UI-Regler
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Elektronik Grundlagen Spannungs- und Strom-Stabilisierungsschaltungen Andreas Zbinden Gewerblich- Industrielle Berufsschule Bern Inhaltsverzeichnis 1 Begriffe 2 2 Spannungsstabilisierschaltungen 2.1 Längsregler oder Linearregler . . . . . . . . . . . 2.1.1 Beispiele geregelte Netzgeräte . . . . . . . 2.2 Integrierte Längsregler . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Längsregler mit geringem Spannungsverlust . . . 2.4 Schaltregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Sekundärgetaktete Schaltregler . . . . . . . . . . 2.5.1 Blockschaltbild . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Prinzipielle Möglichkeiten . . . . . . . . . 2.5.3 Der Abwärts-Wandler . . . . . . . . . . . 2.5.4 Analyse eines Abwärts-Wandlers . . . . . 2.5.5 Aufbau eines Abwärtswandlers . . . . . . 2.6 Primär getaktete Schaltregler . . . . . . . . . . . 2.6.1 Blockschaltbild . . . . . . . . . . . . . . . 2.6.2 Prinzip des Eintakt-Druchflusswandlers . 2.6.3 Beispiel Eintakt-Durchflusswandler . . . . 2.6.4 Prinzip des Gegentakt-Durchflusswandlers 3 Stromstabilisierschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 5 8 9 11 14 14 14 15 15 17 18 19 19 20 20 22 23 1 1 Begriffe 1 Begriffe Steuerungen und Regelungen haben die Aufgabe, einer physikalischen Grösse einen bestimmten gewünschten Wert zu geben. Gemeinsames Merkmal ist das Stellglied, das z.B. die Energiezufuhr eines Systems beeinflussen kann. Abbildung 1: Steuerung: Die Drehzahl des DC-Motors wird durch das Stellglied gesteuert. Es erfolgt keine Rückmeldung an die Steuerschaltung, wir haben einen offenen Wirkungsablauf. Abbildung 2: Regelung: Im Gegensatz zur Steuerung kann hier die Drehzahl auf einen be-stimmten Wert eingestellt und kon-stant gehalten, also geregelt werden. Dazu braucht es zusätzlich einen Vergleich der tatsächlichen mit der gewünschten Drehzahl und eine entsprechende Korrekturfunktion des Stellgliedes. Wir erhalten einen geschlossenen Kreis (Regelkreis). 2 1 Begriffe Abbildung 3: Regelkreis Grösse Erklärung Regelstrecke Regelgrösse x Stellgrösse y geregelte Anlage, z.B. Heizung zu regelnde Grösse, z.B. Temperatur bewirkt in der Regelstrecke die Entstehung der Regelgrösse, der Strom erzeugt beispielsweise in der Heizung eine bestimmte Temperatur wirkt von aussen auf das System, beeinflusst die Regelgrösse und muss daher ausgeregelt werden. Beispiele: Netzspannungsschwankungen, Schwankungen der Aussentemperatur tatsächlicher Wert der Regelgrösse wird dem System von aussen zugeführt und kann von ihm selbst nicht beeinflusst werden. Man spricht auch von Führungsgrösse ist die Differenz zwischen Sollwert und Istwert. xd = w − xi ist die Regeldifferenz mit anderem Vorzeichen. xw = −xd Störgrösse z Istwert xi Sollwert w Regeldifferenz xd Regelabweichung xw Tabelle 1: Elemente einer Regelung 3 1 Begriffe Bei einer Regelung wird eine Regelgrösse x dauernd gemessen und mit einer Führungsgrösse w verglichen. Mit Hilfe des Vergleichsergebnisses xd wird die Regelgrösse so beeinflusst, dass sie sich der Führungsgrösse w angleicht. Störgrössen z lassen sich dadurch kompensieren. Dieser Wirkungsablauf findet in einem geschlossenen Kreis, dem Regelkreis, statt. Beispiel 1.1. Tragen Sie in Abbildung 4 die regeltechnischen Elemente in das Schaltbild ein. Zeichnen Sie auch mögliche Störgrössen ein. Abbildung 