Inhaltsverzeichnis
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vn Inhalt Vorwort zur vierten Auflage V 1 Einfuhrung 1 1.1 Vorbemerkung 1.2 Stromversorgungen 1.3 PFC Power-Factor-Corrector 1.3.1 Problemstellung 1.3.2 Definition des Leistungsfaktors 1.3.3 Geltende Norm 1.3.4 Lösung durch PFC 1.3.5 Betriebsarten zur Leistungsfaktorkorrektur 1.4 Die Ladungspumpe 1.4.1 Schaltungsbeispiele 1.4.2 Wirkungsgrad und Ausgangsleistung einer Ladungspumpe 1.5 Idealisierung 2 Der Abwärtswandler 13 2.1 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 Analytische Berechnung des Effektivwertes 2.1.6 Numerische Bestimmung des Effektivwertes 2.2 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 2.3 Der Abwärtswandler mit Umschwingkondensator 2.3.1 Vorbemerkung 2.3.2 Schaltung beim Abwärtswandler 13 15 15 16 17 19 20 22 23 23 23 24 25 26 26 27 3 Der Aufwärtswandler 29 3.1 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 Bibliografische Informationen http://d-nb.info/992846455 1 3 4 4 4 6 6 7 9 9 10 11 29 30 31 32 32 digitalisiert durch Inhaltsverzeichnis 3.1.5 Die Größe der Ausgangskapazität 3.1.6 Die Grenze des nicht lückenden Betriebs 3.2 Der Aufwärtswandler mit lückendem Strom 3.2.1 Die Stromverläufe 3.2.2 Berechnung der Ausgangsspannung 3.2.3 Normierung 3.2.4 Die Grenze zum nicht lückenden Betrieb 3.3 Bidirektionaler Energiefluss 4 Der Multi-ParaUel-Wandler 4.1 Der Einfach-Synchronwandler 4.1.1 Das Schaltbild 4.1.2 Die Stromverläufe 4.1.3 Berechnung der Stromeffektivwerte 4.2 Der Zweifach-Synchronwandler 4.2.1 Das Schaltbild 4.2.2 Die Stromverläufe 4.2.3 Berechnung der Effektivwerte 4.2.4 Die Stromverläufe für vj< 0,5 4.3 Vierfach-Synchronwandler 4.3.1 Das Schaltbild 4.3.2 Die Stromverläufe für vj> 0,75 4.4 Gegenüberstellung der Ergebnisse 4.5 Synchronisation von Mehrfachwandlern 4.5.1 I-I-Messung 4.5.2 I-T-Control 4.5.3 PWM-gesteuert 4.6 Vergleich der Synchronisationsverfahren 5 Der Inverswandler 5.1 Der Inverswandler 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 5.2 Der Inverswandler mit lückendem Strom 6 Der Sperrwandler 6.1 Der Sperrwandler mit nicht lückendem Strom 6.1.1 Die Ausgangsspannung 6.1.2 Berechnung der Induktivität L 6.1.3 Die Grenze für den nicht lückenden Betrieb 6.2 Der Sperrwandler mit lückendem Strom 6.2.1 Berechnung der Ausgangskennlinien 6.3 Beispiel: Sperrwandler mit zwei Ausgangsspannungen 33 33 34 34 35 35 36 38 41 41 41 42 42 45 45 45 46 48 49 49 49 50 52 53 53 55 57 59 59 61 62 63 64 67 67 68 69 70 71 72 75 Inhaltsverzeichnis 6.4 Dimensionierungsbeispiel 6.4.1 Die quantitativen Strom-und Spannungsverläufe 6.4.2 Berechnung der Effektivwerte 6.4.3 Dimensionierung des Trafos 6.4.4 Gegenüberstellung der Verluste 7 Der Eintaktflusswandler 7.1 Der Eintaktflusswandler mit