1 Theorie - Ostfalia Hochschule
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Labor Elektronische Schaltungen Prof. Dr. P. Stuwe Dipl.-Ing. B. Ahrend Versuch 1: Linear geregeltes Netzteil 1 Theorie Die Stromversorgung elektronischer Einrichtungen oder Geräte kann z.B. aus dem Netz, aus Batterien bzw. Akkumulatoren oder auch aus Solarzellen erfolgen. Oftmals entspricht die zur Verfügung stehende Spannung (z.B. die 230 V - Netzwechselspannung) nicht derjenigen Spannung, die zur Versorgung eines elektronischen Gerätes erforderlich ist. So ist es die Aufgabe einer Stromversorgung, die zur Verfügung stehende Eingangsspannung in eine gewünschte Ausgangsspannung umzuformen. Handelt es sich bei der zur Verfügung stehenden Spannung um die Netzspannung, so spricht man auch von einem Netzteil. In diesem Versuch wird insbesondere auf diese Art von Netzteilen und ihre Bestandteile eingegangen. Aufgabe eines Netzteiles ist oft, aus einer Netzwechselspannung eine sehr viel niedrigere Gleichspannung zu erzeugen, welche i.A. zur Versorgung elektronischer Schaltungen benötigt wird. Der Anspruch an Stabilität, Einstellbarkeit, Restwelligkeit und Belastbarkeit der Ausgangsspannung bestimmt die Art und die Dimensionierung eines Netzteils. Aufgrund der unterschiedlichen Arbeitsweise unterscheidet man ungeregelte Netzteile, die (klassischen) linear geregelten Netzteile und die Schaltnetzteile. Während bei konstanter Last ein ungeregeltes Netzteil seinen Zweck erfüllen kann, erfordert eine wechselnde Ausgangslast ein stabilisiertes oder geregeltes Netzteil. Abb. 1 : Funktionsblöcke eines Netzteils mit linearer Regelung Das Blockschaltbild eines linear geregelten Netzteiles ist in Abb. 1 dargestellt. Der Netztransformator transformiert die Netzspannung in eine (oder mehrere) niedrigere Ausgangswechselspannung(-en). Nach der Gleichrichtung wird die entstandene pulsierende Spannung geglättet bzw. gesiebt und schließlich einer Stabilisierungs- oder Regelstufe zugeführt. V 2.1 14.03.2012 Ostfalia Hochschule Labor Elektronische Schaltungen Abb. 2 : Prinzip eines primär getakteten Schaltnetzteils (Schaltregler) Bei einem primär getakteten Schaltnetzteil wird zunächst die Netzspannung gleichgerichtet und geglättet. Diese Spannung wird über einen Transistor mit hoher Frequenz auf die Primärwicklung eines Transformators durchgeschaltet. Das Schalten bei hohen Frequenzen (50 – 200 kHz) erlaubt die Verwendung wesentlich kleinerer Transformatoren. Die transformierte, hochfrequente Sekundärspannung wird abschließend wieder gleichgerichtet und gesiebt. Über das Puls-Pausen-Verhältnis des Schaltsignals lässt sich die Höhe der Ausgangsspannung steuern oder regeln. Abb. 2 zeigt das vereinfachte Blockschaltbild eines primär getakteten Schaltnetzteils. Häufig wird ein solcher Schaltregler auch nach einem Transformator, einer Autobatterie oder einer Solarzelleneinheit eingesetzt, um aus einer schwankenden Eingangsspannung eine stabile Ausgangsspannung zu erzeugen. In diesem Laborversuch soll allerdings ein linear geregeltes Netzteil aufgebaut werden, daher geht der theoretische Teil in erster Linie auf die Funktionsblöcke dieser Netzteile ein. 1.1 Kenngrößen des Transformators Die im Zusammenhang mit Netzteilen wichtigen Kenngrößen des Transformators sind neben Nennspannung UN und Nennstrom IN sein Verlustfaktor fV sowie sein Innenwiderstand RiTr . Der Verlustfaktor fV ist definiert als Verhältnis von Leerlaufspannung UL zu Nennspannung: fV UL UN Die Verlustfaktoren für verschiedene Trafo-Kerne mit primärer Standardwicklung (230 V / 50 Hz) können z.B. einer Tabelle in [1] entnommen werden. Für den Innenwiderstand gilt: 2 Ostfalia Hochschule Labor Elektronische Schaltungen RiTr UL UN IN IL bzw. RiTr RiTr Für IL = 0 (Leerlauf) gilt dann: U N ( f V 1) . IN UL UN IN 1.2 Gleichrichterschaltungen 1.2.1 Einweggleichrichter Bei einem Einweggleichrichter wird nur eine Halbwelle der Transformatorspannung genutzt. Der Ladekondensator C wird während der positiven Halbwelle über die Diode auf den Spitzenwert der Eingangsspannung - abzüglich des Spannungsfalls UD der Diode - aufgeladen. Wird die Schaltung nicht belastet, so steht am Ausgang die Gleichspannung U A0 uˆE U D 2 U E U D an. Bei Belastung der Schaltung durch RL ergibt sich für die Ausgangsspannung nach [1] folgende RiTr Näherung: U A U A0 1 RL Abb. 3 : Einweggleichrichtung Die maximale auftretende Sperrspannung an der Diode beträgt: U D,Sperr 2 uˆE 2 2 U E . Durch das periodische Teilentladen und Nachladen des Kondensators C schwankt die Ausgangsspannung uA(t) periodisch um ihren zeitlichen Mittelwert U. Bei Netzteilen von Audiogeräten (z.B. Radios) lässt sich diese Schwankung der Ausgangsgleichspannung als Brummen hören. Daher wird der Wechselanteil dieser Mischspannung auch als Brummspannung UBr bezeichnet. Diese in Abhängigkeit von der Last auftretende Brummspannung bei der Netzfrequenz fN lässt sich gemäß [1] näherungsweise folgendermaßen abschätzen: U BrSS I A RiTr 4 1 C f N RL Der Nachteil des Einweggleichrichters ist die hohe Welligkeit schon bei geringer Last und die Gleichstrom-Belastung des Transformators. 3 Ostfalia Hochschule Labor Elektronische Schaltungen 1.2.2 Mittelpunktschaltung Durch Nutzung beider Halbwellen der Transformatorspannung lässt sich eine geringere Welligkeit erzielen. Bei der Mittelpunktschaltung (siehe Abb. 4) ist dafür ein Trafo mit Mittelabgriff oder mit zwei Sekundärwicklungen gleicher Spannung erforderlich. Während der positiven Halbwelle der Spannung U AB wird der Kondensator über Diode D1 auf nahezu u = ûAB aufgeladen. Mit der darauf folgenden positiven Halbwelle von U CB wird der Kondensator dann über D2 ebenfalls auf u = ûCB geladen. Leerlaufausgangsspannung UA0 und maximale Dioden-Sperrspannung UD,Sperr ergeben sich wie bei dem Einweggleichrichter. Für die Ausgangsspannung bei anliegender Last gilt näherungsweise: RiTr U A U A0 1 2 RL Die Brummspannung ist somit deutlich geringer als beim Einweggleichrichter: U BrSS IA RiTr 1 4 2C f N 2 RL Abb. 4 : Zweiweggleichrichter in Mittelpunktschaltung Die Abb. 5 zeigt eine andere Mittelpunktschaltung. Diese nutzt auch die negativen Halbwellen der Spannungen UAB und UCB. Sie beeinflusst die erste Schaltung nicht. Mit ihr lassen sich zwei zur Masse symmetrische Ausgangsspannungen erzeugen. Die vier Dioden bilden Brückengleichrichter (Graetz-Schaltung). Abb. 5 : Mittelpunktschaltung für (Masse-)symmetrische Ausgangsspannungen 4 Ostfalia Hochschule Labor Elektronische Schaltungen 1.2.3 Brückengleichrichter Der Brückengleichrichter lässt sich auch bei nur einer Trafospannung und nur einer Ausgangsspannung gemäß Abb. 6 verwenden. Während der positiven Halbwelle leiten D1 und D3 und der Kondensator wird auf den Spitzenwert der Transformatorspannung abzüglich des Spannungsabfalls über den beiden Dioden aufgeladen. Bei der negativen Halbwelle wird C über D4 und D2 geladen. Die Ausgangsspannung im Leerlauf ist also: U A0 uˆ AB 2U D 2 U AB 2U D . Ausgangsspannung unter Last UA, Abb. 6 : Zweiweggleichrichtung mit Brückengleichrichter maximale Diodensperrspannung UD,Sperr und Brummspannung UBr,SS ergeben sich wie bei der Mittelpunktschaltung. 