Seinen Namen hat der Sperrwandler (englisch: Flyback-Converter), weil er die Energie immer nur während der Sperrphase des Schalttransistors auf den Ausgang überträgt. Er ist sicher der gebräuchlichste und bekannteste aller getakteten Trafo-Wandlerarten vor allem im Bereich kleinerer Leistungen. Dies liegt nicht zuletzt an seiner einfachen Bauweise. Die einfachsten Ausführungen benötigen außer dem Wandlertrafo nur einen Transistor und wenige passive Bauteile. Einziger Nachteil des Wandlers ist der Trafo. Er besteht im Normalfall aus mindestens drei Spulen: Primär-, Rückkopplungs- und Sekundärspule. Deshalb ist es kaum möglich, auf Standardbauteile zurückzugreifen. Bei der Prototypenanfertigung ist man so fast immer auf handgefertigte Einzelstücke angewiesen. Im Grunde genommen ist die Funktion des Sperrwandlers der des Inverswandlers sehr ähnlich. Der wesentliche Unterschied besteht nur darin, dass die in der Spule gespeicherte Energie während der Sperrphase nicht über die gleiche Spule, sondern über eine separate Sekundärspule wieder abgegeben wird. Das hat im Wesentlichen zwei Vorteile: Erstens ist die Ausgangsspannung potentialfrei, was für die Schutztrennung in Netzteilen besonders wichtig ist und zweitens sind hohe Übersetzungsverhältnisse einfacher zu realisieren, was ebenfalls bei Netzteilen, aber auch bei Hochspannungsgeneratoren von Bedeutung ist.
Bild 7 A Grundprinzip eines Sperrwandlers.
In Bild 7 habe ich das Grundprinzip des Sperrwandlers mit
den beiden Phasen (Fluss- und Sperrphase) und den
dazugehörigen Stromflussrichtungen dargestellt. Zunächst ist
links die Flussphase dargestellt. Die Eingangsspannung liegt
direkt an der Primärspule an, und es fließt ein linear
ansteigender Strom. Dabei wird Energie von der
Eingangsspannungsquelle in die Primärspule übertragen. Diese
Energie wird aber nicht in der Spule selbst, sondern im
Luftspalt des Trafos gespeichert. Deshalb muss die Energie
nicht zwangsläufig über die gleiche (Primär) Spule wieder
abgegeben werden. Diesen Umstand macht man sich beim
Sperrwandler zunutze. Während der Sperrphase, die zum
Zeitpunkt des maximalen Stromflusses einsetzt, befindet sich
ja noch immer die gesamte während der Flussphase gespeicherte
Energie im Luftspalt des Trafos. Unterbricht man den Strom
einfach, würde diese Energie in Form einer sehr hohen
Induktionsspannung frei werden und den Schalttransistor
zerstören. Der Trick beim Sperrwandler besteht darin, dass der
Strom nicht in der Primärspule weiterfließt, sondern von der
Sekundärspule übernommen wird. Dem Magnetfeld ist es sozusagen
egal, ob es von der Sekundär- oder der Primärspule aufrecht
erhalten wird. Während der Sperrphase (Bild 7 Mitte) wird
also, damit der Strom weiterfließen kann, die Sekundärspule
auf den Siebelko geschaltet. Die Spulen sind so gepolt, dass
der sekundäre Spulenstrom den Siebelko auflädt. Während der
Flussphase wird die Last aus der im Siebelko gespeicherten
Energie versorgt. Es ist üblich, bei den Spulen eines Trafos
die Anschlüsse gleicher Polarität im Schaltbild mit einem
Punkt zu markieren.
Wie bei den bisherigen mit Speicherdrosseln realisierten
Wandlern kann auch beim Sperrwandler ein Schalter, in diesem
Fall der sekundärseitige, durch eine Diode ersetzt werden
(Bild 7 rechts).
7.1 Einfache Sperrwandler
für kleine Eingangsspannungen
Besonders einfach sind Sperrwandler aufgebaut, die mit relativ
kleinen Betriebsspannungen bis etwa 40 Volt und mit kleineren
Leistungen arbeiten. Hier braucht man meistens keine
besonderen Maßnahmen zum Schutz der Halbleiter zu treffen. In
Bild 7.1 A habe ich die einfachsten Bauformen des
Sperrwandlers dargestellt.
Bild 7.1 A Die beiden einfachsten Bauarten des Sperrwandlers
Bei den dargestellten Wandlern ist der Trafo mit einer
Rückkopplungswicklung versehen, sodass sie selbstständig
schwingen können. In Bild 7.1 A links wird zunächst der
Kondensator C2 über R 1 aufgeladen. Die Spannung an C 2
gelangt über die Koppelspule direkt an die Basis von T 1.
