7.4 Geregelte Sperrwandler mit indirekter Stromüberwachung
Wenn die Betriebsspannung des Wandlers und die Induktivität der
Primärspule bekannt sind, ist es nicht unbedingt notwendig,
den Strom direkt zu messen.
Mit der Formel dI/dt = Ue/L
lässt sich Geschwindigkeit des Stromanstieges berechnen.
Da Ue
während der Flussphase konstant ist, lässt sich der
Maximalstrom einfach durch Multiplikation mit der Einschaltdauer te
berechnen:
Imax = te Ue/L.
Letztendlich wird einfach nur die Dauer der Flussphase begrenzt.
Mit der Einschaltdauer lässt sich dann die Energiezufuhr von
0 – 100 % steuern.
Um einen optimalen Wirkungsgrad erreichen zu können, ist es
sinnvoll, dass die Flussphase erst beginnen kann, wenn die im Trafo
gespeicherte Energie vollständig aufgebraucht ist.
Der Schalttransistor schaltet dann erst ein, wenn die
sekundärseitigen Gleichrichterdioden vollständig gesperrt sind.
Sofern dort keine Schottky-Gleichrichter
verwendet werden, bedeutet ein vorzeitiges Einschalten bei noch
leitender Gleichrichterdiode erhebliche Schaltverluste.
Ein Wiedereinschalten des Transistors nach vollständigen Abklingen des
Spulenstromes erreicht man entweder dadurch,
dass der Wandler selbstschwingend ist und
am Ende der Sperrphase, wenn die Spannung am Trafo zusammenbricht,
automatisch die nächste Flussphase gestartet wird oder,
indem der Wandler im PWM-Modus mit Festfrequenz arbeitet, wobei die
Schaltfrequenz so niedrig gewählt wird, dass sich der regulären
Sperrphase auch bei Volllast immer noch eine Totzeit anschließt.
Für die erste Variante gab es von Siemens ein weit verbreitetes
IC zur Ansteuerung von bipolaren Transistoren, den TDA4601.
Dieses IC ist jedoch schon veraltet, und ich möchte daher nur auf den
Nachfolgetyp TDA4605 eingehen.
Der TDA4605 hat einen Ausgangstreiber, mit dem man MOSFETs oder IGBTs direkt
ansteuern kann.
Trotz der starken Konkurrenz des 3842 ist auch der
TDA4605 in vielen Netzteilen zu finden.
In Bild 7.4a ist wieder die einfache Version eines Sperrwandlers
mit primärseitiger Spannungsregelung zu sehen.
Genau wie der 3842 hat auch der TDA4605 einen Unterspannungssensor,
der alle internen Funktionen abschaltet, solange die minimale
Betriebsspannung noch nicht erreicht ist.
So kann sich C4 über den Anlaufwiderstand R1 zunächst ungehindert aufladen.
Ist die minimale Betriebsspannung von ca. 12 Volt an Pin 6
erreicht, schaltet das IC alle Funktionen ein.
Außerdem wird intern ein Startimpuls erzeugt, der den Treiberausgang Pin 5 und
damit T1 einschaltet.
Gleichzeitig wird der vom IC intern kurzgeschlossene
Kondensator C2 zum Laden freigegeben.
Über R2, der direkt mit der Eingangsspannung von in diesem Beispiel 300
Volt verbunden ist, wird C2 nun mit einem nahezu konstanten
Strom von ca. 1 mA aufgeladen.
Da die Spannung an C2 maximal ca. 2 Volt erreichen kann,
ist der Spannungsanstieg nahezu linear,
obwohl es sich um ein einfaches RC-Glied handelt.
Der Ladestrom in R2 und damit auch die Anstiegsgeschwindigkeit
der Spannung an C2 ist außerdem noch proportional zur Eingangsspannung.
Dies bedeutet, dass die Spannung an C2 direkt proportional zum Strom in der
Primärspule ist.
