8. Flusswandler
Wie der Name
bereits vermuten lässt, wird beim Flusswandler die Energie nicht im
Trafo zwischengespeichert, sondern bereits
während der Flussphase direkt von der Primär- auf die
Sekundärspule übertragen. Das ist das gleiche Prinzip,
wie es bereits von den 50-Hz-Trafos her bekannt ist. Der Flusswandler
hat im Wesentlichen drei Vorteile:
- Auch ohne
Regelung lässt sich eine relativ stabile Ausgangsspannung
erreichen. Wie beim 50-Hz-Trafo wird die Ausgangsspannung durch
Eingangsspannung und Übersetzungsverhältnis des Trafos
bestimmt.
- Der
effektive Spulenstrom ist geringer. Im Idealfall kann der Spulenstrom
während der gesamten Flussphase eines Eintakt-Flusswandlers
konstant bleiben. Dadurch lässt sich die übertragbare
Leistung des Trafos im Vergleich zu Sperrwandlern bei gleicher
Schaltfrequenz etwa verdoppeln.
- Das
Flusswandlerprinzip erlaubt auch einen Gegentaktbetrieb. Dadurch
lässt sich die Flussdauer auf nahezu 100 % der
Schaltfrequenzperiode verdoppeln, was einer nochmaligen
Leistungserhöhung um den Faktor √2 entspricht.
Noch vorteilhafter ist, dass sich das Magnetfeld beim
Gegentakt-Flusswandler in beide Richtungen aufbaut. Dadurch
halbiert sich die Zeit, in der das Feld jeweils aufgebaut wird;
in der ersten Hälfte jeder Flussphase muss sich das jeweilige
Gegenfeld zunächst abbauen. Bei gegebener Schaltfrequenz und
Trafogröße lässt sich dann die Induktionsspannung
im Trafo verdoppeln. Dies entspricht einer Halbierung der
Windungszahl bei doppeltem Drahtquerschnitt, also nur noch ¼
des Innenwiderstand und ¼ der Streuinduktivität. Das
macht noch einmal eine Verdopplung der Leistung und insgesamt eine
Leistungssteigerung gegenüber einem gleichgroßen
Sperrwandlertrafo von 4√2.
Das wäre dann der Extremfall eines ungeregelten Flusswandlers
ohne nennenswerte Totzeit.
8.1 Ungeregelte Eintakt-Flusswandler
Der Eintakt-Flusswandler wird vorwiegend dort eingesetzt, wo mit
minimalem Aufwand potentialfreie Hilfsspannungen erzeugt werden
sollen. Da es sich meistens um kleinere Betriebsspannungen
handelt, ist der Aufbau unkritisch und ein elektronischer
Überlastungsschutz nicht erforderlich.
Bild 8.1a: Fluss- und Sperrphase beim Eintakt-Flusswandler
Die Wandlerphasen in Bild 8.1a sind auf den ersten Blick denen des
Sperrwandlers in Bild 7a sehr ähnlich.
Allerdings arbeiten die beiden Schalter jetzt synchron.
Entweder es fließt ein Strom durch Primär- und Sekundärspule
oder es fließt überhaupt kein Strom im Trafo.
Außerdem ist jetzt zu beachten, dass die Polarität
der Spulen zueinander vertauscht ist.
Genau wie beim Sperrwandler entsteht auch beim Eintakt-Flusswandler
ein unerwünschtes Streufeld, das mit einem geeigneten Dämpfungsglied
primärseitig entsorgt werden muss.
Zusätzlich zum Streufeld muss beim Flusswandler aber noch die
im Kern gespeicherte Energie entsorgt werden.
Durch Vermeidung eines Luftspaltes und Verwendung von hochpermeablen
Werkstoffen (Weicheisen oder Ferrit) kann diese Energie
aber minimiert werden.
Ein Flusswandler kann selbstschwingend oder mit einer Festfrequenz
betrieben werden.
Beim selbstschwingenden Wandler kann das Ende der
Flussphase nicht von der Höhe des Primärstromes gesteuert
werden, da dieser direkt lastabhängig ist.
Bei kleinen Wandlern ist es üblich,
den Trafo einfach in die Sättigung zu fahren.
Da ein Flusswandlertrafo i. d. R. keinen Luftspalt besitzt,
ist dessen Induktivität sehr groß und es fließt bis
kurz vor der Sättigung nur ein geringer Primärstrom.
Der schnelle Stromanstieg führt dann auch zur
Sättigung des Schalttransistors und leitet die Sperrphase ein.
Bild 8.1b: Ungeregelte selbstschwingender Flusswandler für kleine Leistungen
Auf den ersten Blick ist in Bild 8.1b kein Unterschied zu den Sperrwandlern
aus Bild 7.1b zu sehen.
Der wesentliche Unterschied verbirgt sich im Trafo.