Dadurch erreicht T 1 irgendwann einen Arbeitspunkt, in dem
eine Verstärkung stattfinden kann. Durch die Rückkopplung
schaukelt sich dann der Kollektorstrom exponentiell auf, bis T
1 voll durchgeschaltet ist. An der Primärspule liegt dann die
Eingangsspannung Ue an. Solange die Eingangsspannung an der
Primärspule anliegt, steigt der Strom in ihr linear an und die
Basis erhält eine positive Steuerspannung. Der Stromanstieg
wird durch zwei Effekte begrenzt. Einmal kann es passieren,
dass T 1 ab einer bestimmten Stromstärke in die Sättigung
gerät, was dazu führt, dass der Strom in T 1 nicht weiter
steigen kann und so die Kollektor-Emitter-Spannung plötzlich
ansteigt. In gleichem Maße reduziert sich die Spulenspannung.
Dadurch reduziert sich auch die Basisspannung, bzw. der
Basisstrom, was diesen Vorgang beschleunigt, bis T 1
vollständig sperrt. Andererseits kann auch der Kern des Trafos
in die magnetische Sättigung geraten. Der Spulenstrom steigt
dann sehr schnell an und der Transistor gerät ebenfalls in die
Sättigung. Auch dann bricht die Spulenspannung schnell
zusammen und T 1 sperrt vollständig. Wenn T 1 sperrt, folgt
die Sperrphase des Wandlers, in der die im Luftspalt des
Trafos gespeicherte Energie über die Sekundärspule und D 1 auf
C 3 übertragen wird. Wie schnell sich das Magnetfeld abbaut,
hängt von der Spannung an C 3 ab. Je höher diese Spannung ist,
desto höher ist auch die Induktionsspannung in der
Sekundärspule und in den restlichen Spulen und desto schneller
baut sich das Magnetfeld ab, wodurch auch die Schwingfrequenz
höher wird. Erst wenn das Magnetfeld vollständig abgebaut ist,
bricht auch die Induktionsspannung zusammen. Die
Induktionsspannung geht aber nicht genau auf null zurück
sondern hat durch parasitäre Kapazitäten einen ausgeprägten
Überschwinger in die andere Richtung. Dies führt dazu, dass T
1 wieder eine positive Basisspannung erhält und durchschaltet.
Damit beginnt der Zyklus erneut. Der Elko C 2 in Bild 7.1 A
links wird übrigens durch die Gleichrichterwirkung der
B-E-Strecke von T 1 aufgeladen, d.h. an der Basis entsteht ein
negativer Gleichspannungsanteil. Daher muss er die im Bild
angegebene Polarität haben. Nur beim Start des Wandlers ist
der Elko kurzzeitig falsch gepolt. Da diese Spannung mit
falscher Polung nicht größer als 0,6 Volt ist und nur
kurzzeitig anliegt, vertragen Elkos das jedoch problemlos.
Bild 7.1 A rechts funktioniert im Prinzip genauso. Lediglich
die Koppelspule ist, statt mit Masse, mit der Betriebsspannung
verbunden. Dadurch benötigt man auf der Primärseite nur eine
Spule mit Anzapfung. Die Windungszahlen und Drahtstärken
können in beiden Fällen identisch sein. Als Trafokern dient in
diesen Beispielen ein kleiner EE20/5-Ferritkern, der mit einem
durchgehenden Luftspalt von 0,25 mm versehen ist. Bei Kernen
mit vorgegebenem Luftspalt im Mittelschenkel entspricht das
0,5 mm. Mit den angegebenen Werten liegt die Schwingfrequenz
je nach Belastung bei ca. 100 kHz.
Zu beachten ist, dass der Spitze-Spitze-Wert der Spannung in
der Rückkopplungsspule nicht wesentlich mehr als 5 Volt
betragen darf, da dieser Wert auch an der B-E-Strecke in
Sperrrichtung auftritt und die meisten Transistoren nicht viel
mehr vertragen. Wie bei allen ungeregelten Sperrwandlern ist
auch hier ein Leerlauf nicht zulässig. Ohne Last kann die im
Trafo gespeicherte Energie, die pro Periode immer konstant
ist, nicht mehr abgegeben werden und muss irgendwo im Wandler
verheizt werden. Der Schalttransistor kann dann entweder durch
die hochlaufende Spannung oder die zu großen Hitzeentwicklung
zerstört werden. Günstiger verhält sich so ein Wandler im
Kurzschlussbetrieb. Durch die sehr niedrige Induktionsspannung
während der Sperrphase verlängert sich diese bei einem
ausgangsseitigen Kurzschluss erheblich. Aufgrund der sich
dadurch einstellenden niedrigen Schwingfrequenz wird die
Energiezufuhr erheblich gedrosselt und schützt den Wandler vor
Überlastung.
