In diesem Kapitel geht es um Spannungswandler, die mit Hilfe einer hohen Schaltfrequenz, die i.d.R. über 20 kHz liegt, eine unstabilisierte Ausgangsspannung erzeugen. Diese Wandler kommen ohne Spulen aus und können mit hohem Wirkungsgrad Eingangsspannungen teilen, vervielfachen oder invertieren. Solche Wandler findet man vorwiegend dort, wo mit geringem Aufwand zusätzliche Hilfsspannungen erzeugt werden sollen, z.B. in batteriebetriebenen Geräten. Dieser Wandlertyp besteht grundsätzlich aus zwei Bestandteilen:
Die Schaltung vereinfacht sich erheblich, wenn man auf Standard-ICs für den Rechteckgenerator, wie z.B. den NE555 zurückgreift. Ich möchte für die verschiedenen Leistungs- und Spannungsbereiche einige Standardschaltungen behandeln. Bei höheren Leistungen, insbesondere bei höheren Betriebsspannungen, ist darauf zu achten, dass die noch ungeladenen Kondensatoren nach dem Einschalten einen sehr hohen Ladestrom ziehen können. Im Generator muss also eine entsprechende Strombegrenzung vorgesehen werden, um die Leistungstransistoren vor Zerstörung zu schützen. Für sehr kleine Leistungen gibt es ein weit verbreitetes IC vom Typ ICL7660. Darin ist ein Rechteckgenerator und die Gleichrichter enthalten. Damit lassen sich kleine Spannungsverdoppler oder Inverter aufbauen. Die Besonderheit des ICs besteht darin, dass alle Schalter aktiv gesteuert sind und deshalb keine Flussspannung an den Gleichrichtern verloren geht. In den Datenblättern finden sich genügend Anwendungsbeispiele, sodass ich hier nicht näher darauf eingehen will.
5.1 Rechteckgeneratoren
für Spannungswandler
Da die
Rechteckgeneratoren, zumindest bei den Vervielfacher- und
Inverterschaltungen, völlig unabhängig von den
Gleichrichterschaltungen betrachtet werden können, möchte
ich zunächst die Rechteckgeneratoren behandeln.
Bild 5.1 A Rechteckgenerator für kleine (links) und mittlere Leistungen (rechts)
In Bild 5.1 A sind zwei besonders einfache Generatoren für kleine und mittlere Leistungen dargestellt. Für den Oszillator selbst braucht man, außer dem IC, nur noch einen Kondensator und einen Widerstand. Bei den angegebenen Werten liegt die Oszillatorfrequenz bei 20-25kHz. Den Timer-IC 555 gibt es von diversen Herstellern als bipolare und CMOS-Version ( die CMOS-Version erkennt man an einem „C“ in der Typenbezeichnung ). Die CMOS-Version arbeitet mit Spannungen von 2-15 Volt und kann bei 15 Volt etwa 10 mA, bei 5 Volt kaum mehr als 1 mA Ausgangsstrom liefern. Die bipolare Version arbeitet von 5-15 Volt und kann 200 mA Ausgangsstrom liefern. Für höhere Ausgangsströme muss ein Komplementärtreiber nachgeschaltet werden, wodurch der Spannungshub jedoch um 1-1,5 Volt verringert wird. Mit den Transistoren BC337/BC327 kann der Ausgangsstrom bis auf ca. 600 mA erhöht werden. Mit den Typen BD437/438 erreicht man 2-3 Ampere. Wenn, z.B. bei Batteriebetrieb, eine besonders niedrige Leerlauf-Stromaufnahme erforderlich ist, empfiehlt es sich, eine CMOS-Version zu verwenden und die Frequenz deutlich zu reduzieren (22-kΩ-Widerstand vergrößern). Sollen noch höhere Leistungen und/oder Spannungen geschaltet werden, kann die folgende Schaltung in Bild 5.1 B verwendet werden. Auch hier wird wieder der 555-Oszillator verwendet. Als Endstufe dienen zwei N-Kanal-MOSFETs. Durch Verwendung eines P-Kanal-FETs im oberen Zweig der Endstufe würde sich zwar die Ansteuerung vereinfachen, allerdings haben P-Kanal-Typen grundsätzlich einen höheren Einschaltwiderstand. Wenn es darauf ankommt, möglichst große Ströme mit möglichst kleiner Verlustleistung zu schalten, sollte die Schaltung immer so ausgelegt sein, dass N-Kanal-MOSFETs eingesetzt werden können. Die angegebenen Transistoren haben einen Einschaltwiderstand von ca. 40 mΩ und können einen Ausgangsstrom von etwa 30 Ampere liefern. Für höhere Ströme können auch noch stärkereTransistoren verwendet werden. Die Betriebsspannung sollte bei max. 24 Volt liegen. Bei Betriebsspannungen bis 15 Volt kann die Betriebsspannung des 555 direkt mit der Betriebsspannung der Endstufe verbunden werden.