Erstens ist die Sekundärspule anders gepolt
und zweitens hat der Trafokern keinen Luftspalt.
Die Spulen können im Prinzip unverändert bleiben.
Im Gegensatz zu den fast baugleichen Sperrwandlern ist bei
diesen Flusswandlern die Ausgangsspannung relativ laststabil,
auch im Leerlauf.
Gleichzeitig erhöht auch eine sekundärseitige
Belastung die primärseitige Leistungsaufnahme.
Der Wandler nimmt auch ohne Regelung nur soviel Leistung auf,
wie er gerade braucht um die Ausgangsspannung aufrecht zu erhalten.
Mit diesen Wandlern lassen sich Ausgangsleistungen um die 8 Watt
und ein Wirkungsgrad von ca. 80 % erreichen.
Auch mit einem MOSFET lässt sich ein selbstschwingender Flusswandler aufbauen.
Dieser ist dann weitgehend identisch mit dem geregelten Sperrwandler
aus Bild 7.2b, wobei die Regelung entfällt.
Bild 8.1c: Selbstschwingender Flusswandler mit MOSFET
Wie man in Bild 8.1c sieht, ist der Wandler sehr einfach aufgebaut.
Eine Zenerdiode begrenzt die Gate-Source-Spannung auf 5,6 Volt,
damit der FET ein einigermaßen definiertes Sättigungsverhalten aufweist.
Wenn der Trafokern am Ende der Flussphase in die Sättigung gerät,
kann daher die Drain-Source-Spannung ansteigen und die
Sperrphase initiiert werden.
Mit diesem Wandler lassen sich rund 80 Watt Ausgangsleistung
bei einem Wirkungsgrad von 70–80 % erzielen.
Natürlich kann man den Eintakt-Flusswandler auch mit einer
festen Frequenz betreiben.
Dazu benötigt man einen Taktgeber, für den sich der NE555 anbietet.
In Bild 8.1d habe ich einen solchen Wandler aufgezeichnet.
Der Taktgeber ist direkt aus Bild 5.1b übernommen
und erzeugt eine symmetrische Rechteckspannung.
Der Wandler arbeitet also mit einem festen Tastverhältnis von ca. 50 %.
Bild 8.1d: Ungeregelter Festfrequenz-Flusswandler für kleine Betriebsspannungen
Mit diesem Wandler können Leistungen bis etwa 100 Watt gewandelt werden,
allerdings würde ich bei Leistungen über 50 Watt einen
Gegentaktwandler aus Kapitel 8.3 empfehlen.
8.2 Geregelte Eintakt-Flusswandler
Um einen Flusswandler regelbar machen zu können,
ist noch eine zusätzliche Speicherdrossel nötig.
Der Aufwand lohnt eigentlich nur bei höheren Leistungen,
z. B. in Schaltnetzteilen.
Bild 8.2a: Fluss- und Sperrphase beim regelbaren Eintakt-Flusswandler
Der regelbare Eintakt-Flusswandler arbeitet ähnlich wie ein
Step-Down-Wandler.
In Bild 8.2a sind die Phasen des Wandlers aufgezeigt.
Während der Flussphase wird die ungeregelte
Sekundärspannung über eine Speicherdrossel auf die
Ausgangsspannung geschaltet.
Da die Sekundärspannung wesentlich höher ist als die Ausgangsspannung,
wird die Drossel dabei „aufgeladen“.
Während der Sperrphase wird die Drossel vom Trafo getrennt
und stattdessen mit dem Minuspol der Ausgangsspannung verbunden,
sodass sie ihre gespeicherte Energie wieder auf den Ausgang geben kann.
Genau wie auch beim Step-Down-Wandler wird dann die Ausgangsspannung
durch das Tastverhältnis und die Höhe der Sekundärspannung bestimmt.
Da man dem Trafo min. 50 % der Periodendauer zum Entmagnetisieren
zugestehen sollte, liegt die obere Grenze der Einschaltdauer
bei 50 %, d.h., die Sekundärspannung muss mindestens
doppelt so groß sein wie die vorgesehene Ausgangsspannung.
Um noch Regelreserven zu haben, sollte man aber mindestens
den Faktor 3 einkalkulieren.
Günstigerweise können die beiden sekundärseitigen Schalter wieder durch
Dioden ersetzt werden, sodass die Steuerung der Ausgangsspannung über
die Einschaltdauer des primärseitigen Schalters möglich ist.
Da geregelte Eintakt-Flusswandler heutzutage nicht mehr so häufig eingesetzt
werden, gibt es dafür auch keine Standard-Steuer-ICs.
Allerdings können ICs für Sperrwandler oder normale PWM-Regler-ICs
eingesetzt werden.
Üblicherweise verwendet man ICs, die bereits eine eingebaute
Pulsbreitenbegrenzung von 50 % haben.
Verwendbar wäre z. B. der UC3844.