1.2.4 Spannungsvervielfachung Zu einer einfachen Spannungsverdoppelung eignet sich die in Abb. 7 gezeigte Delon-Schaltung. Sie besteht praktisch aus jeweils einem Einweggleichrichter für jede Halbwelle. Die Gleichrichter sind ausgangsseitig in Reihe geschaltet, so dass sich am Ausgang der Schaltung der doppelte Spitzenwert der Eingangsspannung abgreifen lässt (unbelasteter Ausgang, die Spannungsabfälle über den Dioden werden unter diesem Punkt nicht berücksichtigt). Als nachteilig kann es sich auswirken, dass kein Ausgangs- Abb. 7 : Delon-Schaltung pol auf Masse liegt und dass keine weitere Vervielfachung der Ausgangsspannung möglich ist. Anders ist dieses bei der VillardSchaltung in Abb. 8. Während der negativen Halbwelle wird der Kondensator C1 über D1 auf den Spitzenwert u der Eingangsspannung aufgeladen. Bei der positiven Halbwelle sperrt D1 und C2 wird über D2 auf ˆ U A 2 u U D aufgeladen. Dieser Abb. 8 : Villard-Schaltung Spannungswert entsteht durch Reihenschaltung von C1 und dem Widerstand der Trafowicklung und steht am Ausgang der Schaltung an. 5 Ostfalia Hochschule Labor Elektronische Schaltungen Durch Kaskadierung mehrerer Villard-Schaltungen lässt sich eine Vervielfachung der Eingangsspannung über den Faktor zwei hinaus erreichen. Eine dementsprechende Schaltung zeigt Abb. 9. Die Schaltung besteht aus n 3 Villard-Schaltungen und erzeugt eine Ausgangsspannung von U A 2n(uˆ U D ) . Die Schaltung besitzt allerdings einen hohen Innenderstand, sodass die Ausgangsspannung nur bei einem relativ kleinem Ausgangsstrom zur Verfügung steht. Des Weiteren steigt mit der Anzahl der Stufen auch die Zeit, die nach dem Einschalten vergeht, bis die Ausgangsspannung den gewünschten Wert erreicht hat. Abb. 9 : Kaskadierte Villard-Schaltung 1.3 Stabilisierung und Regelung 1.3.1 Stabilisierung mit Z-Dioden Eine einfache Spannungsstabilisierung lässt sich bereits mit einer Zener-Diode Z1 gemäß Abb. 10 realisieren. Ausgenutzt wird dabei der Effekt, dass im Bereich der Durchbruchspannung eine große Änderung des Stromes I Z durch die Diode nur eine geringe Änderung der Spannung U Z hervorruft (sehr kleiner differentieller Diodenwiderstand im Arbeitspunkt). Die Schaltung muss so dimensioniert sein, dass die Eingangsspannung U E abzüglich des Spannungsabfalls am Vorwiderstand RV noch größer als die Zenerspannung der Diode bleibt. Der maximal entnehmbare AusAbb. 10 : Stabilisierung mit Z-Diode gangsstrom ist dann: U UZ I A max E RV Zu beachten ist, dass I Amax bei unbelastetem Ausgang durch die Diode fließt und dabei die Verlustleistung PVZ U Z I Amax umgesetzt wird. 6 Ostfalia Hochschule Labor Elektronische Schaltungen 1.3.2 Spannungsstabilisierung mit Längstransistor Abb. 11 : Spannungsregelung mit Längstransistor: (a) UA liegt fest, (b) UA ist einstellbar In der in Abb. 11 dargestellten Schaltung wird eine mittels Z-Diode Z1 stabilisierte Referenzspannung URef erzeugt. Diese Spannung wird an die Basis des in Kollektorschaltung (Emitterfolger) betriebenen Transistors gelegt. Am Ausgang stellt sich eine Spannung UA = URef - UBE ein. Verkleinert man RL, so vergrößert sich der Basisstrom IB und damit IC. Die Ausgangsspannung verringert sich durch die etwas größere Basis-Emitter-Spannung UBE nur wenig. Es muss allerdings dafür gesorgt werden, dass ein entsprechender Basisstrom fließen kann bzw. dass der Transistor eine ausreichend große Stromverstärkung aufweist. Oftmals finden dabei Darlington-Transistoren Verwendung. Für die im Transistor umgesetzte Verlustleistung gilt: PV (U E U A ) I A . Bei einem einstellbaren Netzteil, welches nach diesem Prinzip arbeitet, wird somit bei der kleinsten Ausgangsspannung und maximalem (Nenn-)Strom die größte Verlustleistung im Transistor umgesetzt. Die größte einstellbare Ausgangsspannung beträgt: UAmax = UREF - UBE . 1.3.3 Spannungsregelung (Längsregelung) Das Prinzip der Spannungsregelung ist die Ansteuerung des Längstransistors über ein Differenzsignal, welches aus dem Vergleich der Ausgangsspannung mit einer internen Referenzspannung hervorgeht. In der in Abb. 12 dargestellten Schaltung findet der Vergleich am Transistor T2 statt. Sinkt die Ausgangsspannung z.B. durch Verkleinerung des Lastwiderstandes, so verkleinert sich auch die aus der Ausgangsspannung erzeugte Teilspannung Uist und damit die Basis-Emitter-Spannung von T2. Der Transistor wird zugesteuert und aufgrund des kleineren Stromes durch R2 steigt das Potential an der Basis von T1. Dieser Transistor wird stärker durchgesteuert und bewirkt eine Erhöhung der Ausgangsspannung bis der Sollwert erreicht ist. 7 Ostfalia Hochschule Labor Elektronische Schaltungen Eine Erhöhung der Ausgangsspannung z.B. durch Vergrößerung des Lastwiderstandes führt zum entgegengesetzten Effekt. T2 wird stärker durchgesteuert, der Strom durch R2 wird größer und das Potential an der Basis von T1 wird kleiner. Der Transistor wird damit zugesteuert, der Spannungsabfall über der Kollektor-EmitterStrecke von T1 wird größer und die Ausgangsspannung sinkt bis auf den eingestellten Sollwert. Abb. 12 : Spannungsregelung mit einstellbarer Ausgangsspg. 1.3.4 Schutzschaltungen In Abb. 13 sind drei Möglichkeiten der Ausgangsstrombegrenzung dargestellt. Steigt in Version (a) der Spannungsabfall an R1 über ca. UD ≈ 0,6 V, so leiten die beiden in Serie geschalteten Dioden und der Basisstrom kann sich nicht mehr wesentlich vergrößern. Der Kollektorstrom wird dadurch auf einen Maximalwert von ca. UD /R1 begrenzt. Ungünstig ist bei dieser Variante allerdings, dass der Kurzschlussstrom größer ist als der Nennstrom und somit bei Kurzschluss eine sehr hohe Verlustleistung PV UE IK am Transistor umgesetzt wird. Abb. 13 : Verschiedene Realisierungsmöglichkeiten von Ausgangsstrombegrenzungen 8 Ostfalia Hochschule Labor Elektronische Schaltungen In Version (b) wird die Basis-Emitter-Strecke des Längstransistors T1 durch einen zusätzlichen Transistor T2 überbrückt und T1 zugesteuert, sobald die Spannung an R1 über 0,6 V ansteigt. Der Kurzschlussstrom ist bei geschickter Dimensionierung kaum größer als der Nennstrom. Mit Schaltung (c) lässt sich erreichen, dass der Kurzschlussstrom kleiner ist als der Nennstrom. Auf diese Weise wird erreicht, dass im Kurzschlussfall (UA 0 V, IA = IAmax) der Transistor T1 nicht die vollständige Verlustleistung absorbieren muss. Die Durchbruchspannung der