Deshalb wird dieser Schaltungsteil auch Kollektor- bzw. Drainstromnachbildung
oder englisch Primary Current Simulation genannt.
Die Spannung an Pin 2 wird intern mit der Ausgangsspannung des
Regelverstärkers verglichen und ein Komparator schaltet den
Treiberausgang Pin 5 ab, sobald diese überschritten wurde.
Damit kann der Regelverstärker indirekt den Strom steuern,
bei dem der Transistor abschaltet.
Bild 7.4a: Sperrwandler mit TDA4605 und primärseitiger Regelung
Nach Beginn
der Sperrphase wird C2 wieder entladen und bleibt bis zum Beginn der
nächsten Flussphase kurzgeschlossen. Während der Sperrphase
wird die Energie im Trafo wie üblich über D3 auf C6
übertragen. Am Ende der Sperrphase, wenn die Energie im Trafo
vollständig aufgebraucht ist, bricht die Induktionsspannung
zusammen. Ein Nullspannungsdetektor,
dessen
Eingang an Pin 8 des TDA4605 liegt, überwacht die
Induktionsspannung des Trafos und erkennt am Nulldurchgang der
Induktionsspannung das Ende der Sperrphase. Der Nulldurchgang der
Trafospannung ist dann für den TDA4605 das Startsignal für
die nächste Flussphase. Es stellt sich dann eine Taktfrequenz
ein, deren Periodendauer sich aus der Summe der Dauer von Fluss- und
Sperrphase ergibt. Zusätzlich fügt der TDA4605 bei
geringer Last noch eine Totzeit ein, damit die
Schaltfrequenz nicht unnötig hoch wird. Die
Drainstromnachbildung kann prinzipiell nur funktionieren, wenn
sichergestellt ist, dass der Drainstrom beim Einschalten des
Transistors immer null ist. Aus diesem Grund stellt der
Nulldurchgangsdetektor des TDA4605 fest, wann der Trafo
entmagnetisiert ist. Erst dann ist auch der Primärstrom
null und frühestens dann darf die nächste Flussphase
eingeleitet werden.
Der
invertierende Eingang des Regelverstärkers liegt an Pin 1,
während der nichtinvertierende Eingang intern mit einer
Referenzspannung von ca. 0,4 Volt verbunden ist. Die Betriebsspannung
des TDA4605, die etwa zwischen 12 und 15 Volt liegen sollte, muss
also mit dem Spannungsteiler R8–P–R9 auf 0,4 Volt
heruntergeteilt werden.
Des weiteren
hat der TDA4605 an Pin 3 noch einen Unterspannungsdetektor-Eingang
für die Eingangsspannung. Damit kann man verhindern, dass
der Wandler, wenn die Eingangsspannung nicht mehr oder noch nicht
ausreicht, um die benötigte Ausgangsleistung abzugeben, den
Transistor T1 und auch die Eingangsspannung mit dem Maximalstrom
belastet. Der TDA4605 arbeitet erst, wenn die Spannung an Pin 3
größer als ca. 1 Volt ist.
An Pin 7
besteht noch die Möglichkeit, einen Kondensator anzuschließen
um einen Softstart durchzuführen. Je größer C3 ist,
desto langsamer kann sich die Spannung am Ausgang des
Regelverstärker und die volle Dauer der Flussphase
aufbauen. Der Softstart darf allerdings nicht zu langsam sein,
weil sich sonst C4 wieder zu weit entladen hat, bevor die volle
Betriebsspannung des IC aus dem Trafo zur Verfügung steht.
Natürlich lässt sich auch der TDA4605 mit einer sekundärseitigen
Regelung versehen.
Dies geschieht in ähnlicher Weise wie beim 3842.
In Bild 7.4b ist daher auch nicht viel Neues zu sehen.