4 4 2 Spannungsstabilisierschaltungen 2 Spannungsstabilisierschaltungen 2.1 Längsregler oder Linearregler Abbildung 5: Prinzipschaltung: Längs- oder Linearregler Längs- oder Linearregler haben kleine Brummspannungen aber grosse Verlustleistungen Beispiel 2.1. Die einfache Z-Diodenstabilisierung wird erweitert durch einen Längstransistor als Emitterfolger. Gegeben: UE = 10 V bis 14 V, UL = 5 V konstant, IL = 0 A bis 250 mA, diese Werte sind mit einer einfachen RZ-Stabilisierung kaum realisierbar. Gesucht ist Z-Diode, Transistor mit Kühlkörper und R1 Berechnung: 5 2 Spannungsstabilisierschaltungen Die Schaltung gemäss Beispiel 2.1 lässt sich verbessern, wenn der Längstransistor V2 etwas entlastet wird und nicht alles selbst erledigen muss. In untenstehender Schaltung übernimmt ein zusätzlicher Regeltransistor (Q1) den Vergleich von Soll- mit Istwert. Die Schaltung wird auf ihr Regelverhalten untersucht. Dabei wird eine Laststromänderung von 100 mA auf 200 mA simuliert. Diagramm I (IL ) Als Folge des grösseren Laststromes sinkt vorerst die Ausgangsspannung V (out). Die Regelschaltung erhöht den Basisstrom I (R2). Nach kurzem Einschwingen ist der Sollwert für die Ausgangsspannung wieder erreicht. Abbildung 6: Verbesserter Linearregler Abbildung 7: Resultate aus Simulation 7 2 Spannungsstabilisierschaltungen 2.1.1 Beispiele geregelte Netzgeräte Abbildung 8: Netzteil mit Regeltransistor Abbildung 9: Netzteil mit OPV als Regelverstärker 8 2 Spannungsstabilisierschaltungen 2.2 Integrierte Längsregler (Spannungsregler) Einige wichtige Kenndaten von Spannungsreglern: · Ausgangsspannung und ihre Toleranz · Maximaler Ausgangsstrom und Kurzschlussstrom · Minimal erforderlicher Spannungsabfall über dem Regler (Dropout-Voltage) · Ausregelung von Eingangsspannungsschwankungen (Line Regulation) · Ausregelung von Laststromschwankungen (Load Regulation) Festspannungsregler am Beispiel der 78xx - Serie Monolithisch integrierte Spannungsregler mit drei Anschlüssen. Die Regler besitzen thermischen Überlastschutz und Kurzschlussstrombegrenzung. Mit entsprechender Kühlung können Ströme über 1A entnommen werden. Ausgangsspannungen sind: 5 V, 6 V, 8 V, 12 V, 15 V, 18 V and 24 V Für negative Ausgangsspannungen eignet sich die 79xx - Serie. Abbildung 10: Prinzipschaltung (78xx) Bei hohen Spannungen über T1 (z.B. Kurzschluss am Ausgang) wird D1 leitend. Damit wird auch T2 leitend und T1 leitet weniger. → rückläufige Kennlinie. Beispiel 2.2. Wie berechnet sich Ua (Formel)? 9 2 Spannungsstabilisierschaltungen (a) 78xx (pos. Spannungen) (b) 79xx (neg. Spannungen Abbildung 11: Festspannungsregler UE mindestens 2 V grösser als UL . CE typ. 2200 µF, CL typ. einige µF. Ev. noch je 100 nF direkt an Ein- bzw. Ausgang. Spannungsregler mit einstellbarer Ausgangsspannung am Beispiel der 317bzw. 337-Serie (a) Positive Spannungsregler 317 (b) Negative Spannungsregler 337 Abbildung 12: Einstellbare Spannungsregler Beispiel 2.3. Wie berechnet sich Ua (Formel)? 10 2 Spannungsstabilisierschaltungen Abbildung 13: Anwendungen von integrierten Spannungsreglern 2.3 Längsregler mit geringem Spannungsverlust Anhand der bekannten Grundschaltung gemäss Abbildung 10 ziehen wir eine Bilanz über die Verlustleistung bei Längsreglern: Problematik dieser Schaltung: der minimale Spannungsabfall zwischen Ue und Ua (Dropout Voltage) ist recht gross: UR3 + UBET 1 + UI 1 = 0,6 V + 1,4 V + 0,5 V = 2,5 V. Bei einem 5 V-Regler ergibt sich dadurch eine Verlustleistung von mindestens 50% der Ausgangsleistung. 