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456 Elektronik Das Prinzip der Schaltnetzteile beruht darauf, daß man den arithmetischen Mittelwert der Ausgangsspannung durch periodisches Öffnen und Schließen eines Schalters (Schalttransistor) beeinflußt und durch Variation der Ein- und Ausschaltzeiten die Höhe der Ausgangsspannung einstellt und auch bei Lastwechseln stabilisiert. Je nach Anordnung der Schalttransistoren wird nach Bild XV-32 zwischen Sekundär- und Primär-Schaltnetzteilen unterschieden. L1 N L1 N Sekundär- Schaltnetzteil C L C L Potentialtrennung Primär- Schaltnetzteil Modulator Oszillator Steuer-IC Modulator Oszillator Steuer-IC U Ref U Ref Bild XV-32 Blockschaltbilder vonSekundärund Primär-Schaltnetzteilen R L R L U A U A Beim Sekundär-Schaltnetzteil liegt der Schalttransistor auf der Sekundärseite, beim Primär-Schaltnetzteil auf der Primärseite. Um die Verluste in den Netztransformatoren klein zu halten, wird die Schaltfrequenz in den kHz-Bereich gelegt. So werden Wirkungsgrade von 80% bei stark reduziertem Gewicht, kleinen Bauvolumen und geringer Wärmeentwicklung erreicht. Ein Nachteil der Sekundär-Schaltnetzteile ist, daß ein Standardnetztransformator eingesetzt werden muß. Die Querschnittsfläche, damit das Volumen und somit auch das Gewicht des Eisenkerns hängen aber auch von der Frequenz des Netzes ab. Beim Primär- Schaltnetzteil wird zuerst die Netzspannung gleichgerichtet, dann geschaltet (getaktet) und erst jetzt zur Potentialtrennung auf den Transformator gebracht. Durch die gegenüber der Netzfrequenz wesentlich höhere Taktfrequenz können nun bei gleicher Leistung Transformatoren mit wesentlich kleineren Abmessungen und kleinerem Gewicht verwendet werden. Das Kernmaterial muß allerdings in seinen magnetischen Werten besser sein. Inder Praxis werden primärgetaktete Netzteile wesentlich häufiger verwendet. Als Schalttransistor werden Transistoren benötigt, die für höhere Ströme und Sperrspannungen geeignet sind. SIPMOS-FET, aber auch IBGT kommen hier zunehmend zum Einsatz und ermöglichen Schaltnetzteile (SNT) mit immer höheren Leistungen. Der Steuerblock für den Schalttransistor besteht aus einem PI-Regler mit vorgeschaltetem Soll-Ist-Ver- gleicher, einem Modulator zur Veränderung des Tastverhältnisses und einem Oszillator (Rechteckgenerator) mit konstanter Frequenz. Die Steuerung wird von integrierten Steuerschaltungen (Steuer-IC) übernommen, die es mittlerweile zahlreich auf dem Markt gibt (z.B. TDA 4918, TDA 4919 der Fa. Siemens). U E I E G T D V1 S V2 C I L U A R L Bild XV-33 Sperrwandler mit selbstsperrendem MOS-FET Je nach Verwendungszweck und Aufwand werden entweder Sperr- oder Durchflußwandler in verschiedenen Varianten angewendet. Im Sperrwandler nach Bild XV-33 ist der Schalttransistor V1 ein selbstsperrender MOS-FET. Der Transformator T hat gegensinnige Wickelrichtung auf der Primär- und Sekundärseite. Während der Einschaltdauer t 1 des Transistors V1 wird vom Transformator Energie aufgenommen, die in der Sperrphase t 2 des Transistors V1 an die Sekundärseite abgegeben wird. In der Leitphase des Transistors ist die Diode V2 gesperrt, in der Sperrphase dagegen leitend, sodaß der Kondensator in der Zeit t 2 geladen wird. Mit der Periodendauer T = t 1 + t 2 und dem Tastverhältnis v = t 1 / T erhält man bei einer Transformatorübersetzung ü =1die Ausgangsspannung U A . v Ausgangsspannung U v U A = ⋅ E (XV.3) 1 − Die Ausgangsspanunng ist ausschließlich vom Tastverhältnis abhängig und kann bei schwankender Eingangsspannung konstant gehalten werden. Das Tastverhältnis wird vom Steuer-IC in geeigneter Weise verändert. Der Durchflußwandler nach Bild XV-34 verfügt über einen Transformator T mit gleichem Wicklungssinn auf der Primär- und Sekundärseite und einer zusätzlichen Wicklung,die es ermöglicht,ohne Gleichstrom- U E I E G D V1 S V2 V3 V4 Bild XV-34 Durchflußwandler mit Entmagnetisierungspfad T L C I L R L U A
