Schaltnetzteile und ihre Peripherie

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Ulrich Schlienz
Schaltnetzteile
und ihre
Peripherie
Dimensionierung, Einsatz, EMV
Mit 296 Abbildungen
Herausgegeben von Otto Mildenberger
vieweg
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Inhalt
1
Einführung
1
1.1
1.2
1.3
1
3
4
4
5
6
6
7
8
1.4
1.5
2
Der Abwärtswandler
10
2.1
10
12
12
13
14
16
18
19
19
19
20
21
22
22
23
2.2
2.3
3
Vorbemerkung
Stromversorgungen
PFC Power-Factor-Corrector
1.3.1
Problemstellung
1.3.2
Lösung durch PFC
Die Ladungspumpe
1.4.1
Schaltungsbeispiele
1.4.2
Wirkungsgrad und Ausgangsleistung einer Ladungspumpe
Idealisierung
Der Abwärtswandler mit nicht lückendem Strom
2.1.1
Berechnung der Ausgangsspannung
2.1.2
Berechnung der Induktivität L
2.1.3
Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb
2.1.4
Die Größe des Ausgangskondensators
2.1.5
Numerische Bestimmung des Effektivwertes
Der Abwärtswandler mit lückendem Strom
2.2.1
Der Eingangsstrom
2.2.2
Der Ausgangsstrom
2.2.3
Die Ausgangsspannung
2.2.4
Grenze zum nicht lückenden Betrieb
2.2.5
Tastverhältnis in Abhängigkeit des Ausgangsstroms
Der Abwärtswandler mit Umschwingkondensator
2.3.1
Vorbemerkung
2.3.2
Schaltung beim Abwärtswandler
Der Aufwärtswandler
25
3.1
25
26
27
28
28
29
29
30
30
31
31
32
34
3.2
3.3
Der Aufwärtswandler mit nicht lückendem Strom
3.1.1
Berechnung der Ausgangsspannung
3.1.2
Der Eingangsstrom
3.1.3
Berechnung des Ausgangsstromes
3.1.4
Berechnung der Induktivität L
3.1.5
Die Größe der Ausgangskapazität
3.1.6
Die Grenze des nicht lückenden Betriebs
Der Aufwärtswandler mit lückendem Strom
3.2.1
Die Stromverläufe
3.2.2
Berechnung der Ausgangsspanung
3.2.3
Normierung
3.2.4
Die Grenze zum nicht lückenden Betrieb
Bidirektionaler Energiefluss
VIII
4
Inhaltsverzeichnis
Der Inverswandler
38
4.1
38
40
41
42
43
4.2
5
Der Sperrwandler
47
5.1
47
48
49
50
51
52
55
5.2
5.3
6
56
6.1
56
57
58
59
60
61
61
62
63
63
Der Eintaktflusswandler mit nicht lückendem Strom
6.1.1
Die Ausgangsspannung
6.1.2
Die Primärseite
6.1.3
Die Induktivität L
6.1.4
Grenze des nicht lückenden Betriebs
Der Eintaktflusswandler mit lückendem Strom
6.2.1
Die Strom- und Spannungsverläufe
6.2.2
Normierte Ausgangsgrößen
6.2.3
Die Grenze des lückenden Betriebs
6.2.4
Die Ausgangsdiagramme
Der Gegentaktflusswandler
65
7.1
65
66
67
70
70
71
72
72
72
73
7.2
7.3
8
Der Sperrwandler mit nicht lückendem Strom
5.1.1
Die Ausgangsspannung
5.1.2
Berechnung der Induktivität L
5.1.3
Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb
Der Sperrwandler mit lückendem Strom
5.2.1
Berechnung der Ausgangskennlinien
Beispiel: Sperrwandler mit zwei Ausgangsspannungen
Der Eintaktflusswandler
6.2
7
Der Inverswandler mit nicht lückendem Strom
4.1.1
Die Ausgangsspannung
4.1.2
Berechnung der Induktivität L
4.1.3
Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb
Der Inverswandler mit lückendem Strom
Schaltung und Kurvenverläufe
7.1.1
Die Ausgangsspannung
7.1.2
Ansteuerung des Gegentaktwandlers
Brücken
7.2.1
Primärseite
7.2.2
Sekundärseite
Sperrverzugszeit von Dioden
7.3.1
Problemstellung
7.3.2
Messschaltung
7.3.3
Abhilfe
Resonanzwandler
75
8.1
75
75
78
79
80
80
Die Boucherot-Schaltung
8.1.1
Beziehungen
8.1.2
Ansteuerung mit Rechteckspannung
8.1.3
Berechnung der dritten Oberwelle
8.1.4
Realisierung der Rechteckspannung
8.1.5
Ein Ausführungsbeispiel: 12V-Vorschaltgerät für Energiesparlampe