11 2 Spannungsstabilisierschaltungen Abbildung 14: Grundschaltung eines Spannungsregler mit geringem Spannungsverlust 12 2 Spannungsstabilisierschaltungen Abbildung 15: Einige Daten von integrierten Längsreglern 13 2 Spannungsstabilisierschaltungen 2.4 Schaltregler In Längsreglern treten beträchtliche Verlustleistungen auf. Die Verluste lassen sich reduzieren, indem der kontinuierlich geregelte Längstransistor durch einen Transistorschalter ersetzt wird. Der Mittelwert der Ausgangsspannung wird durch unterschiedliche Ein- und Ausschaltzeiten dieses Schalters beeinflusst. Ein Tiefpassfilter bildet dann den zeitlichen Mittelwert der zerhackten Spannung. Verlustleistungen entstehen nur noch im Transistorschalter und in den vom Strom durchflossenen Bauelementen. Es lassen sich sehr hohe Wirkungsgrade erreichen. Abbildung 16: Schaltregler 2.5 Sekundärgetaktete Schaltregler 2.5.1 Blockschaltbild Abbildung 17: Blockschaltbild eines sekundär getakteten Schaltreglers 14 2 Spannungsstabilisierschaltungen 2.5.2 Prinzipielle Möglichkeiten Abbildung 18: Abwärts-Wandler (Durchflusswandler, Step-down switcher) Abbildung 19: Aufwärts-Wandler (Sperrwandler, Step-up switcher) Abbildung 20: Invertierender Wandler (Inverting switcher) 2.5.3 Der Abwärts-Wandler Der Umschalter in den vorhergehenden Schaltungen kann vereinfacht werden, indem man einen Zweig mit einem einfachen Ausschalter (Transistor) realisiert und den anderen mit einer Diode. 15 2 Spannungsstabilisierschaltungen Abbildung 21: Abwärtswandler mit Transistor und Diode als Umschalter Solange der Schalter S geschlossen ist, wird U 1 = UE . Die Diode V1 sperrt. An der Spule ist ein Spannungsabfall UL1 = UE −UL messbar, welcher als konstant angenommen wird. Auf eine konstante Spannung reagiert eine ideale Spule mit einem linear ansteigenden Strom: Wenn der Schalter S geöffnet wird, liefert nebst dem Kondensator auch die Spule Energie an den Lastwiderstand RL. Der Spulenstrom fliesst über die Diode in der ursprünglichen Richtung weiter. Mit U 1 = 0 wird UL1 = UL. 16 2 Spannungsstabilisierschaltungen 2.5.4 Analyse eines Abwärts-Wandlers Mit einer Eingangsspannung UE = 10 V soll bei einem Laststrom IL = 1 A eine Ausgangsspannung UL = 5 V erzeugt werden. Die Schaltfrequenz sei 1 kHz. Abbildung 22: Abwärtswandler Beispiel Werden die Elemente V1, L1 und C1 als ideal angenommen, treten folgende Spannungsund Stromverläufe auf: Abbildung 23: Spannungs- und Stromverlauf eines Abwärtswandlers 17 2 Spannungsstabilisierschaltungen 2.5.5 Aufbau eines Abwärtswandlers Der Schaltungsvorschlag zeigt den prinzipiellen Aufbau. Es werden nur noch wenige externe Bauelemente benötigt (z.B. D, L, C sowie einige R und C). Die Regelung der Ausgangsspannung erfolgt mit Hilfe eines Impulsbreitenmodulators. Abbildung 24: Abwärtswandler mit Impulsweitenmodulator Abbildung 25: Funktionsweise des Impulsbreitenmodulators Beispiel 2.4. Beispiel Abwärtswandler mit LM2678 18 2 Spannungsstabilisierschaltungen Abbildung 26: LM2678 Studieren Sie die Funktion der Schaltung anhand der Datenblätter. Entwurf einer vollständigen Regelschaltung für folgende Bedingungen: · Ue = 18V ...22V · Ua = 12V · Iamax = 4A Bestimmen Sie alle externen Bauteile (keine Surface Mount); also L, COUT, CIN, D, CBoost, Protokollieren Sie Ihr Vorgehen. 