Bild 5.1 B Rechteckgeneratoren für höhere Leistung und höhere Betriebsspannung (rechts)
Die Ansteuerung des unteren Zweiges der Endstufe ist besonders einfach, da der Source-Anschluss des MOSFETs direkt an der negativen Betriebsspannung liegt. Für den oberen Zweig ist ein zusätzlicher Kleinsignal-MOSFET erforderlich, der synchron zum unteren Endtransistor angesteuert wird. Wenn der Transistor im unteren Zweig durchgeschaltet wird, schaltet auch der BS170 durch und legt das Gate des oberen MOSFETs auf null Volt. Gleichzeitig wird der 4,7µF-Kondensator über eine Diode auf etwa 15 Volt aufgeladen. Ist die Ausgangsspannung des 555 null, sperrt der BS170 und der untere MOSFET. Der 4,7µF-Kondensator kann jetzt seine Spannung über den 220-Ω-Widerstand auf das Gate des oberen MOSFETs legen, der dann voll durchschaltet. Die absolute Gatespannung dieses Transistors liegt dann min. 10 Volt über der Betriebsspannung der Endstufe. Der BS170 muss daher mindestens diese erhöhte absolute Gatespannung sperren können. Die Ansteuerung der Endstufe muss sicherstellen, dass niemals beide Transistoren gleichzeitig durchgeschaltet sind. Dies wird dadurch gewährleistet, dass die Gates beim Einschalten jeweils über einen 220Ω-Widerstand aufgeladen und so die Endtransistoren etwas verzögert eingeschaltet werden. Beim Ausschalten werden die Gates dagegen sehr niederohmig über den BS170 bzw. eine Diode entladen. Wenn einer der Endtransistoren einschaltet, ist also der jeweils andere bereits seit min. 100ns (je nach Transistortyp) gesperrt. Die Schaltung der Endstufe funktioniert prinzipiell auch bei höheren Spannungen, z.B. 300 Volt, allerdings wird die Ansteuerung des oberen Endstufenzweiges mit steigender Spannung und Frequenz zunehmend problematisch. Für die Ansteuerung benötigt man einen besonders schnellschaltenden und kapazitätsarmen Treibertransistor. Das Problem lässt sich durch Verwendung eines Treibertrafos für den oberen Zweig weitgehend vermeiden (rechtes Bild). Schaltendstufen für hohe Betriebsspannungen werden daher häufig mit Treibertrafos im oberen Zweig angesteuert. Der Treibertrafo braucht nur sehr wenig Leistung übertragen und kann daher sehr klein ausfallen. Das Übersetzungsverhältnis sollte etwa 1:1 sein. Da die Streuinduktivität des Treibertrafos u.U. ein schnelles Entladen der Gatekapazität verhindert, ist ein zusätzlicher Entladetransistor (BC557) direkt am Leistungsschalter angebracht. Ein Problem bei den Hochvoltendstufen ist die Spannungsversorgung des Oszillators. Ggf. muss ein zusätzliches kleines 12-15V-Netzteil eingebaut werden.
Ein einfacher Rechteckgenerator lässt sich auch komplett diskret aufbauen. Da die Schaltung in Bild 5.1 C sehr einfach aufgebaut ist, bietet sie trotz des niedrigen Preises von Standard-ICs (NE 555) eine interessante Alternative.