Z-Diode D wird so groß gewählt, dass diese bei Normalbetrieb (UA >> 0 V) nicht überschritten wird. Sinkt dann im Falle eines Kurzschlusses die Spannung am Ausgang stark ab (Masche aus UZ, UR3 und UBE2 von T2 bis zum kurzgeschlossenen Ausgang) wird T2 durch den nun zusätzlich durch Z und R3 fließenden Strom weiter aufgesteuert und so der Ausgangsstrom zusätzlich begrenzt. Diese Begrenzung erfolgt also in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung und führt zur sogenannten „fold-back“-Kennlinie, also einem abnehmenden Ausgangsstrom bei abnehmender Ausgangsspannung. . 1.3.4.1 Multifuse-Sicherung Um den Trafo sekundärseitig abzusichern, können gewöhnliche Schmelzsicherungen oder auch sogenannte Multifuse-Sicherungen verwendetet werden. Hierbei handelt es sich um nichtlineare Widerstände ( PTC / Kaltleiter ). Durch den Strom im Sekundärkreis erwärmt sich der PTC. Steigt der Strom im Sekundärkreis über einen bestimmten Wert an, so erreicht der PTC eine Temperatur bei der sich sein Widerstand sprunghaft erhöht und der Strom wird dadurch begrenzt. Der große Vorteil liegt in der Wiederverwendbarkeit des Bauteils. Ist es wieder abgekühlt, kann es ohne Eingriff o.ä. sofort weiter verwendet werden. 9 Ostfalia Hochschule Labor Elektronische Schaltungen Labor Elektronische Schaltungen Prof. Dr. P. Stuwe Dipl.-Ing. B. Ahrend Versuch 1: Linear geregeltes Netzteil Gruppennummer: Name: …............................................................ Matr.-Nr.: ...................... Name: …............................................................ Matr.-Nr.: ...................... Name: …............................................................ Matr.-Nr.: ...................... …................ Datum: …................ Vortestat Durchführung (Note) Bericht (Note) Gesamtbewertung …................ ….......................... …........................... …............................. 2 Versuchsdurchführung Bitte beachten: Die Messwerte des Oszilloskops müssen auf einem USB-Stick mit max. 2 GB archiviert werden. Sollten Sie über keinen verfügen, melden Sie sich bitte rechtzeitig! Benötigte Geräte: Aufbau mit Transformator, Gleichrichter und Ladekondensatoren Oszilloskop TDS 2022 B Multimeter M-3860M oder UT-803 Widerstandslastdekade Verwendete Bauteile: CL1 = 470 µF, CL2 = 1000 µF , Z1 : C5V6 , T1 : 2N3055 (montiert auf Kühlkörper), T2 , T3 : BSX62 10 , R2 = 4,7 k, R3 = 2,5 k , R4 = 1,25 k, R5 = 1 , P = 10 k, D1 D2 D3 D4 : 1N4007 2.1 Vorbereitung der Durchführung 1) Berechnen Sie den Vorwiderstand R1 der Z-Dioden-Referenz in Schaltung 1 (vgl. Abb. 14) für einen max. Zenerdiodenstrom von IZmax = 4,5 mA und UCL2 = 18 V (bei Leerlauf am Ausgang). 2) Skizzieren Sie die erwarteten Verläufe über einen angeschlossenen Abschlusswiderstand am Ausgang eines idealen Transformators mit einem Übersetzungsverhältnis von ü = 1 bei Anregung der Primärseite mit UE =12 V und f =50 Hz, bei folgender Beschaltung der Sekundärseite (Auf korrekte Achsenbeschriftung achten!): a. Nur Abschlusswiderstand b. Einweggleichrichter mit Abschlusswiderstand c. Zweiweggleichrichter mit Abschlusswiderstand d. Zweiweggleichrichter mit Ladekondensator und Abschlusswiderstand 10 Ostfalia Hochschule Labor Elektronische Schaltungen 2.2 Messungen am Trafo / am Trafo mit Gleichrichter und Elko Der Transformatorinnenwiderstand RiTr ist durch Messung der