2.6 Primär getaktete Schaltregler 2.6.1 Blockschaltbild Abbildung 27: Blockschaltbild primär getakteter Schaltregler Es wird unterschieden zwischen Eintakt- und Gegentaktwandlern. Eintakt-Durchflusswandler lassen sich relativ einfach aufbauen. 19 2 Spannungsstabilisierschaltungen 2.6.2 Prinzip des Eintakt-Druchflusswandlers Abbildung 28: Eintakt-Durchflusswandler Solange der Leistungsschalter S geschlossen ist, wird über V2 Energie an den Ausgang abgegeben (Merkmal des Durchflusswandlers). Wenn S geöffnet wird, sperrt V2. Der Strom durch die Speicherdrossel L1 fliesst jetzt über V3 weiter. Die Verhältnisse auf der Sekundärseite sind daher die gleichen wie beim Abwärts-Wandler. Daher gelten, abgesehen vom Einfluss des Übersetzungsverhältnisses ü des Transformators, diesselben Berechnungsgrundlagen. Sobald der Leistungsschalter S sperrt, erzeugt die im Transformator gespeicherte Energie eine Induktionsspannung. Durch die zweite Trafowicklung kann nun die Energie über die Diode V1 in den Kondensator C1 zurückgespiesen werden. Dies schützt den Leistungsschalter und erhöht den Wirkungsgrad des Wandlers. 2.6.3 Beispiel Eintakt-Durchflusswandler Das Schaltnetzteil arbeitet als Eintakt-Durchflusswandler für 5V ; 20A mit einer Schaltfrequenz von 50 kHz. Die Schaltung ist bereits etwas in die Jahre gekommen; der Baustein TDA 4718 wird nicht für Neuentwicklungen empfohlen. Weil noch deutlich weniger in den IC integriert wurde als bei modernsten Bausteinen lassen sich die einzelnen Funktionsblöcke aber sehr gut erkennen. 20 2 Spannungsstabilisierschaltungen Abbildung 29: Durchflusswandler mit TDA4718 Moderne ICs wie z.B. der TDA 16831 verfügen dank den integrierten Funktionen über weniger Pins und benötigen weniger externe Bauelemente. Als Hilfe zur Bestimmung der Elementwerte stellt der Hersteller üblicherweise ein Softwaretool zur Verfügung. 21 2 Spannungsstabilisierschaltungen 2.6.4 Prinzip des Gegentakt-Durchflusswandlers Abbildung 30: Gegentaktwandler Bei Durchflusswandlern nach dem Gegentaktprinzip wird die Schaltleistung auf zwei oder vier Transistoren verteilt. Abbildung 31: Gegentakt-Durchflusswandler mit Vollbrücke 22 3 Stromstabilisierschaltungen 3 Stromstabilisierschaltungen (a) (b) Abbildung 32: Stromquelle mit einem JFET Abbildung 33: Stromquelle mit bipolarem Transistor 23 3 Stromstabilisierschaltungen (a) Einfache Schaltung: Strom ist nicht auf NullPotential bezogen. (b) Ausgangsstrom auf Null-Potential bezogen Abbildung 34: Stromquellen mit OPV (a) mit OPV und FET (b) mit Spannungsregler Abbildung 35: Stromquellen für grössere Ströme 24 3 Stromstabilisierschaltungen Beispiel 3.1. Mit einem JFET BF245C soll eine Stromquelle für folgende Daten berechnet werden: IL = 5 mA, Ub = 25 V und UDSmin = 4 V Bestimmen Sie: RS , RLmin und RLmax für IL = konst. Prüfen Sie die Kurzschlussfestigkeit. Beispiel 3.2. Mit einem NPN-Transistor 2N2222 (hFE = 75...300) und einer Z-Diode 1N750A (Uz = 4,7 V, Izmax = 75 mA) soll eine Stromquelle für folgende Daten berechnet werden: IL = 10 mA, Ub = 30 V, UCEmin = 1 V. Berechnen Sie: R1, RE , RLmin und RLmax für IL = konst. Prüfen Sie die Kursschlussfestigkeit. Beispiel 3.3. Schaltung nach Abbildung 35b Berechnen Sie: R1 für IL = 100 mA, RLmin und RLmax für IL = konst. Maximale Verlustleistung im IC7805 (Falls nötig Kühlkörper bestimmen für ϑa = 50 ◦C) Maximale Leistungsabgabe an RL. 25
