Versuch LE

Fakultät ME
Labor:
Elektrische Antriebe und Anlagen
Labor
Leistungselektronik(LE)
Datum:
Versuch LE-3:
Stromversorgungen
Semester:
Gruppe:
Protokoll:
Vortestat:
Bericht:
Mitberichter:
Endtestat:
Datum:
1. Einführung
In diesem Versuch sollen Stromversorgungen in 4 verschiedenen Technologien untersucht
und verglichen werden:
• Ungeregelte Stromversorgung
• Stromversorgung mit Festspannungsregler
• Primärgetaktetes Schaltnetzteil
• Stromversorgung mit Power Factor Correction (PFC)
Die wichtigsten Eigenschaften der verschiedenen Netzteile sind zu erarbeiten.
1.1 Ungeregelte Stromversorgung
Das ungeregelte Netzteil ist die einfachste Stromversorgung. Es enthält im Wesentlichen
einen 50 Hz Netztrafo, einen Gleichrichter und einen „großen“ Elektrolytkondensator zur
Glättung der Ausgangsspannung.
L1
UA
N
Bild 1: Schaltbild eines ungeregelten Netzteils
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Der Netztrafo setzt zum einen die Spannung herab und sorgt zum anderen für die
erforderliche Potentialtrennung. Die Verbraucherspannung UA besitzt eine beträchtliche
Restwelligkeit. Sie ändert sich außerdem mit der Belastung und der Netzspannung.
UA
UA
ωt
Bild 2: Ausgangsspannung des ungeregelten Netzteils
1.2 Stromversorgung mit Festspannungsregler
Um eine konstante Ausgangsspannung zu erhalten, die sich bei Belastung der
Stromversorgung oder bei Spannungsschwankungen im Netz nicht ändert, benötigt man
eine Spannungsregelung. In Serie zur „welligen“ Kondensatorspannung U1 wird ein
Längsregler oder ein integrierter Festspannungsregler geschaltet, der die hochwertige
Ausgangsspannung U2 bildet (Bild 3).
IC
7805C
L1
N
+
12V
50 Hz
C1
4400µF
+ 5V
+
U1
C2
220µF
U2
0V
Bild 3: Netzteil mit 5V – Festspannungsregler
Der integrierte Spannungsregler enthält eine hochgenaue, elektronische Regelung, die dazu
notwendige Referenzspannung, Schutzschaltungen gegen Überlastung und Kurzschluss
sowie zu hohe Chiptemperatur. Ein solcher Regler ist also nahezu unzerstörbar. Zu hohe
Eingangsspannungen (U1) müssen aber vermieden werden, zumal die Wärmeverluste mit
der Eingangsspannung zunehmen und der Wirkungsgrad der Stromversorgung sinkt. Die
Eingangsspannung U1 sollte im Normalbetrieb etwa 5V größer als die Ausgangsspannung
U2 sein.
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1.3 Primärgetaktetes Schaltnetzteil
Moderne Stromversorgungen sind klein und leicht. Es lassen sich auch Wirkungsgrade von
über 90% erreichen. Der schwere Netztrafo wird ersetzt durch einen viel kleineren
Hochfrequenz-Übertrager mit Ferritkern. Die folgende Abbildung zeigt ein primärgetaktetes
Schaltnetzteil mit einem sog. Eintakt-Durchflusswandler.
Bild 4: Primärgetaktetes Schaltnetzteil
Primärgetaktete Netzteile besitzen einen Leistungstransistor als Schalter auf der Primärseite
des Übertragers. Die Schaltfrequenz liegt im Bereich 20 kHz bis über 100 kHz.
Schaltfrequenz fS und Periodendauer T bleiben konstant. Nach der üblichen
Pulsweitenmodulation (PWM) wird nur die Einschaltdauer des Transistors bzw. die
Pulsbreite verändert. Auf diese Weise lässt sich wieder die Ausgangspannung der
Stromversorgung verstellen und regeln.
Im Leistungsbereich zwischen 100 W und 500 W wird vielfach der Eintakt-Durchflusswandler
nach Bild 4 verwendet. Er enthält einen HF-Übertrager mit 3 Wicklungen. Die
Primärwicklung (Windungszahl N1) wird durch den Leistungstransistor an die
Kondensatorspannung von ca. 325 V geschaltet, die mit einem Gleichrichter aus der
üblichen Netzspannung entsteht. Die Sekundärspannung ist potentialfrei und entsprechend
der Windungszahl N3 reduziert. Zur Entmagnetisierung wird außerdem noch die Wicklung N2
benötigt. Während der Ausschaltphase des Transistors kann so die magnetische Energie im
Ferritkern vollständig abgebaut werden. Übliche Dimensionierung: N2 = N1.