Dieser ist nicht so verbreitet wie der 3842, ist aber weitgehend
identisch mit diesem.
Bild 8.2b: Geregeltes Eintakt-Flusswandler-Netzteil
Der 3844 enthält zusätzlich noch ein Flipflop, das bei jedem zweiten
Oszillatortakt das Steuersignal für den Schalttransistor unterdrückt.
Die Schaltfrequenz ist dementsprechend nur die
halbe Oszillatorfrequenz (Pin 4).
Die einfachste Form eines
Eintakt-Flusswandler-Netzteiles habe ich in Bild 8.2b aufgezeichnet.
Damit der 3844 im PWM-Modus arbeiten kann, bekommt er an
Pin 3 eine „künstlich“ erzeugte Rampenspannung,
die dem Oszillator an Pin 4 entnommen und mit dem Emitterfolger T1
hochohmig ausgekoppelt wird.
R4 und R5 teilen die Oszillatorspannung
auf die an Pin 3 übliche Amplitude herunter.
Die Einschaltdauer kann dann zwischen 0 und fast 50 % liegen.
Genau wie der 3842 hat auch der 3844 eine Anlaufschaltung,
die alle internen Funktionen des IC abschaltet, damit sich C7 über
R1 ungestört bis auf die Startspannung von ca. 16 Volt aufladen kann.
Während man Sperrwandler üblicherweise mit
Maximalleistung anfährt, was der 3844 auch tun würde,
sollte man beim Flusswandler etwas vorsichtiger starten, sonst könnte
es z. B. zu Überlastung wegen des noch ungeladenen Siebelkos
auf der Sekundärseite kommen.
Deswegen ist die Schaltung auch mit einem Soft-Starter versehen.
Sobald der 3844 den Betrieb aufnimmt,
liegt an Pin 8 die Referenzspannung von 5 V an.
Da C3 noch ungeladen ist, schaltet T2 durch und schließt den
Steuereingang des ICs Pin 1 gegen Masse kurz.
C3 lädt sich dann über R3 auf,
bis am Ausgang Pin 6 ein immer breiter werdender Impuls entsteht.
Der Softstart darf nicht zu lange dauern,
damit der Wandler zu arbeiten beginnt,
bevor die Spannung an C7 zu weit abgesunken ist,
dass der 3844 wieder abschaltet.
Wenn die Regelung über den Optokoppler einsetzt,
wird die Spannung an Pin 1 und die Impulsbreite wieder geringer.
C3 lädt sich jedoch weiter bis auf 5 Volt auf und hat keinen
Einfluss mehr auf die Regelung.
Da der Primärstrom nicht mehr vom IC überwacht wird,
wurde eine zusätzliche Schutzschaltung eingebaut.
Sobald an R11 eine Spannung von mehr als 0,6 Volt abfällt, was
einem Primärstrom von 6 Ampere entspricht, zündet die
Thyristor-Nachbildung T3/T4, die sofort die Gatespannung von T1 über
D2 kurzschließt. Normalerweise würden T3 und T4 beim
nächsten Gate-Steuerimpuls wieder sperren. Da ein zu hoher
Primärstrom aber auf ein ernstzunehmendes Problem
hindeutet, soll das Netzteil schnell abgeschaltet werden. Über
den Widerstand R8 fließt ein Strom aus der Betriebsspannung
des IC, der T3 und T4 durchgeschaltet lässt, bis C7 entladen ist.
Der Anlaufstrom über R1, der weiterhin fließt,
reicht allerdings nicht aus, T3 und T4 eingeschaltet zu lassen.
Der Haltestrom wird mit R7 so hoch eingestellt,
dass T3 und T4 wieder sperren, sobald C7 entladen ist.
Danach startet ein neuer Anlauf.
Wird R7 höher gewählt, z. B. 1 kOhm, bleibt die Schutzschaltung aktiviert,
bis das Gerät für einige Zeit vom Netz getrennt wurde.
Die Hilfswicklung W3 des Trafos muss so bemessen sein, dass sich im
Normalbetrieb an C7 eine Betriebsspannung von 12–16 Volt einstellt.
Da die Spule in diesem Beispiel nur 3 Windungen hat, ist ein
Feinabgleich u. U. etwas schwierig. In diesem Fall wird die
Windungszahl um eins erhöht und R12 so angepasst, dass die
Spannung wieder stimmt.
Eine Besonderheit ist die Entmagnetisierungsschaltung,
auf die ich wegen ihrer grundsätzlichen Bedeutung
in Kapitel 9 genauer eingehen werde.
Die Besonderheit besteht darin, dass die in
Kern und Streufeld gespeicherte Energie nicht in einem Dämpfungsglied
in Wärme umgesetzt, wird sondern über D3 der
Betriebsspannung zurückgeführt wird.
Ein Aufwand, der sich bei größeren Netzteilen,
insbesondere bei Flusswandlern immer lohnt.
weiter