Inhaltsverzeichnis
8.2
8.3
8.4
9
Gegentaktwandler mit Umschwingen des Drosselstromes
8.2.1
Grundschaltung
8.2.2
Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Schaltzeiten
8.2.3
Ausgangskennlinie
8.2.4
Periodendauer in Abhängigkeit der Ausgangsspannung
8.2.5
Umschwingbedingung
Resonanzwandler mit variabler Frequenz
8.3.1
Schaltung
8.3.2
Vereinfachte Schaltung
8.3.3
Ersatzschaltung zur Betrachtung von einem Schaltvorgang
8.3.4
Spannungs- und Stromverläufe
8.3.5
Beziehungen
8.3.6
Berechnung der Ausgangsspannung
Vergleich „hartes" Schalten - Umschwingen
8.4.1
Beispielschaltung
8.4.2
Beziehungen
8.4.3
Auswirkung auf die ohmschen Verluste der Drossel
8.4.4
Zusammenfassung
Leistungsschalter
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
9.6
9.7
Der MOSFET
9.1.1
Das Schaltzeichen des MOSFET
9.1.2
Die Body-Diode
9.1.3
Das Ersatzschaltbild des MOSFET
9.1.4
Einschaltvorgang
9.1.5
Ausschaltvorgang
9.1.6
Die Gate-Ladung des MOSFET
9.1.7
Die Avalanchefestigkeit
DerSenseFET
Der TOPFET
DerlGBT
9.4.1
Das Schaltzeichen des IGBTs
9.4.2
Das Ersatzschaltbild des IGBTs
9.4.3
Schaltverhalten
9.4.4
Weitere Leistungsschalter
Schaltverluste
9.5.1
Abschaltvorgang mit ohmscher Last
9.5.2
Abschaltvorgang mit induktiver Last
9.5.3
Abschaltvorgang ohne Schaltverluste
Verbesserte Freilaufdiode
Verpolschutzdiode (Kfz)
10 Treiberschaltungen für MOSFETs und IGBTs
10.1 Einfache Treiberschaltungen
10.1.1 Ansteuerung mit CMOS-Gattern
10.1.2 Treiber mit Push-Pull-Stufe
10.1.3 Aktives Abschaltnetzwerk am Gate
10.1.4 Treiber-ICs
IX
82
82
83
84
85
86
88
88
88
89
89
90
91
92
92
93
96
97
98
98
98
98
100
100
101
101
102
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105
106
106
106
107
107
107
108
109
110
111
111
113
113
114
114
115
116
Inhaltsverzeichnis
10.2 Treiberschaltungen mit Potenzialtrennung
10.2.1 Treiberschaltung mit einstellbaren Schaltzeiten
10.2.2 Treiber mit Impulsübertrager
10.2.3 Primäransteuerung des Impulsübertragers
10.2.4 Dimensionierung des Impulsübertragers
10.2.5 Potenzialfreie Ansteuerung eines Polwenders
10.2.6 Ansteuerung mit verzögertem Einschalten
10.2.7 Primäransteuerung
10.3 Treiberschaltungen für DC-Motoren
10.3.1 High-Side-Schalter mit Ladungspumpe
10.3.2 Versorgung für den High-Side-Schalter
10.4 DC-Motoren
10.4.1 Ersatzschaltbild eines DC-Motors
10.4.2 Belastungskurven
10.4.3 Drehzahlvorsteuerung
11 Regelung der Wandler
11.1
11.2
11.3
11.4
PWM-Erzeugung
Regelung der Ausgangsspannung
Einsatz von integrierten Schaltkreisen
Verwendung von Mikrocontrollern
11.4.1 DA-Wandler
11.4.2 Programmierter PWM-Generator
11.5 Programmierung eines PI-Reglers
11.5.1 Tipps rund um den Prozessor
12 Magnetische Bauteile
12.1 Grundlagen des magnetischen Kreises
12.1.1 Die Luftspule
12.1.2 Der magnetische Kreis mit Ferrit
12.2 Dimensionierung von Spulen
12.2.1 Vorbemerkung
12.2.2 Aussteuerung des magnetischen Kreises
12.2.3 Bestimmung des AL-Wertes
12.2.4 Ersatzschaltbild der realen Spule
12.2.5 Ortskurve der Spule
12.2.6 Kupferverluste in der Wicklung
12.2.7 Verlustwinkel und Güte
12.3 Der Transformator
12.3.1 Allgemeine Beziehungen für sinusförmige Verläufe
12.3.2 Das Streuersatzschaltbild des Trafos
12.3.3 Dimensionierung des Trafos
12.4 Dimensionierung von Wicklungen
12.4.1 Die Primärwicklung
12.4.2 Skin-Effekt
12.4.3 Folienwicklung
12.4.4 Der Wicklungsaufbau
12.4.5 Luftstrecken und Überschlagsfestigkeit
117
117
118
122
123
124
