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 TDA 4601. Dieses IC ist jedoch schon veraltet, und ich möchte daher nur auf den Nachfolgetyp TDA 4605 eingehen. Der TDA 4605 hat einen Ausgangstreiber, mit dem man MOSFETs oder IGBTs direkt ansteuern kann. Trotz der starken Konkurrenz des 3842 ist auch der TDA 4605 in vielen Netzteilen zu finden. In Bild 7.4 A ist wieder die einfache Version eines Sperrwandlers mit primärseitiger Spannungsregelung zu sehen. Genau wie der 3842 hat auch der TDA 4605 einen Unterspannungssensor, der alle internen Funktionen abschaltet, solange die minimale Betriebsspannung noch nicht erreicht ist. So kann sich C 4 über den Anlaufwiderstand R 1 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 T 1 einschaltet. Gleichzeitig wird der vom IC intern kurzgeschlossene Kondensator C 2 zum Laden freigegeben. Über R 2, der direkt mit der Eingangsspannung von in diesem Beispiel 300 Volt verbunden ist, wird C 2 nun mit einem nahezu konstanten Strom von ca. 1 mA aufgeladen. Da die Spannung an C 2 maximal ca. 2 Volt erreichen kann, ist der Spannungsanstieg nahezu linear, obwohl es sich um ein einfaches RC-Glied handelt. Der Ladestrom in R 2 und damit auch die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung an C 2 ist außerdem noch proportional zur Eingangsspannung. Dies bedeutet, dass die Spannung an C 2 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 7.4 A Sperrwandler mit TDA 4605 und primärseitiger Regelung
Nach Beginn
der Sperrphase wird C 2 wieder entladen und bleibt bis zum Beginn der
nächsten Flussphase kurzgeschlossen. Während der Sperrphase
wird die Energie im Trafo wie üblich über D 3 auf C 6
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 TDA 4605 liegt, überwacht die
Induktionsspannung des Trafos und erkennt am Nulldurchgang der
Induktionsspannung das Ende der Sperrphase. Der Nulldurchgang der
Trafospannung ist dann für den TDA 4605 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 TDA 4605 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 TDA 4605 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 nicht invertierende Eingang intern mit einer
Referenzspannung von ca. 0,4 Volt verbunden ist. Die Betriebsspannung
des TDA 4605, die etwa zwischen 12 und 15 Volt liegen sollte, muss
also mit dem Spannungsteiler R 8 - P - R 9 auf 0,4 Volt
heruntergeteilt werden.
Des weiteren
hat der TDA 4605 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 T 1 und auch die Eingangsspannung mit dem Maximalstrom
belastet. Der TDA 4605 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 C 3 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 C 4 wieder zu weit entladen hat, bevor die volle
Betriebsspannung des IC aus dem Trafo zur Verfügung steht.
Natürlich
lässt sich auch der TDA 4605 mit einer sekundärseitigen
Regelung versehen. Dies geschieht in ähnlicher Weise wie
beim 3842 In Bild 7.4 B ist daher auch nicht viel Neues zu sehen.
Bild 7.4 B Sperrwandler mit TDA 4605 und sekundärseitiger Spannungsregelung
Der Optokoppler wird hier an den Eingang des Regelverstärkers Pin 1 angeschlossen. Wegen der internen Schutzfunktionen des TDA 4605 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 SG
3524 oder TL 494 eingesetzt werden. In Bild 6.2 F 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 7.5 A PWM-Regler mit Minimalaufwand
In Bild 7.5
A ist die Minimalkonfiguration eines mit einem TOP 204 aufgebauten
PWM-Reglers zu sehen. An Pin 2 und 3 liegt direkt der interne
Schalttransistor des TOP 204. Eine interne Stromquelle am
Drain-Anschluss (Pin3), wo zunächst die Eingangsspannung von 300
Volt anliegt, lässt einen kleinen Strom nach Pin 1 auf C 2
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 C 2 zu erhöhen, erhöht sich der Strom an
Pin 1 und reduziert die Einschaltdauer. Die Spannung an C 2 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
SG 3524 oder dem TL 494 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 7.4 B eine Schaltung mit dem TL 494 zeigen.
Bild 7.5 B 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 6.2 D.