Bild 5.1 C Diskret aufgebauter Rechteckgenerator
Der Generator ist
vorzugsweise für Betriebsspannungen im Bereich von 12 Volt
vorgesehen. Bei höheren Betriebsspannungen wirkt sich der
relativ hohe Stromverbrauch des Oszillators negativ aus. Der
Oszillator ist ein klassischer, mit zwei NPN-Transistoren aufgebauter
astabiler Multivibrator. Die Arbeitswiderstände der Transistoren
sind mit 220 Ohm recht niederohmig gewählt. Das verursacht zwar
einen relativ hohen Stromverbrauch, ist aber nötig, um die
Gate-Kapazitäten der MOSFETs ausreichend schnell laden zu
können. Wenn die Schaltfrequenz niedriger gewählt wird
und/oder MOSFETs mit kleiner Gate-Kapazität eingesetzt werden,
können die Widerstände wesentlich hochohmiger werden, um
den Stromverbrauch zu reduzieren. Die Emitterdioden D 1 und D 2
schützen die B-E-Strecken von T 1 und T 2 vor zu hoher
Sperrspannung. Leider halten die B-E-Dioden bipolarer Transistoren
kaum mehr als 5 Volt in Sperrichtung aus. Beim Umkippen des
Mutltivibrators tritt aber die Betriebsspannung, hier 12 Volt, in
Sperrichtung an der B-E-Diode auf. An der Basis von T 1 tritt sogar
die doppelte Spannung auf, da C 1 direkt an der erhöhten
Gate-Steuerspannung von T 3 liegt. Damit das Tastverhältnis der
Ausgangsspannung nicht zu stark von 50 % abweicht, ist deshalb R 4
deutlich größer als R 2..
Diese
Schaltung lässt sich auch sehr hochohmig aufbauen, sodass sie eine
extrem niedrige Stromaufnahme hat und sich dann bestens für
Batteriebetrieb eignet. Die Schaltung befindet sich in der Abteilung Schaltungstechnik/Oszillatoren.
Wer sich, trotz der Vorteile von N-Kanal-MOSFETs, für die einfachere Beschaltung mit P-Kanal entscheidet, kann auf die folgende Schaltung zurückgreifen:
Bild 5.1 D Rechteckgeneratoren für höhere Leistung mit P-Kanal-MOSFETs
Für
Betriebsspannungen bis 15 Volt kann die einfache Schaltung links in
Bild 5.1 D verwendet werden. Der P-Kanal-MOSFET kann hier noch direkt
vom 555-Timer angesteuert werden. Die Gate-Dioden sorgen wieder
dafür, dass die Transistoren schnell gesperrt und nur
langsam durchgeschaltet werden. Dadurch ist gewährleistet, dass
während der Umschaltphase kurzzeitig beide Transistoren gesperrt
statt durchgeschaltet sind.
Für
Betriebsspannungen über 15 Volt, z.B. 80 Volt, ist die Schaltung
rechts in Bild 5.1 D ausgelegt. Um den P-Kanal-FET anzusteuern, muss
die Gleichspannung am Source von der Steuerspannung des Timer-ICs
entkoppelt werden. Am einfachsten geht das mit einem
22-nF-Kondensator. Mit einem 10-k-Widerstand und einer
12-V-Zenerdiode wird die Steuerspannung am Gate des P-Kanal-MOSFET
wieder auf einen definierten Pegel bezüglich Source gezwungen.
Zu beachten ist, dass Ein- und Ausschalten der Betriebsspannung
nicht zu schnell erfolgen darf, damit der Lade- und Entladestrom des
22-nF-Kondensators nicht die FET-Gates oder den Timer-Ausgang
zerstören. Die Schutzdioden am Timer-Ausgang und die Zenerdiode
am Gate des P-Kanal-MOSFETs fangen diese Ströme weitgehend ab.
Um eine saubere Ansteuerung des P-Kanal-FETs zu gewährleisten,
ist weiterhin darauf zu achten, dass am Source-AnSchluss,
der direkt an der positiven Versorgungsspannung liegt, keine
wesentliche Störspannung auftreten darf. Dazu muss ein
ausreichend großer Stützelko parallel zur Betriebsspannung
der Leistungsendstufe geschaltet werden.
Mit einem Vorwiderstand
und einer Zenerdiode wird die Betriebsspannung des Timers auf 12 Volt
stabilisiert.