Der Durchflusswandler kann im Prinzip als Tiefsetzsteller mit zusätzlichem Trafo oder
zusätzlicher Übersetzung N3 / N1 aufgefasst werden. Das Einschaltverhältnis ist aber wegen
der notwendigen Entmagnetisierung auf 0 ≤ D ≤ 50% begrenzt.
Primärgetaktete Schaltnetzteile haben auch Nachteile, nämlich unerwünschte
Netzrückwirkungen und EMV-Probleme. Das Wechselstromnetz wird mit nichtsinusförmigen, impulsartigen Strömen belastet.
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1.4 Stromversorgung mit Power Factor Correction (PFC)
Die Geräte der Unterhaltungselektronik, der Büro- und Kommunikationstechnik sowie der
Steuerungs- und Antriebstechnik belasten in immer größerer Stückzahl das öffentliche Netz
mit nicht-sinusförmigen Strömen. Diese unerwünschten Netzrückwirkungen beeinträchtigen
in ihrer Summe bereits die Qualität der Netzspannung. Es sind deshalb die Vorschriften über
die
zulässigen
Oberschwingungsströme
im
Jahr
2001
verschärft
worden.
(Oberschwingungsnorm EN 61000-3-2).
Die neueste Technik im Bereich der Stromversorgungen heißt PFC oder
Leistungsfaktorkorrektur. Ziel ist ein Leistungsfaktor λ = P / S nahe 1,0. Um dieses Ziel zu
erreichen, darf der Netzstrom weder eine Phasenverschiebung gegenüber der Spannung
noch Oberschwingungsanteile besitzen.
Mit einer aktiven Schaltung gemäß Bild 5 lässt sich der Leistungsfaktor deutlich verbessern.
Dabei wird ein Hochsetzsteller eingefügt, der aus der Speicherdrossel L, dem Schalter S
und der Leistungsdiode D besteht. Der Transistorschalter wird mit einem PFC – Controller
(z.B. Unitrode UC 3854) so ausgesteuert, dass vom Netz ein annähernd sinusförmiger
Strom gezogen wird. Ein nachgeschalteter DC–DC–Wandler übernimmt die Spannungsanpassung und die Potentialtrennung.
L
D
DC
L1
~
S
C0
N
RS
DC
Current
Sense
PFC
Controller
Waveform Input
UA
U0
Voltage
Sense
Bild 5: Stromversorgung mit aktiver PFC - Schaltung
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2. Versuchsaufbau
Oszilloskop
0
1
A
00000
11111
+ ( rot )
1
IN
4
ungeregelt
2
3
2,35 Ω
+ ( rot )
2
linearer
Regler
Spektrum
Analyser
Schaltregler
L1
V
UN
N
PFC
+
Belastung:
11Ω / 10A
IA
_ ( blau )
+ ( rot )
4
Stelltrafo
_ ( blau )
+ ( rot )
3
PN
( blau )
_ ( gelb )
_ ( blau )
1,7Ω / 20A
A
V
UA
_
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3. Versuchsdurchführung
3.1 Ungeregelte Stromversorgung
Daten: 24 V / 10 A / 240 W
Messen Sie bei konstanter Netzspannung, die am Stelltrafo eingestellt werden kann, die
Belastungskennlinien des ungeregelten Netzgeräts im Bereich 0 ≤ IA ≤ 10 A.
IA / A
UA / V
UN / V
IN / A
PN / W
einstellen und messen:
2
4
6
0
230
230
230
230
8
10
230
230
berechnen:
PA = UA I A
η = PA / P N
SN = UN IN
λ = PN / SN
Messen Sie die Restwelligkeit der Ausgangsspannung mit dem Oszilloskop und lesen Sie
den Spitze – Spitze – Wert Uss ab.
IA / A
Uss / V
4
10
3.2 Stromversorgung mit Festspannungsregler
Daten: 24 V / 4 A / 96 W
Messen Sie nun die Belastungskennlinien des linear geregelten Netzgerätes. Beachten Sie,
dass dieses Gerät wegen hoher Verluste nur Ausgangsströme bis IA = 4 A liefern kann!