nicht lückendem Strom 7.1.1 Die Ausgangsspannung 7.1.2 Die Primärseite 7.1.3 Die Induktivität L 7.1.4 Grenze des nicht lückenden Betriebs 7.2 Der Eintaktflusswandler mit lückendem Strom 7.2.1 Die Strom-und Spannungsverläufe 7.2.2 Normierte Ausgangsgrößen 7.2.3 Die Grenze des lückenden Betriebs 7.2.4 Die Ausgangsdiagramme 8 Der Gegentaktflusswandler 8.1 Schaltung und Kurvenverläufe 8.1.1 Die Ausgangsspannung 8.1.2 Ansteuerung des Gegentaktwandlers 8.2 Brücken 8.2.1 Primärseite 8.2.2 Sekundärseite 8.3 Sperrverzugszeit von Dioden 8.3.1 Problemstellung 8.3.2 Messschaltung 8.3.3 Abhilfe 8.4 Dimensionierungsbeispiel 9 Resonanzwandler 9.1 Die Boucherot-Schaltung 9.1.1 Beziehungen 9.1.2 Ansteuerung mit Rechteckspannung 9.1.3 Berechnung der dritten Oberwelle 9.1.4 Realisierung der Rechteckspannung 9.1.5 Ein Ausführungsbeispiel: 12V-Vorschaltgerät für Energiesparlampe 9.2 Gegentaktwandler mit Umschwingen des Drosselstroms 9.2.1 Grundschaltung 9.2.2 Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Schaltzeiten 9.2.3 Ausgangskennlinie 9.2.4 Periodendauer in Abhängigkeit der Ausgangsspannung 9.2.5 Umschwingbedingung IX 76 76 77 78 80 81 81 82 83 84 85 86 86 87 88 88 91 91 92 93 96 96 97 98 98 98 99 101 105 105 105 108 109 110 110 112 112 113 114 115 116 X Inhaltsverzeichnis 9.3 Resonanzwandler mit variabler Frequenz 9.3.1 Schaltung 9.3.2 Vereinfachte Schaltung 9.3.3 Ersatzschaltung zur Betrachtung von einem Schaltvorgang 9.3.4 Spannungs- und Stromverläufe 9.3.5 Beziehungen 9.3.6 Berechnung der Ausgangsspannung 9.4 Vergleich „hartes" Schalten - Umschwingen 9.4.1 Beispielschaltung 9.4.2 Beziehungen 9.4.3 Auswirkung auf die ohmschen Verluste in der Drossel 10 Leistungsschalter 10.1 Der MOSFET 10.1.1 Das Schaltzeichen des MOSFET 10.1.2 Die Body-Diode 10.1.3 Das Ersatzschaltbild des MOSFET 10.1.4 Einschaltvorgang 10.1.5 Ausschaltvorgang 10.1.6 Die Gate-Ladung des MOSFET 10.1.7 Die Avalanchefestigkeit 10.2 DerSenseFET 10.3 Der TOPFET 10.4 DerlGBT 10.4.1 Das Schaltzeichen des IGBTs 10.4.2 Das Ersatzschaltbild des IGBTs 10.4.3 Schaltverhalten 10.5 Brückenbausteine 10.6 Schaltverluste 10.6.1 Abschaltvorgang mit ohmscher Last 10.6.2 Abschaltvorgang mit induktiver Last 10.6.3 Abschaltvorgang ohne Schaltverluste 10.7 Verbesserte Freilaufdiode 10.8 Verpolschutzdiode (Kfz) 11 Treiberschaltungen für MOSFETs und IGBTs 11.1 Einfache Treiberschaltungen 11.1.1 Ansteuerung mit CMOS-Gattern 11.1.2 Treiber mit Push-Pull-Stufe 11.1.3 Aktives Abschaltnetzwerk am Gate 11.1.4 Treiber-ICs 11.2 Treiberschaltungen mit Potentialtrennung 11.2.1 Treiberschaltung mit einstellbaren Schaltzeiten 11.2.2 Treiber mit Impulsübertrager 11.2.3 Primäransteuerung des Impulsübertragers 11.2.4 Dimensionierung des Impulsübertragers 118 118 118 119 119 120 