Bild 7.4b: Sperrwandler mit TDA4605 und sekundärseitiger Spannungsregelung
Der Optokoppler wird hier an den Eingang des Regelverstärkers Pin 1 angeschlossen.
Wegen der internen Schutzfunktionen des TDA4605 ist
es nicht ohne weiteres möglich den Eingangspin des
Regelverstärkers einfach unbeschaltet zu lassen.
7.5 PWM-Sperrwandler
PWM-Sperrwandler (PWM = Pulsweitenmodulation) arbeiten völlig unabhängig
von dem tatsächlich fließenden Primärstrom.
Die Schaltfrequenz ist i. d. R. fest und die Energiezufuhr wird nur über
das Tastverhältnis des Steuerimpulses für den Schalttransistor gesteuert.
Zum Zweck des Überlastungsschutzes
muss der Primärstrom zusätzlich und unabhängig von der
Regelung von einer Schutzschaltung überwacht werden.
Als Steuer-ICs können wieder die altbewährten PWM-Regler
SG3524 oder TL494 eingesetzt werden.
In Bild 6.2f habe ich auch schon gezeigt,
wie man den Current-Mode-Regler 3842 im PWM-Modus betreiben kann.
Von der Firma Power Integrations, Inc. gibt
es sogar einen vollintegrierten PWM-Sperrwandler-IC im 3-poligen
TO-220-Gehäuse. Mit den Reglern der TOPSwitch-Serie lassen sich
Netzteile mit wenigen Bauteilen mit Leistungen bis zu 250 Watt aufbauen.
Die Regler arbeiten mit einer festen Schaltfrequenz von 66, 100 oder 132 kHz.
Neben dem Masseanschluss und dem Schalttransistor-Ausgang dient der dritte
Pin der Zuführung der Betriebsspannung, deren Höhe auch
gleichzeitig Kriterium für die Regelung ist.
Bild 7.5a: PWM-Regler mit Minimalaufwand
In Bild 7.5a ist die Minimalkonfiguration eines mit einem TOP204 aufgebauten
PWM-Reglers zu sehen.
An Pin 2 und 3 liegt direkt der interne Schalttransistor des TOP204.
Eine interne Stromquelle am Drain-Anschluss (Pin3),
wo zunächst die Eingangsspannung von 300 Volt anliegt,
lässt einen kleinen Strom nach Pin 1 auf C2 fließen
und lädt diesen auf.
Bei ca. 5,7 Volt schalten die internen Funktionen des IC ein.
Die Einschaltdauer des Schalttransistors ist zunächst maximal
und wird durch einen Strom nach Pin 1 reduziert.
Sobald die Hilfswicklung versucht, die Spannung an C2 zu erhöhen,
erhöht sich der Strom an Pin 1 und reduziert die Einschaltdauer.
Die Spannung an C2 wird also auf 5,7 Volt geregelt.
Im Prinzip können die in Kapitel 6.2
vorgestellten PWM-Ansteuerungen für
Step-Up-Wandler auch direkt für PWM-Sperrwandler eingesetzt werden.
Die Schaltungen mit dem SG3524 oder dem TL494 sind für einfache
Netzteilanwendungen allerdings nicht so gut geeignet,
da sie sich nicht mit einem Anlaufwiderstand starten lassen.
Diese wären also nur interessant, wenn eine direkte Versorgung
des Regler-ICs möglich ist.
Das ist immer bei niedrigen Eingangsspannungen der Fall.
Als Beispiel für einen Wandler mit 24 Volt Versorgungsspannung
will ich in Bild 7.5b eine Schaltung mit dem TL494 zeigen.
Bild 7.5b: PWM-Sperrwandler mit niedriger Betriebsspannung
Für die Regelung ist wieder eine Hilfsspule notwendig,
die die Induktionsspannung im Trafo während der Sperrphase misst.
Ansonsten ist die Funktion weitgehend identisch mit dem
Step-Up-Wandler aus Bild 6.2d.
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