Mit dem derzeitigen Stand
der Technik sind preiswerte P-Kanal-MOSFETs für Sperrspannungen
bis zu 200 Volt (z.B. IRF 9640) zu haben. Für
Betriebsspannungen bis etwa 180 Volt stellen P-Kanal-MOSFETs im
positiven Zweig der Leistungsstufe daher eine wirtschaftliche
Alternative zu den schwer ansteuerbaren N-Kanal-Typen dar. Mit
zunehmender Ausgangsleistung wird es aber sinnvoller werden, die
niederohmigeren N-Kanal-Typen einzusetzen.
Eine weitere Alternative
zur Ansteuerung von N-Kanal-MOSFETs im positiven Zweig der
Leistungsendstufe ist die Verwendung von Gate-Treiber-ICs. Damit
lassen sich sehr einfache Generatoren mit hohen Leistungen aufbauen.
Da der Hauptanwendungsbereich der Gate-Steuer-ICs aber eher im
Bereich der Schaltnetzteile ab Kapitel 6 liegen dürfte, werde
ich erst dort darauf eingehen. Durch die Gate-Treiber-ICs dürfte
auch die Trafoansteuerung des Transistors im oberen Zweig technisch
überholt sein. Andererseits gehe ich davon aus, dass es
solche Ansteuertrafos für MOSFETs und IGBTs in Zukunft als
preiswerte Standardbauteile zu kaufen gibt. Ich werde daher in den
folgenden Kapiteln beide Methoden zeigen. Nützlich sind die
Ansteuertrafos auf jeden Fall dort, wo eine vollständige
galvanische Trennung von Steuer- und Leistungsteil erforderlich ist.
In der Rubrik Schaltungstechnik habe ich bereits den Advanced Diskrete Astable Multivibrator, kurz ADAM vorgestellt. Dieser läßt sich sehr gut für einen Leistungsoszillator verwenden. Unter Verwendung eines FDS8858, der ein komplementäres MOSFET-Pärchen im SO8-Gehäuse enthält, läßt sich so in SMD-Technik ein sehr kompakter Leistungsoszillator aufbauen. Trotz des kleinen Gehäuses haben beide Transistoren des FDS8858 einen RDSon von ca 20mOhm und können Ströme bis zu 7A schalten. Damit könnte dieser Generator bei 24V Betriebsspannung theoretisch bis zu 60W abgeben. Praktisch sollten sich, je nach Kühlungssituation, min. 30W erreichen lassen.
Bild 5.1 E Diskret aufgebauter Rechteckgenerator für mittlere Leistung
Eine Besonderheit liegt in der Ansteuerung der MOSFETs. Die
MOSFETs werden im Gegentakt ohne Totzeit angesteuert. Die Totzeit
entsteht erst durch die Art der Ansteuerung. Dazu werden die Gates über
die Kondensatoren C7 und C8 relativ fest miteinander verkoppelt. Die
Gate-Ableitwiderstände R7 und R8 sorgen dafür, dass die mittlere
G-S-Spannung der MOSFETs 0V beträgt. Bei 24V Betriebsspannung beträgt
der Spannungshub an den Gates jeweils ca. +-12V. Mit R6 haben beide
MOSFETs einen gemeinsamen Gate-Vorwiderstand. Aufgrund der kapazitiven
Gate-Last folgen die Gatespannungen der steilflankigen Steuerspannung
des Oszillators nur verzögert. Dabei entsteht an jedem MOSFET-Gate
aufgrund der Miller-Kapazität eine kurze Plateau-Zone während der
Einschaltflanke der D-S-Spannung. Im Oszillogramm sehen die Flanken
folgendermaßen
aus:
Bild 5.1 E1 Verlauf der Gatespannung (blau) und Drainspannung (rot) der MOSFETs bei 24V Betriebsspannung
