleichrichter und Ladekondensatoren Oszilloskop TDS 2022 B Multimeter M-3860M oder T-803 Widerstandslastdekade Verwendete Bauteile: C L1 = 470 µf, C L2 = 1000 µf, Z 1 : C5V6, T 1 : 2N3055 (montiert auf Kühlkörper), T 2, T 3 : BSX 62 10, R 2 = 4,7 k, R 3 = 2,5 k, R 4 = 1,25 k, R 5 = 1, P = 10 k, D D D : 1N D4 9

10 2.1 Messungen am Trafo / am Trafo mit Gleichrichter und Elko Der Transformatorinnenwiderstand R ist durch Messung der Lastströme I A und der Ausgangsspannungen A bei Belastung mit R L = 10 und R L = 100 (Buchsen am elektronischen Lastwiderstand) zu bestimmen. Schließen Sie anschließend den Brückengleichrichter und C L1 an und stellen Sie durch Verändern des Lastwiderstands R L (passive Widerstandslastdekade) einen Ausgangsstrom von I A = 0,8 A ein (kontrollieren!). Bestimmen Sie mittels Oszilloskop die Brummspannung BrSS. Zusätzlich ist die Höhe der Ausgangsspannung mit einem Digitalmultimeter zu messen. Führen Sie die gleichen Messungen mit C L2 durch. Stellen Sie bei einem Ausgangsstrom von I A = 0,8 A auf dem Oszilloskop die Ausgangsspannung u A (t) und den Ladestrom i C (t), der durch den Gleichrichter fließt, dar. Die Messung erfolgt hinter dem Gleichrichter. Als Messwiderstand für den Strom dient ein 1- Widerstand. Verwenden Sie zunächst C L1 und dann C L2. Drucken Sie jeweils das Schirmbild aus. 2.2 Spannungsstabilisierung mit Längstransistor und Z-Dioden Referenz Vorbereitung: Berechnen Sie den Vorwiderstand R 1 der Z-Dioden-Referenz für einen max. Zenerdiodenstrom von I Zmax = 4,5 ma und CL2 = 18 V (bei Leerlauf am Ausgang). Abb. 14: Schaltung 1 Bauen Sie Schaltung 1 auf. Als Ladekondensator wird im Folgenden C L2 verwendet. Messen Sie die Ausgangsspannung A (spannungsrichtige Messung), die Zenerspannung Z und den Basisstrom I B als Funktion des Ausgangsstroms I A (I A bei allen Versuchsteilen max. 0,8 A). 10

11 Abb. 15: Schaltung 2 Nun wird Transistor T 2 wie in Schaltung 2 zugeschaltet, es entsteht somit ein Darlington- Transistor. Wiederholen Sie die an der vorhergehenden Schaltung durchgeführten Messungen an dieser Schaltung. Wechseln Sie auch hier bei der Messung von I B nicht den Messbereich (MB: 4 ma am M-3860M). 2.3 Spannungsregelung mit einstellbarer Ausgangsspannung Die Schaltung wird nun um die für Regelung und Einstellung der Ausgangsspannung erforderlichen Bauteile erweitert: Regeltransistor T 3 mit Arbeitswiderstand R 2 sowie der einstellbare Spannungsteiler aus R 3 und P (Schaltung 3). Die Funktionen der Ausgangsspannung A f( IA) und der Brummspannung BrSS f( IA ) sowie die Spannung am Ladekondensator CL2 f( I A ) sind für die drei (Leerlauf-) Ausgangsspannungen A1 = 8 V, A2 = 10 V, A3 = 12 V aufzunehmen. Stellen Sie dabei jeweils für den größten Belastungsfall u CL2 (t) und u A (t) auf dem Oszilloskop dar und drucken Sie das Schirmbild aus. Statten Sie abschließend Ihre Schaltung mit einer Strombegrenzung aus (Schaltung 4) und nehmen Sie die Funktion A = f ( I A ) für A0 = 10 V auf. 11

12 Abb. 16: Schaltung 3 Abb. 17: Schaltung 4 Auswertung: Stellen Sie die Funktionen graphisch dar. Berechnen Sie zu Schaltung 1 und 2 jeweils die Stromverstärkung des Längselements und stellen Sie die Funktionen B f( IA ) dar. Vergleichen Sie diese Ergebnisse mit den von Ihnen erwarteten. Diskutieren Sie ggf. vorhandene Abweichungen. Literatur: [1]. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, 12. Aufl., Springer-Verlag