127
128
129
129
132
133
133
133
134
135
135
136
137
138
138
141
146
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149
149
149
151
156
156
157
157
158
159
159
160
161
161
163
166
168
168
169
171
172
173
Inhaltsverzeichnis
12.5 Stromspitzen bei Transformatoren
12.5.1 Auswirkung der Magnetisierungskurve
12.5.2 Normalbetrieb
12.5.3 Ausfall von Netzhalbwellen
12.5.4 Einschalten eines Netztrafos im Nulldurchgang der Spannung
13 Kondensatoren für die Leistungselektronik
13.1 Grundsätzliches
13.2 Elektrolytkondensatoren
13.2.1 Verlustfaktor von Elektrolytkondensatoren
13.2.2 Resonanzfrequenz von Elektrolytkondensatoren
12.2.3 Wechselstrombelastbarkeit von Elektrolytkondensatoren
13.3 Folienkondensatoren
14 Die Kopplungsarten
14.1 Allgemeines
14.1.1 Verkopplungen erkennen
14.2 Die Widerstandskopplung
14.2.1 Prinzip der Widerstandskopplung
14.2.2 Abhilfemaßnahmen
14.2.3 Beispiele
14.2.4 Widerstandsberechnung
14.3 Die kapazitive Kopplung
14.3.1 Prinzip der kapazitiven Kopplung
14.3.2 Vermeidung und Abhilfemaßnahmen
14.3.3 Beispiele
14.3.4 Einfacher Nachweis elektrischer Felder im Labor
14.4 Die magnetische Kopplung
14.4.1 Prinzipdarstellung der magnetischen Kopplung
14.4.2 Abhilfemaßnahmen bei magnetischer Einkopplung
14.4.3 Beispiele
14.4.4 Einfaches Messen von magnetischen Störungen im Labor
14.5 Strahlungskopplung
14.5.1 Allgemeines
14.5.2 Prinzip der Strahlungskopplung
14.5.3 Abhilfemaßnahmen
14.5.4 Messungen am Kraftfahrzeug
15 Störquellen
15.1 Zeitbereich - Frequenzbereich
15.1.1 Bandbreite
15.1.2 Störempfindlichkeit
15.1.3 Messprinzip
15.2 Fourierreihen
15.3 Der Rechteckimpuls
15.4 Der Trapezverlauf
15.5 Störungen in einem konventionellen Netzteil
XI
175
175
176
176
177
178
178
179
179
180
180
183
186
186
187
189
189
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191
195
197
197
198
199
201
202
202
202
203
205
206
206
206
207
208
209
209
209
210
210
211
212
218
221
XII
Inhaltsverzeichnis
16 Symmetrie
16.1 Prinzip der Symmetrie
16.2 Wie erreichen wir Symmetrie?
16.3 Definition der Masse
16.4 Einfluss von leitenden Flächen
16.5 Verdrillte Leitungen
16.6 Symmetrische Datenübertragung
16.6.1 Prinzip
16.6.2 Eigenschaften
16.6.3 Grenzen des Verfahrens
16.6.4 Symmetrierung mittels Trafo
16.6.5 Beispiele
223
223
224
225
227
228
229
229
229
230
231
231
17 EMV in der Schaltungstechnik
232
17.1 Bauelemente und Schaltungen unter EMV-Aspekten
17.1.1 Widerstände
17.1.2 Kondensatoren
17.1.3 Induktivitäten
17.1.4 Der Operationsverstärker
17.1.5 Komparatoren
17.1.6 Subtrahierverstärker
17.1.7 Digitalschaltungen und Prozessoren
17.1.8 Die Leiterplatte
17.2 Übergang von analog auf digital
17.2.1 Schaltzeiten von analogen und von digitalen Schaltkreisen
17.2.2 Digitalschaltungen mit Schmitttriger-Verhalten
17.2.3 Flipflop als Schnittstelle
17.2.4 Anschluss an AD-Wandler
17.3 Überspannungsschutz
17.3.1 Schutzelemente
17.3.2 Prüfschaltung „Blitzeinschlag in unmittelbarer Nähe"
17.4 EMV-gerechte Eingangsschaltung
17.4.1 Tipps für den Aufbau
17.5 Maßnahmen in der Software
17.5.1 Nichtbeschaltete Interrupt-Eingänge
17.5.2 Illegale OP-Codes
17.5.3 Watchdogs
17.5.4 Plausibilitätsabfragen
17.5.5 Programme testen
17.5.6 Wie störfest ist eine Schaltung?
232
232
232
233
234
236
238
240
242
243
243
243
244
244
245
245
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249
249
249
249
250
250
Literaturverzeichnis
251
Sachwortverzeichnis
253