Die Gatespannung wurde der Einfachheit halber exemplarisch am Gate des N-Kanal-MOSFETs gemessen. Wegen der relativ festen Verkopplung der Gates über C7 und C8 sieht die Gatespannung des P-Kanal-MOSFETs nahezu genauso aus, nur dass der absolute Nullpegel der Gatespannung auf +24V, also Source des P-Kanal MOSFETs liegt. Die Drainspannung bezüglich Masse ist natürlich auch bei beiden MOSFETs identisch. Bei der fallenden Flanke der Gatespannung erkennt man, dass diese zunächst negativ wird, bevor dann die negative Plateauphase die Einschaltflanke des P-Kanal-MOSFETs anzeigt. D.h., Die Einschaltphase des P-Kanal-MOSFETs kann erst beginnen, wenn die Gatespannung des N-Kanal-MOSFET bereits negativ ist und dieser sicher sperrt. Umgekehrt beginnt die Plateauphase der positiven Flanke der Gatespannung erst im positiven Bereich, wenn der P-Kanal-MOSFET sicher gesperrt hat. Im Prinzip handelt es sich hier um eine gegenseitige "Verriegelung" der MOSFETs, die sicherstellt, dass nie beide Transistoren gleichzeitig eingeschaltet sein können. Nur beim Einschalten der Betriebsspannung, wenn C7 und C8 noch entladen sind, kann es einmalig und kurzzeitig zum Durchschalten, beider MOSFETs kommen. Das ist i.d.R. aber kein Problem, wenn die Anstiegszeit der Betriebsspannung sehr groß gegenüber der Zeitkonstante C7/R7 bzw. C8/R8 ist.
Bild 5.1 F Rechteckgenerator mit UC3845 als Oszillator
5.2
Spannungsvervielfacher mit geschalteten Kapazitäten
Die einfachste Form der
Vervielfacher ist der Verdoppler, den ich in ähnlicher Form
bereits bei den 50-Hz-Gleichrichterschaltungen behandelt habe. In
Bild 5.2 ist eine Vervielfacherschaltung für niedrige
Betriebsspannungen zu sehen. Ich habe gerade diesen Rechteckgenerator
ausgewählt, weil sich in diesem speziellen Fall die Schaltung
vereinfacht. Der Elko C2, der für die Vervielfacherschaltung
gedacht ist, dient gleichzeitig der Erzeugung der Gatespannung des
oberen Endstufentransistors. Die entsprechende Diode und der Elko in
der Generatorschaltung kann daher entfallen. Bei höheren
Betriebsspannungen ist eine der in Kapitel 5.1 beschriebenen
Schaltungen zu verwenden. Um die Verlustspannungen in den Dioden
gering zu halten, sollten bei Betriebsspannungen unter 40 Volt und
höheren Leistungen für D1-D6 Schottky-Dioden verwendet
werden. Standardtypen sind z.B. 1N5817 (1A, 20V), 1N5819 (1A, 40V),
1N5822 (3A, 40V) oder MBR1645 (16A, 45V).
Bild 5.2 Vervielfacherschaltung für kleine Betriebsspannungen von 8-15 Volt
Die Auswahl der
Transistoren T 1 und T 2 richtet sich ebenfalls nach der gewünschten
Leistung. Preiswerte Standardtypen wie z.B. BUZ71A (0,1 Ω,
50 V) können Ströme bis etwa 10 A schalten. Sollen
die
Transistorverluste gering gehalten werden, können auch die
relativ preiswerten Hochstromtypen wie z.B. IRFZ44N (24 mΩ,
55 V) verwendet werden. Bei ausreichender Kühlung können
diese Typen etwa 40 Ampere Dauerstrom vertragen. Falls auch das noch
zu wenig ist, sollten mehrere Transistoren parallel geschaltet
werden. Dies ist meistens billiger als die Verwendung extrem
belastbarer Einzeltransistoren. Wegen der hohen Schaltfrequenz ist
bei der Bemessung der Elkos die Kapazität nur zweitrangig;
entscheidend ist die Belastbarkeit und der Innenwiderstand. Gute
Werte können mit Low-ESR-Elkos erzielt werden oder wenn Kapazität
und/oder
Spannungsfestigkeit reichlich überdimensioniert sind.
Für eine
Verdopplerschaltung sind nur die Dioden D 1 und D 2 sowie die Elkos C
1-C 3 erforderlich. Für jede weitere Stufe, die die
Ausgangsspannung um Ub erhöht, sind je zwei Elkos und zwei
Dioden nötig. Theoretisch können beliebig viele Stufen
nachgeschaltet werden. Bei großen Übersetzungsverhältnissen
wird diese Methode dann aber u.U. teurer und größer als
ein Schaltregler mit Transformator.