IA / A
UA / V
UN / V
IN / A
PN / W
einstellen und messen:
2
2,5
3
0
230
230
230
230
3,5
4
230
230
berechnen:
PA = UA I A
η = PA / P N
SN = UN IN
λ = PN / SN
Messen Sie wieder die Restwelligkeit der Ausgangsspannung:
IA / A
Uss / V
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2
4
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3.3 Primärgetaktetes Schaltnetzteil
Daten: 24 V / 10 A / 240 W
Messen Sie beim primärgetakteten Schaltnetzteil wieder die Belastungskennlinien
im Bereich 0 ≤ IA ≤ 10 A.
IA / A
UA / V
UN / V
IN / A
PN / W
0
2
230
230
einstellen und messen:
4
6
230
230
8
10
230
230
berechnen:
PA = UA I A
η = PA / P N
SN = UN IN
λ = PN / SN
Messen Sie die Restwelligkeit der Ausgangsspannung Uss und ermitteln Sie die
Schaltfrequenz fS des Netzteils:
UN / V
230
IA / A
4
Uss / V
fS / kHz
3.4 Stromversorgung mit Power Factor Correction (PFC)
Daten: 24 V / 10 A / 240 W
Messen Sie schließlich bei der neuen Stromversorgung mit aktiver Verbesserung des
Leistungsfaktors die Belastungskennlinien im Bereich 0 ≤ IA ≤ 10 A.
IA / A
UA / V
UN / V
IN / A
PN / W
einstellen und messen:
2
4
6
0
230
230
230
230
8
10
230
230
berechnen:
PA = UA I A
η = PA / P N
SN = UN IN
λ = PN / SN
Ermitteln Sie mit dem Oszilloskop die Restwelligkeit Uss sowie die in der Ausgangsspannung
erkennbare Schaltfrequenz fS :
UN / V
230
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IA / A
4
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Uss / V
fS / kHz
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3.5 Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Netzspannung
Untersuchen Sie die Ausgangsspannung UA bei allen 4 Stromversorgungen in ihrer
Abhängigkeit von der Netzspannung UN.
Stellen Sie bei den Netzgeräten Nr. 1 – 4 jeweils den Betriebspunkt UN = 230 V und IA = 4 A
ein. Senken Sie nun die Netzspannung wie folgt ab:
UN / V
230
220
210
200
190
180
170
160
150
140
UA / V
Nr.1
UA / V
Nr.2
UA / V
Nr.3
UA / V
Nr.4
3.6 Verlauf des Netzstromes und Stromoberschwingungen
Bauen Sie auf der Netzseite einen Messwiderstand (0,2 Ohm) ein und beobachten Sie damit
den Netzstrom am Oszilloskop.
Untersuchen Sie speziell das Schaltnetzteil (Nr. 3) und das PFC – Gerät (Nr. 4) bei voller
Belastung mit IA = 10A. Führen Sie in diesen beiden Fällen eine Fourier – Analyse des
Netzstromes durch. Verwenden Sie hierzu den Oberschwingungsanalysator NOWA – 1 und
drucken Sie die beiden Messprotokolle aus.
4. Auswertung
4.1 Stellen Sie die Belastungskennlinien UA = f (IA) für alle 4 Netzgeräte in einem Diagramm
dar. Erläutern Sie die Ergebnisse.
4.2 Stellen Sie den Wirkungsgrad η = f (IA) für alle 4 Geräte in einem Diagramm dar und
diskutieren Sie die Ergebnisse.
4.3 Zeichnen Sie den Leistungsfaktor λ = f (IA) für alle 4 Geräte maßstäblich auf und
begründen Sie die Ergebnisse.
4.4 Zeichnen Sie die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Netzspannung
UA = f (UN) für alle 4 Stromversorgungen in einem Diagramm und erläutern Sie die
Ergebnisse.
4.5 Zeichnen Sie das Oberschwingungsspektrum des Netzstromes beim primärgetakteten
Schaltnetzteil (Nr. 3) und beim PFC – Gerät (Nr. 4) maßstäblich auf. Vergleichen Sie die
Ergebnisse.
4.6 Stellen Sie Vor- und Nachteile zu jeder Stromversorgung zusammen.
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