6.3 Inverswandler mit Speicherdrosseln
Wie der Name schon vermuten lässt, werden Inverswandler eingesetzt,
um Spannungen umgekehrter Polarität zu erzeugen.
Da im Normalfall immer eine positive Spannung vorhanden ist,
dienen sie meistens der Erzeugung einer negativen Spannung.
Die Funktionsweise ist im Prinzip wieder identisch
mit dem Step-Down-Wandler.
Die Masse der Eingangsspannung liegt jedoch dort,
wo beim Step-Down-Wandler der Ausgang war
und die (negative) Ausgangsspannung wird dort abgenommen,
wo vorher die Masse war.
In Bild 6.3a ist die Funktionsweise des Inverswandler (unten)
im Vergleich zum Step-Down-Wandler (oben) zu sehen.
Wie Sie sehen, habe ich beim Inverswandler
nur die Ein- und Ausgänge etwas vertauscht
sowie die Stromrichtungen angepasst;
sonst habe ich nichts geändert.
Bild 6.3a: Vom Step-Down-Wandler (oben) zum Inverswandler (unten)
Trotz der offensichtlichen Ähnlichkeit zum Step-Down-Wandler
gibt es bei der technischen Realisierung einen wesentlichen Unterschied:
Die Masse der Eingangsspannung liegt jetzt direkt an der Speicherdrossel.
Das bedeutet zunächst, dass die Ausgangsspannung, da sie negativ ist,
nicht auf den invertierenden, sondern auf den nichtinvertierenden
Eingang des Regelverstärkers zurückgekoppelt werden muss.
Das setzt voraus, das dieser Eingang zugänglich ist,
wie das z. B. beim SG3524 der Fall ist.
Eine einfachere Lösung dieses Problems bekommt man,
wenn man die Masse des gesamten Wandlers
auf die negative Ausgangsspannung legt.
Das setzt aber voraus, dass der Wandler bei Spannungen
von etwa Ue sicher anläuft
und die Gesamtspannung von Ue - (-Ua) noch verträgt.
Der mögliche Spannungsbereich ist dadurch eingeschränkt.
Ein weiterer Unterschied besteht darin,
dass die Ausgangsspannung bei eingeschaltetem Schalttransistor
nicht ansteigt.
Einfache „Geradeausregler“ wie in Bild 6.1c
beschrieben würden daher nicht stabil funktionieren.
Auch bei der maximalen Ausgangsleistung gibt es einen Unterschied.
Im Gegensatz zu Step-Up- und Step-Down-Wandlern
muss beim Inverswandler die gesamte Leistung
über die Speicherdrossel übertragen werden.
Bei gleicher Dimensionierung der Bauteile ist deshalb die
erzielbare Ausgangsleistung des Inverswandlers immer geringer.
Die einfachste Reglerschaltung lässt sich wieder mit einem LM2576
realisieren.
Bild 6.3b: Inverswandler mit Step-Down-Reglern
Die Schaltung ist praktisch identisch mit der aus Bild 6.1b.
Die gemeinsame Masse für Ein- und Ausgangsspannung wurde einfach
nur auf den ursprünglichen Ausgang umgelegt.
Die minimale Eingangsspannung beträgt 7 Volt.
Die Potentialdifferenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung
darf maximal 40 Volt betragen.
Die Ausgangsspannung bei den einstellbaren Versionen berechnet sich zu
Ua = −1,23 V (1 + R2/R1).
Auch mit dem MC34063 kann man einen einfachen Inverswandler aufbauen:
Bild 6.3c: Inverswandler mit dem MC34063
Die Schaltung in Bild 6.3c arbeitet ab ca. 4 Volt.
Die maximal zulässige Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung beträgt 40 Volt.
Dasselbe würde auch für die mit dem SG3524 aufgebauten
Wandler aus Bild 6.1d/e gelten.
Der SG3524 hat aber beide Eingänge des Regelverstärkers herausgeführt.
Beim Einsatz des SG3524 ist es deshalb sehr sinnvoll, diesen Vorteil
zu nutzen, um ihn direkt an der Eingangsspannung betreiben zu können.
Die negative Ausgangsspannung darf dann beliebig groß werden.
Mit dem SG3524 lässt sich eine hochwertige Regelschaltung aufbauen.
Bei der Schaltung aus Bild 6.1e
sind dazu nur wenige Änderungen nötig.
Bild 6.3d: Inverswandler mit dem SG3524 für mittlere oder hohe Ausgangsströme
Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass die Eingänge des
Regelverstärkers (Pins 1 und 2) vertauscht wurden.
Dadurch kann der SG3524 auch direkt die negative Ausgangsspannung regeln.
In Verbindung mit dem externen Schalttransistor ist es so möglich,
die IC-Masse mit der gemeinsamen Masse von Ein- und
Ausgangsspannung zu verbinden.
Da die Drossel jetzt mit einem Anschluss direkt an Masse liegt,
kann der Strommesswiderstand an dieser Stelle eingefügt werden.
Das hat den Vorteil, dass Ein-
und Ausgangsmasse direkt miteinander verbunden werden können.
Sollen Eingangsspannungen über 35 Volt gewandelt werden,
kann einfach die Ausgangsstufe aus Bild 6.1g überommen werden.
Eine interessante Variante wäre vielleicht noch
die Kombination der Potentialtrennung aus Bild 6.1g mit der
P-Kanal-MOSFET-Ansteuerung aus Bild 6.3e.
Ggf. muss auch R4 und R5 vergrößert werden,
damit die Verlustleistung in T3 nicht übermäßig groß wird.
Bild 6.3e: Inverswandler für hohe Eingangsspannungen und/oder Ströme
Der Stützkondensator C5 muss bei dieser
Schaltung möglichst dicht an den Source-Pin des MOSFETs und
die Anode von D1 angeschlossen werden.