5.3 Spannungsinverter
mit geschalteten Kapazitäten
Spannungsinverter sind
Schaltungen, die aus einer positiven Betriebsspannung eine negative
generieren oder umgekehrt. Häufige Anwendung ist z.B. die
Erzeugung einer symmetrischen Betriebsspannung für
Analogschaltungen mit Operationsverstärkern in
batteriebetriebenen Geräten. Zunächst sucht man sich wieder
einen Generator mit ausreichender Leistung aus. Je nach benötigter
Ausgangsspannung kann dann ein einfacher oder auch ein
vervielfachender Inverter nachgeschaltet werden.
Bild 5.3 Spannungsinverter für kleine Leistungen
Wie in Bild 5.3 zu sehen ist, ist die Schaltung des Inverters der des Vervielfachers sehr ähnlich. Genau wie die normalen Vervielfacherschaltungen können auch die Inverterschaltungen mit beliebiger Leistung und Stufenzahl aufgebaut werden.
5.4 Spannungsteiler mit
geschalteten Kapazitäten
Weniger bekannt als die
Vervielfacherschaltungen sind Teilerschaltungen mit geschalteten
Kapazitäten. Eine denkbare Anwendung wäre z.B. die
Versorgung von 12-V-Verbrauchern an einem 24-V-Bordnetz. Der Aufwand
lohnt sich natürlich nur bei größeren Leistungen, wo
ein Linearregler zu viel Verlustleistung verheizen würde. Als
sinnvolles Teilungsverhältnis kommt eigentlich nur die
Halbierung der Eingangsspannung in Frage.
Bild 5.4 Der Spannungshalbierer mit geschalteten Kapazitäten
In Bild 5.4 ist ein solcher Spannungswandler zu sehen. Im Prinzip handelt es sich um einen Spannungsinverter, bei dem die Eingangsspannung zwischen der positiven Betriebsspannung und der negativen Ausgangsspannung angelegt wird. Die Ausgangsspannung wird dann zwischen der negativen Ausgangsspannung und der ursprünglichen Masse abgenommen. dass sich an der ursprünglichen Masseleitung die halbe Betriebsspannung einstellt, lässt sich wie folgt erklären: Durch die Belastung der Ausgangsspannung wird der Elko C 3 entladen. Gleichzeitig erhöht sich die Betriebsspannung der Generatorschaltung, deren Wert identisch mit dem Spannungshub am Generatorausgang ist. Über C 1, D 1 und D 2 wird C 3 auf den Wert des Spannungshubes aufgeladen, vorausgesetzt, die Spannung an C 3 ist kleiner als der Spannungshub. Ist die Spannung an C 3 größer als der Spannungshub, werden D 1 und D 2 nicht leitend und es fließt kein Strom. Erst wenn die Spannung an C 3 auf Ub/2 gesunken ist, ist der Spannungshub am Generator genauso groß wie die Spannung an C 3. Wird die Spannung an C 3 kleiner als Ub/2, beginnen die Dioden D 1 und D 2 zu leiten. Da es keine Strombegrenzung gibt, führt das Unterschreiten der Ausgangsspannung unter die halbe Betriebsspannung zu einem massiven Anstieg des Ein- und Ausgangsstromes. Die Ausgangsspannung ist also mit einem hohen Strom belastbar. Der Ausgangsstrom setzt sich aus dem Betriebsstrom des Generators und dem über C 1, D 1 und D 2 kommenden gleich großen Ausgangsstrom des Generators zusammen. Der Ausgangsstrom ist deshalb doppelt so groß, wie der Eingangsstrom, der nur aus dem Betriebsstrom des Generators besteht. Der Vorwiderstand für den Oszillator muss ggf. noch an die halbe Betriebsspannung angepasst werden. Für die Dimensionierung gelten prinzipiell die gleichen Maßstäbe wie bei der Vervielfacherschaltung. Für die Bemessung der Bauteile ist jedoch der Eingangsstrom relevant.