121 122 122 122 125 127 127 127 127 129 129 130 130 131 132 134 135 135 135 136 136 137 138 139 140 141 142 143 143 144 144 145 146 147 147 148 152 153 Inhaltsverzeichnis 11.2.5 Potentialfreie Ansteuerung eines Polwenders 11.2.6 Ansteuerung mit verzögertem Einschalten 11.2.7 Primäransteuerung 11.3 Treiberschaltungen für DC-Motoren 11.3.1 High-Side-Schalter mit Ladungspumpe 11.3.2 Versorgung für den High-Side-Schalter 11.4 DC-Motoren 11.4.1 Ersatzschaltbild eines DC-Motors 11.4.2 Belastungskurven 11.4.3 Drehzahlvorsteuerung 12 Regelung der Wandler 12.1 PWM-Erzeugung 12.2 Regelung der Ausgangsspannung 12.3 Analoger PI-Regler 12.3.1 PI-Regler mit OP-Schaltung 12.3.2 Passiver PI-Regler 12.4 Einsatz von integrierten Schaltkreisen 12.5 Verwendung von MikroControllern 12.5.1 DA-Wandler 12.5.2 Programmierter PWM-Generator 12.6 Programmierung eines PI-Reglers 13 Magnetische Bauteile 13.1 Grundlagen des magnetischen Kreises 13.1.1 Die Luftspule 13.1.2 Der magnetische Kreis mit Ferrit 13.2 Dimensionierung von Spulen 13.2.1 Vorbemerkung 13.2.2 Aussteuerung des magnetischen Kreises 13.2.3 Bestimmung des AL-Wertes 13.2.4 Ersatzschaltbild der realen Spule 13.2.5 Ortskurve der Spule 13.2.6 Kupferverluste in der Wicklung 13.2.7 Verlustwinkel und Güte 13.3 Der Transformator 13.3.1 Allgemeine Beziehungen für sinusförmige Verläufe 13.3.2 Das Streuersatzschaltbild des Trafos 13.3.3 Dimensionierung des Trafos 13.4 Dimensionierung von Wicklungen 13.4.1 Die Primärwicklung 13.4.2 Skin-Effekt 13.4.3 Folienwicklung 13.4.4 Der Wicklungsaufbau 13.4.5 Luftstrecken und Überschlagsfestigkeit XI 154 157 158 159 159 162 163 163 163 164 165 165 166 167 167 168 169 171 171 174 179 181 181 181 183 188 188 189 189 190 191 191 192 193 193 195 198 200 200 201 203 204 205 Xu Inhaltsverzeichnis 13.5 Stromspitzen bei Transformatoren 13.5.1 Auswirkung der Magnetisierungskurve 13.5.2 Normalbetrieb 13.5.3 Ausfall von Netzhalbwellen 13.5.4 Einschalten eines Netztrafos im Nulldurchgang der Spannung 13.6 Der Stromwandler 13.6.1 Anwendungsbereich 13.6.2 Die Schaltung 13.6.3 Ein Ausfuhrungsbeispiel 13.6.4 Stromwandler mit Gleichrichter 13.6.5 Stromwandler in Schaltschränken 14 Kondensatoren für die Leistungselektronik 14.1 Grundsätzliches 14.2 Elektrolytkondensatoren 14.2.1 Verlustfaktor von Elektrolytkondensatoren 14.2.2 Resonanzfrequenz von Elektrolytkondensatoren 14.2.3 Wechselstrombelastbarkeit von Elektrolytkondensatoren 14.3 Folienkondensatoren 15 Die Kopplungsarten 15.1 Allgemeines 15.1.1 Verkopplungen erkennen 15.2 Die Widerstandskopplung 15.2.1 Prinzip der Widerstandskopplung 15.2.2 Abhilfemaßnahmen 15.2.3 Beispiele 15.2.4 Widerstandsberechnung 15.3 Die kapazitive Kopplung 15.3.1 Prinzip der kapazitiven Kopplung 15.3.2 Vermeidung und Abhilfemaßnahmen 