Die Wandler aus Bild 7.1 A sind grundsätzlich nur für kleine
Leistungen bis wenige Watt gedacht, da hier einige
Nebenwirkungen vernachlässigt wurden, die bei größeren
Leistungen dem Transistor gefährlich werden können. Außerdem
muss der Basisstrom über R 1 von der Betriebsspannung
zugeführt werden. Dies führt wegen der relativ geringen
Stromverstärkung vieler bipolarer Leistungstransistoren zu
einer großen Verlustleistung in R 1. Es gibt grundsätzlich
zwei Tricks, mit denen man den Basisstrom deutlich erhöhen
kann, ohne ihn von der Betriebsspannung zu holen.
Bild 7.1 B Maßnahmen beim Sperrwandler zur Erzielung höherer Leistungen
Im linken Bild wird der sich aufladende Kondensator C 2 mit
dem Widerstand R 2 belastet. Der Hauptanteil des Basisstromes
fließt dann durch R 2. Da die Spannung an C 2, die aus der
Koppelspule kommt, i.d.R. wesentlich niedriger ist als Ue,
kann dadurch auch die Verlustleistung deutlich reduziert
werden. R 1 dient jetzt nur noch als Anlaufwiderstand und kann
relativ groß gewählt werden. D 2 sorgt dafür, dass der relativ
kleine Anlaufstrom den Kondensator ungehindert laden kann und
nicht gleich vom recht niederohmigen R 2 quasi kurzgeschlossen
wird. Ein Nachteil dieser Schaltung ist, dass wegen der
negativen Vorspannung an C 2 T 1 nach der Sperrphase erst
wieder durchschalten kann, wenn die induzierte Spulenspannung
in der Koppelspule diesen Wert plus der Schwellspannung von T
1 übersteigt. Insbesondere bei Belastung der Sekundärspule
kann es aber passieren, dass diese Spannung nicht erreicht
wird. Die Oszillation des Wandlers bricht dann zusammen und
setzt erst wieder ein, wenn sich C 2 über R 1 auf ca. + 0,6
Volt aufgeladen hat. Der Wandler schaltet sich also nur
periodisch kurz ein um dann längere Zeit zu pausieren.
In der Schaltung von Bild 7.1 B rechts wird dieser Nachteil
vermieden. Durch eine Inversdiode parallel zur B-E-Strecke von
T 1 wird dessen Gleichrichterwirkung vollständig kompensiert.
C2 entlädt sich deshalb auf etwa null Volt. Jetzt reicht
bereits ein Überschwinger in der Koppelspule von nur 0,6 Volt
nach der Sperrphase aus, um T 1 wieder einzuschalten. Da
außerdem die negative Spannung an der B-E-Strecke von D 2
kurzgeschlossen wird, sind auch höhere Spannungen an der
Koppelspule zulässig, sodass die Rückkopplung empfindlicher
anspricht. Insgesamt wird dadurch die Schwingung des Wandler
stabiler. Natürlich sollte die Spannung in der Koppelspule
nicht zu hoch gewählt werden, da sonst die Verlustleistung in
R 2 unnötig hoch wird. R 2 dient der Begrenzung des Stromes in
der Basis von T 1 und in D 2. Einen Nachteil hat auch diese
Schaltung: T 1 bekommt keinen ausgeprägten negativen
Basisstrom. Um den Basis-Ausräumstrom zu erhöhen, wurde noch
das RC-Glied R4/C3 eingefügt. Insbesondere bei starker
Belastung, z.B. bei sekundärseitigem Kurzschluss, geht die
Spannung an der Koppelspule während der Sperrphase nur auf ca.
0 Volt zurück. Zwischen Spule und Basis von T 1 liegt aber
noch R 2, der so nur einen geringen Basis-Ausräumstrom
zulässt. Um geringe Schaltverluste zu erreichen sollte hier
deshalb ein schneller Schalttransistor verwendet werden.
Versuche haben jedoch gezeigt, dass auch dann der Wirkungsgrad
kaum über 50 % steigt. Bessere Ergebnisse ließen sich auf
jeden Fall mit MOSFETs erzielen. Wegen der geringen Bedeutung
ungeregelter Sperrwandler mit höheren Leistungen möchte ich
darauf aber nicht näher eingehen. In Bild 7.1 B ist auch noch
eine weitere Verbesserung, das R-C-Glied R 3 - C 4,
eingeflossen, die T 1 vor Zerstörung durch induktive
Spannungsspitzen schützt. Da bei größeren Trafoströmen sich
eine nicht mehr vernachlässigbar geringe Menge der im
Magnetfeld gespeicherten Energie im Streufeld befindet, muss
diese in der Streuinduktivität gespeicherte Energie beim
Übergang in die Sperrphase auf der Primärseite des Trafos
„entsorgt“ werden. Besonders wichtig ist dabei, dass die in
der Streuinduktivität induzierte Spannung auf ein für T 1
ungefährliches Maß reduziert wird. Da diese Maßnahme für alle
Sperr- und viele Flusswandler von großer Bedeutung ist, gehe
ich auf dieses Thema in Kapitel 9 ausführlich ein.