Wenn dann noch D1 direkt neben T1 platziert wird,
sind die kritischen Punkte weitgehend entschärft.
Wenn nun statt des SG3524 ein TL494 eingesetzt werden soll,
ist das auch kein Problem, wenn keine Strombegrenzung benötigt wird.
Die Schaltung ist auch dann wieder sehr ähnlich.
In Bild 6.3f ist das Pendant zu 6.3e mit TL494 zu sehen.
Eine separate Betriebsspannung für den TL494 ist hier allerdings nicht
eingezeichnet.
Die muss natürlich wieder erzeugt werden,
wenn die Eingangsspannung über 35 Volt beträgt.
Bild 6.3f: Inverswandler mit TL494
Bei Betriebsspannungen unter 20 Volt kann wieder das RC-Glied R5/C5
entfallen und überbrückt werden.
Bei Betriebsspannungen unter 35 Volt kann auch T3 enfallen und die Basis
von T1 direkt mit dem IC (Pin 8 u. 11) verbunden werden.
Bei höheren Eingangsspannungen muss dagegen das IC mit einer separaten
Spannungsversorgung von ca. 15 Volt ausgestattet werden,
wobei C5 und R5 natürlich wieder entfällt.
Wenn man von gut beschaffbaren P-Kanal-MOSFETs bis 200 Volt Sperrspannung ausgeht,
können beide Versionen aus Bild 6.3e/f für eine
Differenzspannung zwischen Ein- und Ausgang bis etwa 180 Volt
ausgelegt werden.
Soll die Spannungsdifferenz noch größer
oder die Leistung sehr hoch werden, empfehle ich die Verwendung von
N-Kanal-MOSFETs oder IGBTs.
Da hier die Gate-Steuer-ICs wegen des
negativen Gate-Potentials nicht geeignet sind, bietet sich zur
Ansteuerung z. B. die Trafoansteuerung aus Bild 5.1b an.
Um den Trafo ansteuern zu können, muss der TL494 noch mit
einem Ausgangstreiber-Transistor versehen werden.
Wie man einen SG3524 entsprechend beschaltet,
ist in Bild 6.1i zu sehen.
6.4 SEPIC-Konverter
Ein etwas exotischerer Wandler, der sich nicht eindeutig in die Gruppe der
bisher behandelten Schaltregler einordnen lässt, ist der
SEPIC-Konverter (Single Ended Primary Inductance).
Er ist eine Art Kombination aus Step-Down- und Step-Up-Wandler.
Der Vorteil des SEPIC-Konverters besteht darin, dass die Höhe der
Ausgangsspannung unabhängig von der Eingangsspannung ist.
Das ist ganz praktisch, wenn nicht von vornherein feststeht, ob die
Eingangsspannung größer oder kleiner als die Ausgangsspannung ist.
Ein weiterer Vorteil ist die Gleichspannungsentkopplung
zwischen Ein- und Ausgang.
Während beim Step-Down-Wandler die Spannung am Ausgang
nie größer und beim Step-Up-Wandler nie kleiner werden
darf als am Eingang, sind Ein- und Ausgang des SEPIC-Konverters beim
Abschalten des Schalttransistors voneinander entkoppelt.
In Bild 6.4a ist die Grundschaltung des SEPIC-Konverters zu sehen.
Bild 6.4a: Der SEPIC-Konverter
Der Aufbau des SEPIC-Konverters ist dem Step-Up-Wandler ähnlich.
Vor der Diode befindet sich jedoch ein Koppelkondensator Ck,
der den Gleichspannungsanteil von Ue auskoppelt.
Da über die Diode nur ein Gleichstrom fließen kann,
würde sich Ck schnell aufladen und es würde kein weiterer Strom fließen.
Die Spule L2 sorgt dafür, dass der mittlere
Gleichspannungspegel hinter Ck immer etwa auf null Volt bleibt.
Die Diode richtet den positiven Anteil der Spulenspannung gleich,
der dann am Elko CS zur Verfügung steht.
Je nach Tastverhältnis der Rechteckspannung kann dieser Anteil
fast null oder auch beliebig hoch werden.
Im Grunde genommen könnten sich die beiden Spulen auch auf dem gleichen
Spulenkörper befinden.
Der Koppelkondensator Ck ersetzt nur die magnetische Kopplung
zwischen den Spulen.
Wären also L1 und L2 die Spulen eines Übertragers
mit dem Übersetzungsverhältnis 1:1,
könnte man theoretisch auf Ck verzichten.
Wenn man davon absieht, dass man dann schon einen Sperrwandler hätte,
kann man auf Ck auch dann nicht ganz verzichten.
Da die Kopplung zwischen den Spulen nicht ideal ist
(Stichwort Streuinduktivität), würde beim Abschalten des
Schalters an L1 kurzzeitig eine sehr hohe Spannung induziert
werden und diesen u. U. zerstören.
Auf diese Problematik werde ich aber noch in den folgenden
Kapiteln bei den Sperr- und Flusswandlern näher eingehen.
Eine magnetische Kopplung der Spulen hat aber auf jeden Fall
den Vorteil, dass nur ein kleiner Teil
der Gesamtleistung über Ck übertragen werden muss und
dieser wesentlich kleiner sein kann.
Da der Schalter auf Masse liegt, ist der elektronische Teil des
SEPIC-Konverters mit dem eines Step-Up-Wandlers identisch.
Es können demnach die Schaltungen aus Kapitel 6.2
direkt übernommen werden.
Als einfaches Beispiel möchte ich eine Schaltung mit dem LM2577 zeigen.
Bild 6.4b: SEPIC-Konverter mit LM2577
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