15.3.3 Beispiele 15.3.4 Einfacher Nachweis elektrischer Felder im Labor 15.4 Die magnetische Kopplung 15.4.1 PrinzipdarsteUung der magnetischen Kopplung 15.4.2 Abhilfemaßnahmen bei magnetischer Einkopplung 15.4.3 Beispiele 15.4.4 Einfaches Messen von magnetischen Störungen im Labor 15.5 Strahlungskopplung 15.5.1 Allgemeines 15.5.2 Prinzip der Strahlungskopplung 15.5.3 Abhilfemaßnahmen 15.5.4 Messung am Kraftfahrzeug 15.6 Beispiele aus der Leistungselektronik 15.6.1 Kommutierungsvorgang an den Leistungsschaltern 15.6.2 Ankopplung des Treibers an den Leistungsschalter 207 207 208 208 208 209 209 209 210 210 210 211 211 212 212 213 213 216 219 219 220 222 222 223 224 228 230 230 231 232 234 235 235 235 236 238 239 239 239 240 241 242 242 242 Inhaltsverzeichnis XIII 16 StörqueUen 243 16.1 Zeitbereich - Frequenzbereich 16.1.1 Bandbreite 16.1.2 Störempfindlichkeit 16.1.3 Messprinzip 16.2 Fourierreihen 16.3 Der Rechteckimpuls 16.4 Der Trapezverlauf 16.5 Störungen in einem konventionellen Netzteil 17 Symmetrie 17.1 Prinzip der Symmetrie 17.2 Wie erreichen wir die Symmetrie? 17.3 Definition der Masse 17.4 Einfluss von leitenden Flächen 17.5 Verdrillte Leitungen 17.6 Symmetrische Datenübertragung 17.6.1 Prinzip 17.6.2 Eigenschaften 17.6.3 Grenzen des Verfahrens 17.6.4 Symmetrierung mittels Trafo 17.6.5 Beispiele 18 EMV in der Schaltungstechnik 18.1 Bauelemente und Schaltungen unter EMV-Aspekten 18.1.1 Widerstände 18.1.2 Kondensatoren 18.1.3 Induktivitäten 18.1.4 Der Operationsverstärker 18.1.5 Komparatoren 18.1.6 Subtrahierverstärker 18.1.7 Digitalschaltungen und Prozessoren 18.1.8 Die Leiterplatte 18.2 Übergang von analog auf digital 18.2.1 Schaltzeiten von analogen und von digitalen Schaltkreisen 18.2.2 Digitalschaltungen mit Schmitttrigger-Verhalten 18.2.3 Flipflop als Schnittstelle 18.2.4 Anschluss an AD-Wandler 18.3 Überspannungsschutz 18.3.1 Schutzelemente 18.3.2 Prüfschaltung „Blitzeinschlag in unmittelbarer Nähe" 18.4 EMV-gerechte Eingangsschaltung 18.4.1 Tipps für den Aufbau 243 243 244 244 245 246 252 255 257 257 258 259 261 262 262 262 263 263 264 264 265 265 265 265 266 267 269 271 273 274 276 276 277 277 277 278 278 280 281 281 XIV 18.5 Maßnahmen in der Software 18.5.1 Nichtbeschaltete Interrupteingänge 18.5.2 Illegale Op-Codes 18.5.3 Watchdogs 18.5.4 Plausibilitätsabfragen 18.5.5 Programme testen 18.5.6 Wie störfest ist eine Schaltung? 18.6 Spezifische EMV-Aspekte bei Schaltreglern 18.6.1 Der Synchronabwärtswandler als Beispiel 18.6.2 Eingangs- und Ausgangsfilter 18.6.3 Masseverdrahtung 18.6.4 Anschluss der Treiber 18.6.5 Messen der Ausgangsspannung 18.6.6 Aufgespannte Fläche Inhaltsverzeichnis 282 282 282 282 282 283 283 284 284 284 285 286 286 286 Literaturverzeichnis 287 Sachwortverzeichnis 289