XV Leistungselektronik 457 stromvormagnetisierung zu arbeiten. Während der Einschaltdauer t 1 des Transistors V1 ist die Diode V3 leitend; und es fließt ein Strom durch die Induktivität L und somit ein Laststrom I L in den Lastwiderstand R L . In der Sperrphase des Transistors V1 ist die Diode V3 dagegen gesperrt, die Diode V4 aber leitend und wirkt hier wie eine Freilaufdiode für die Induktivität, so daß der Kondensator C und die Induktivität in der Zeit t 2 ihre gespeicherte Energie andie Last abgeben. In dieser Zeit wird die im Transformator gespeicherte Energie über die jetzt leitende Diode V2 wieder an dieQuelle zurückgegeben. Ausgangsspannung U A t 1 U = ⋅ T ü E (XV.4) Die Gleichung XV.4 gilt unter der Annahme eines nichtlückenden Betriebes, daß heißt, der Strom durch dieInduktivität L wirdniemals Null. Das Prinzip des Sperrwandlers und des Durchflußwandlers gibt es in zahlreichen Varianten, die aber hier nicht weiter vertieft werden sollen. 4Elektronische Schalter Bild XV-35 Zündung eines Thyristors mit Gleichspannung U S R G R L V1 V2 U N Bei Betrieb der Schaltung nach Bild XV-35 anWechselspannung zündet der Thyristor bei geschlossenem Schalter S kurz nach dem Beginn der positiven Halbwelle der Betriebsspannung durch geeignete Wahl des Gatevorwiderstandes R G .Er löscht wieder, wenn sein Haltestrom kurz vor dem nächsten Nulldurchgang der Wechselspannung zwangsläufig unterschritten wird. Solange S geschlossen ist, fließt in jeder positiven Halbwelle der Spannung U N ein U N V1 T1 R L U L V2 V3 V4 U D V5 V6 R 1 R 3 R 2 Bild XV-36 Einfacher Nullspannungsschalter U St Strom durch den Lastwiderstand. Die Diode V2 unterstützt den Thyristor in Sperrichtung. Ein Phasenanschnittwinkel α =0° entspricht einem einfachen Einschaltvorgang im Nulldurchgang der Versorgungsspannung. Einen „Nullspannungsschalter“ zeigt die Schaltung nach Bild XV-36, wobei der Lastwiderstand R L aufgrund der B2-Gleichrichterbrückenur Gleichstromleistung aufnimmt. Nullspannungsschalter lassen sich schaltungstechnisch mit Ansteuer-ICs (z.B. TCA 785, Siemens) realisieren und vermeiden im Netz die bei Phasenanschnittsteuerungen auftretenden höherfrequenten Oberschwingungen. Gleichspannung kann auch mit einem Thyristor geschaltet werden. Das Problem ergibt sich erst mit dem Löschen des Thyristors. Der Gleichstrom unterschreitet nicht von allein den Haltestrom, wie das bei Wechselstrom im Nulldurchgang der Fall ist. Es existieren zahlreiche „Gleichstromschalter“ mit Thyristoren. Als einfaches Beispiel dient die Schaltung nachBild XV-37. Im Grundzustand sind die Thyristoren V1 und V2 im gesperrten Zustand. Wird der Einschalt-Thyristor V1 gezündet, fließt ein Gleichstrom durch den Lastwiderstand R L und das RC-Glied aus R A und C .Nach einer Zeit 5 ⋅ τ ist der Kondensator auf eine Spannung von ( U N – U T )geladen, und es fließt in diesem Kreis keinStrom mehr. R A V2 C R L V1 U N Bild XV-37 Gleichstromschalter mit Thyristoren für ohmsche Last Wird nun der Ausschalt-Thyristor V2 gezündet, so wird die Anode von V1 für einen Moment auf ein Potential von [ –(U N – U T ) ≈ – U N ] gelegt, so daß der Thyristor V1 gelöscht wird. Der Kondensator C lädt sich über den Lastwiderstand R L sehr schnell um, so daß in diesem Kreis kein Strom mehr fließt. Der Widerstand R A ist so hochohmig zu wählen, daß sein Strom unter dem Haltestrom des Ausschalt-Thyristors V2 liegt und somit von allein löscht. Nun sind die Thyristoren V1 und V2 im gesperrten, also im Grundzustand. Zuverlässig funktioniert diese Schaltung nur bei ohmscher Last. Bei ohmsch-induktiver Last wird der Gleichstromschalter nach Bild XV-38 benutzt. Das
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