Lastströme IA und der Ausgangsspannungen UA bei Belastung mit RL = 10 und RL = 100 (Buchsen am elektronischen Lastwiderstand) zu bestimmen. Schließen Sie anschließend den Brückengleichrichter und CL1 an und stellen Sie durch Verändern des Lastwiderstands RL (passive Widerstandslastdekade) einen Ausgangsstrom von IA = 0,8 A ein (kontrollieren!). Bestimmen Sie mittels Oszilloskop die Brummspannung UBrSS. Zusätzlich ist die Höhe der Ausgangsspannung mit einem Digitalmultimeter zu messen. Führen Sie die gleichen Messungen mit CL2 durch. Stellen Sie bei einem Ausgangsstrom von IA = 0,8 A auf dem Oszilloskop die Ausgangsspannung uA(t) und den Ladestrom iC(t), der durch den Gleichrichter fließt, dar. Die Messung erfolgt hinter dem Gleichrichter. Als Messwiderstand für den Strom dient ein 1Widerstand. Verwenden Sie zunächst CL1 und dann CL2 . Drucken Sie jeweils das Schirmbild aus. 2.3 Spannungsstabilisierung mit Längstransistor und Z-Dioden Referenz Abb. 14: Schaltung 1 Bauen Sie Schaltung 1 auf. Als Ladekondensator wird im Folgenden CL2 verwendet. Messen Sie die Ausgangsspannung UA (spannungsrichtige Messung), die Zenerspannung U Z und den Basisstrom I B als Funktion des Ausgangsstroms IA (IA bei allen Versuchsteilen max. 0,8 A). 11 Ostfalia Hochschule Labor Elektronische Schaltungen Abb. 15: Schaltung 2 Nun wird Transistor T2 wie in Schaltung 2 (vgl. Abb.15 ) zugeschaltet, es entsteht somit ein Darlington- Transistor. Wiederholen Sie die an der vorhergehenden Schaltung durchgeführten Messungen an dieser Schaltung. Wechseln Sie auch hier bei der Messung von IB nicht den Messbereich (MB: 4 mA am M-3860M). 2.4 Spannungsregelung mit einstellbarer Ausgangsspannung Die Schaltung wird nun um die für Regelung und Einstellung der Ausgangsspannung erforderlichen Bauteile erweitert: Regeltransistor T3 mit Arbeitswiderstand R2 sowie der einstellbare Spannungsteiler aus R3 und P (Schaltung 3 / Abb. 16). Die Funktionen der Ausgangsspannung U A f( I A ) und der Brummspannung U BrSS f( I A ) sowie die Spannung am Ladekondensator U CL2 f( I A ) sind für die drei (Leerlauf-) Ausgangsspannungen UA1 = 8 V, UA2 = 10 V, UA3 = 12 V aufzunehmen. Stellen Sie dabei jeweils für den größten Belastungsfall uCL2(t) und uA(t) auf dem Oszilloskop dar und speichern Sie das Schirmbild. 12 Ostfalia Hochschule Labor Elektronische Schaltungen Abb. 16: Schaltung 3 Statten Sie abschließend Ihre Schaltung mit einer Strombegrenzung aus (Schaltung 4 / Abb. 17) und nehmen Sie die Funktion UA = f ( IA) für UA0 = 10 V auf. Abb. 17: Schaltung 4 13 Ostfalia Hochschule Labor Elektronische Schaltungen 3 Auswertung Folgende Aufgaben müssen im Rahmen der Ausarbeitung bearbeitet werden: Stellen Sie die Funktionen graphisch dar. Diskutieren Sie Vor- und Nachteile unterschiedlich bemessener Glättungskondensatoren (In Anlehnung an 2.3). Welches Verhalten zeigt Schaltung 1 bei Vergrößerung des Ausgangsstroms? Erklären Sie die schaltungstechnischen Ursachen für dieses Verhalten stichpunktartig. Berechnen Sie zu Schaltung 1 und 2 jeweils die Stromverstärkung des Längselements und stellen Sie die Funktionen B f( I A ) dar. Geben Sie ein schaltungstechnisches Beispiel (Ergänzung zu Schaltung 4) für eine Strombegrenzung am Ausgang auf 1,4 A (Stichworte genügen). Literatur: [1] U. Tietze, Ch. Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, 12. Aufl., Springer-Verlag 2002 14
